【測試案例分享】 如何評估熱載流子引導的MOSFET衰退

隨著(zhù)MOSFET柵極長(cháng)度的減小，熱載流子誘發(fā)的退化已成為重要的可靠性問(wèn)題之一。在熱載流子效應中，載流子被通道電場(chǎng)加速并被困在氧化物中。這些被捕獲的電荷會(huì )引起測量器件參數的時(shí)間相關(guān)位移，例如閾值電壓 (VTH)、跨導 (GM)以及線(xiàn)性 (IDLIN) 和飽和 (IDSAT) 漏極電流。隨著(zhù)時(shí)間的推移，可能會(huì )發(fā)生實(shí)質(zhì)性的器件參數退化，從而導致器件失效。用于測量HCI的儀器必須提供以下三個(gè)關(guān)鍵功能：

• 自動(dòng)提取設備參數

• 創(chuàng )建具有各種應力時(shí)間的應力測量序列

• 輕松導出測量數據進(jìn)行高級分析

本文說(shuō)明描述了如何在Keithley 4200-SCS（半導體表征系統）中使用這些關(guān)鍵功能來(lái)執行熱載流子退化測試。

圖1. 漏極雪崩熱載體效應

MOSFET熱載流子效應及器件性能監測

今天的超大規模集成電路MOSFET器件具有極短的通道長(cháng)度和高電場(chǎng)。在這些高電場(chǎng)中，載流子被加速到高速，在器件漏極附近達到最大動(dòng)能（熱）。如果載流子能量足夠高，就會(huì )發(fā)生撞擊電離（漏極雪崩熱載流子效應），產(chǎn)生電子-空穴對（圖1）。這些空穴和電子可以獲得足夠的能量來(lái)超越Si-SiO2勢壘并被困在柵極氧化物中。被捕獲的電荷導致器件退化和襯底電流（ISUB）增強。

載流子器件測試時(shí)間通常非常長(cháng)，因此第一步是確定一組優(yōu)化的應力條件。然后，選擇一種新的器件，并確定 VTH 、GM 、i、iDLIN等初始器件參數。然后在指定的應力區間內施加優(yōu)化后的應力。在每個(gè)應力區間之后，再次進(jìn)行參數測量并確定退化情況。此測試應力循環(huán)繼續進(jìn)行，直到滿(mǎn)足目標退化或測試時(shí)間標準。熱載流子壽命由退化與應力時(shí)間數據確定。

使用Keithley 4200測試熱載波壽命

在熱載流子測試開(kāi)始之前，必須建立漏極和柵極應力偏置電壓。以確保通道熱的真實(shí)性載波條件下，推薦的最大漏極應力偏置電壓小于器件漏源擊穿電壓的90%。

在給定漏極應力偏置電壓下，柵極應力偏置 （VGstress）的選擇應使熱載流子衰退最大化。對于NMOS器件，這通常發(fā)生在使襯底或體電流（ISUB）最大化的柵極偏置 (VGATE) 處。圖2代表了典型的 4200-SCS ISUB vs. VGATE數據。在這種情況下，最優(yōu)的VGstress是1.821V。

圖2. 定義VGstress的典型4200-SCS  ISUB數據

熱載流子監測參數包括 VTH 、GM 、IDLIN和飽和IDSAT。這些參數在應力前初步確定，并在每次累積應力時(shí)重新確定。IDLIN是器件偏置在線(xiàn)性區域時(shí)測量到的漏極電流，而 IDSAT是器件偏置在飽和區域時(shí)測量到的漏極電流。VTH and GM可以用恒流法或外推法確定。在外推法中，由 VTH的最大斜率確定 IDS Vs. VGS曲線(xiàn)。

4200-SCS的公式編輯器大大簡(jiǎn)化了這些參數的提取。其內置的函數包括 : 用于獲取 GM的微分函數，用于獲取最大GM的MAX函數（gnext），以及用于提取 VTH的最小二乘線(xiàn)擬合函數（Vtext）。圖3展示了 Formulator 的自動(dòng)數據分析能力。

測量完器件參數后，在漏極和柵極應力偏置條件下對器件施加規定時(shí)間的應力。累積應力時(shí)間通常是對數的，例如10、30、100、300、1000等。在每個(gè)累積應力時(shí)間，再次測量并記錄器件參數。

圖3. 典型的4200-SCS VTH 和GM 測量結果

4200-SCS的內置測試測序器和交互式測試模塊 （ITM）功能大大簡(jiǎn)化了熱載波測試程序的實(shí)施。圖5描繪了“項目導航器”窗口中的熱載壓力測試序列和熱載壓力測試模塊（hcistres10）定義標簽頁(yè)。項目導航窗口顯示了測試序列，該序列首先對idlin、idsat和 vtlin（Thevtlin模塊提取參數（Vtext和gnext）。hcistres10測試在指定的漏極和柵極應力電壓下施加 10 秒應力。應力完成后，再次測量器件參數。此應力測量序列持續進(jìn)行，直到超過(guò)規定的最大應力時(shí)間。

圖4. 熱載體項目測試序列和hcistress10測試

hcistres10測試定義選項卡用于指定應力電壓和應力時(shí)間。在本例中，柵極和漏極應力條件分別指定為2.2V和5.5V。在時(shí)序對話(huà)框（未顯示）中指定應力時(shí)間，使用時(shí)序命令按鈕激活（見(jiàn)圖4）。在時(shí)序對話(huà)框中，hcistreses10測試被設置為采樣模式，間隔為1秒，采樣次數為10次。這將提供一個(gè)10秒的應力，要獲得更長(cháng)的應力時(shí)間，只需增加樣本數量或采樣間隔。

當繪制在對數 - 對數圖上時(shí)，n通道熱載流子退化與時(shí)間數據通常表現為線(xiàn)性行為。最小二乘擬合回歸分析用于內插或外推熱載流子時(shí)間到目標壽命。待測器件的壽命（lifetime）被定義為特征參數退化量10％，或者VTH相較于初始化狀態(tài)變化50mv。

圖5. 在 Microsoft Excel中分析的4200-SCS熱載流子線(xiàn)性漏極電流退化數據

結論

4200-SCS大大簡(jiǎn)化了熱載流子誘導衰退測定。內置的4200-SCS軟件工具，如Project Navigator, Formulator，以及完全兼容的Excel數據格式，提供了靈活、快速、易于使用的測試環(huán)境。此外，4200-SCS將這些工具與先進(jìn)的源測量單元技術(shù)，為具有挑戰性的設備可靠性和特性要求創(chuàng )造理想的測試環(huán)境。