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【測(cè)試案例分享】 如何評(píng)估熱載流子引導(dǎo)的MOSFET衰退

發(fā)布時(shí)間:2024-09-22 來源:泰克科技 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】著MOSFET柵極長(zhǎng)度的減小,熱載流子誘發(fā)的退化已成為重要的可靠性問題之一。在熱載流子效應(yīng)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(cè)量器件參數(shù)的時(shí)間相關(guān)位移,例如閾值電壓 (VTH)、跨導(dǎo) (GM)以及線性 (IDLIN) 和飽和 (IDSAT) 漏極電流。隨著時(shí)間的推移,可能會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的器件參數(shù)退化,從而導(dǎo)致器件失效。


隨著MOSFET柵極長(zhǎng)度的減小,熱載流子誘發(fā)的退化已成為重要的可靠性問題之一。在熱載流子效應(yīng)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(cè)量器件參數(shù)的時(shí)間相關(guān)位移,例如閾值電壓 (VTH)、跨導(dǎo) (GM)以及線性 (IDLIN) 和飽和 (IDSAT) 漏極電流。隨著時(shí)間的推移,可能會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的器件參數(shù)退化,從而導(dǎo)致器件失效。用于測(cè)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(shè)備參數(shù)

  • 創(chuàng)建具有各種應(yīng)力時(shí)間的應(yīng)力測(cè)量序列

  • 輕松導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高級(jí)分析


本文說明描述了如何在Keithley 4200-SCS(半導(dǎo)體表征系統(tǒng))中使用這些關(guān)鍵功能來執(zhí)行熱載流子退化測(cè)試。


【測(cè)試案例分享】 如何評(píng)估熱載流子引導(dǎo)的MOSFET衰退

圖1. 漏極雪崩熱載體效應(yīng)


MOSFET熱載流子效應(yīng)及器件性能監(jiān)測(cè)


今天的超大規(guī)模集成電路MOSFET器件具有極短的通道長(zhǎng)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(dá)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(yīng)),產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(圖1)。這些空穴和電子可以獲得足夠的能量來超越Si-SiO2勢(shì)壘并被困在柵極氧化物中。被捕獲的電荷導(dǎo)致器件退化和襯底電流(ISUB)增強(qiáng)。


載流子器件測(cè)試時(shí)間通常非常長(zhǎng),因此第一步是確定一組優(yōu)化的應(yīng)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(shù)。然后在指定的應(yīng)力區(qū)間內(nèi)施加優(yōu)化后的應(yīng)力。在每個(gè)應(yīng)力區(qū)間之后,再次進(jìn)行參數(shù)測(cè)量并確定退化情況。此測(cè)試應(yīng)力循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行,直到滿足目標(biāo)退化或測(cè)試時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。熱載流子壽命由退化與應(yīng)力時(shí)間數(shù)據(jù)確定。


使用Keithley 4200測(cè)試熱載波壽命


在熱載流子測(cè)試開始之前,必須建立漏極和柵極應(yīng)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(yīng)力偏置電壓小于器件漏源擊穿電壓的90%。


在給定漏極應(yīng)力偏置電壓下,柵極應(yīng)力偏置 (VGstress)的選擇應(yīng)使熱載流子衰退最大化。對(duì)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(shù)據(jù)。在這種情況下,最優(yōu)的VGstress是1.821V。


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圖2. 定義VGstress的典型4200-SCS  ISUB數(shù)據(jù)


熱載流子監(jiān)測(cè)參數(shù)包括 VTH 、GM 、IDLIN和飽和IDSAT。這些參數(shù)在應(yīng)力前初步確定,并在每次累積應(yīng)力時(shí)重新確定。IDLIN是器件偏置在線性區(qū)域時(shí)測(cè)量到的漏極電流,而 IDSAT是器件偏置在飽和區(qū)域時(shí)測(cè)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。


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


測(cè)量完器件參數(shù)后,在漏極和柵極應(yīng)力偏置條件下對(duì)器件施加規(guī)定時(shí)間的應(yīng)力。累積應(yīng)力時(shí)間通常是對(duì)數(shù)的,例如10、30、100、300、1000等。在每個(gè)累積應(yīng)力時(shí)間,再次測(cè)量并記錄器件參數(shù)。


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圖3. 典型的4200-SCS VTH 和GM 測(cè)量結(jié)果


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


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圖4. 熱載體項(xiàng)目測(cè)試序列和hcistress10測(cè)試


hcistres10測(cè)試定義選項(xiàng)卡用于指定應(yīng)力電壓和應(yīng)力時(shí)間。在本例中,柵極和漏極應(yīng)力條件分別指定為2.2V和5.5V。在時(shí)序?qū)υ捒颍ㄎ达@示)中指定應(yīng)力時(shí)間,使用時(shí)序命令按鈕激活(見圖4)。在時(shí)序?qū)υ捒蛑校琱cistreses10測(cè)試被設(shè)置為采樣模式,間隔為1秒,采樣次數(shù)為10次。這將提供一個(gè)10秒的應(yīng)力,要獲得更長(zhǎng)的應(yīng)力時(shí)間,只需增加樣本數(shù)量或采樣間隔。


當(dāng)繪制在對(duì)數(shù) - 對(duì)數(shù)圖上時(shí),n通道熱載流子退化與時(shí)間數(shù)據(jù)通常表現(xiàn)為線性行為。最小二乘擬合回歸分析用于內(nèi)插或外推熱載流子時(shí)間到目標(biāo)壽命。待測(cè)器件的壽命(lifetime)被定義為特征參數(shù)退化量10%,或者VTH相較于初始化狀態(tài)變化50mv。


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


結(jié)論


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


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