|
作者：泰克科技 在現代ULSI電路中溝道熱載流子（CHC）誘導的退化是一個(gè)重要的與可靠性相關(guān)的問(wèn)題。載流子在通過(guò)MOSFET通道的大電場(chǎng)加速時(shí)獲得動(dòng)能。當大多數載流子到達漏極時(shí)，熱載流子（動(dòng)能非常高的載流子）由于原子能級碰撞的沖擊電離，可以在漏極附近產(chǎn)生電子—空穴對。其他的可以注入柵極通道界面，打破Si-H鍵，增加界面態(tài)密度。CHC的影響是器件參數的時(shí)間相關(guān)的退化，如VT、IDLIN和IDSAT。這種通道熱載流子誘導的退化（也稱(chēng)為HCI或熱載流子注入）在NMOS和PMOS器件上都可以看到，并會(huì )影響所有區域的器件參數，如VT、亞閾值斜率、Id-on、Id-off、Ig等。每個(gè)參數隨應力時(shí)間的退化速率取決于器件的布局和所使用的工藝。 
圖1. 通道熱載流子退化 CHC退化測試的過(guò)程 一個(gè)典型的通道熱載流子測試過(guò)程包括一個(gè)被測試器件（DUT）的初始化表征，然后是一個(gè)應力和測量循環(huán)（圖2）。在這個(gè)循環(huán)中，器件承受的電壓高于正常工作電壓的壓力。器件參數包括IDLIN、IDSAT、VT、Gm等，在應力之間進(jìn)行監測，并將這些參數的退化繪制為累積應力時(shí)間的函數。在進(jìn)行此應力和測量回路之前，將測量同一組器件參數作為基線(xiàn)值。
圖2 典型的CHC測試過(guò)程 應力條件是基于最壞情況下的退化條件，這對于NMOS和PMOSFET是不同的。通常，對于漏極電壓應力，它應小于源極漏極擊穿電壓的90%。然后，在漏極應力電壓下，柵極應力電壓因晶體管類(lèi)型和柵極長(cháng)度而不同。表1顯示了使用不同技術(shù)創(chuàng )建的NMOS和PMOSFET的最壞情況退化條件。 表1. NMOS和PMOS FETs的最壞情況應力條件
使用4200A-SCS半導體表征系統上的IMT可以很容易地確定最壞情況下的應力條件。 器件連接 在單個(gè)晶體管上執行CHC測試很容易。然而，每個(gè)CHC測試通常需要很長(cháng)時(shí)間才能完成，所以希望有許多DUT并行施加壓力，然后在應力之間按順序進(jìn)行表征，以節省時(shí)間。為了實(shí)現這一點(diǎn)，需要一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣來(lái)處理并行應力和應力之間的順序測量。圖3顯示了針對多個(gè)DUT的典型CHC測試的硬件配置。4200A-SCS提供了應力電壓和測量能力，而開(kāi)關(guān)矩陣支持并行應力和多個(gè)器件的順序測量。根據被測試器件的數量，使用可容納一個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)（12個(gè)器件引腳）的708主機，或者使用最多6個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)（最多72個(gè)引腳）的707主機。不同柵極和漏極應力值的總數受到系統中SMU數量的限制。圖4說(shuō)明了使用8個(gè)SMU（總共8個(gè)不同的漏極和柵極應力偏差）加上一個(gè)接地單元（接地端子）并聯(lián)20個(gè)晶體管對器件進(jìn)行壓力測試的連接圖。
圖3. 硬件配置連線(xiàn)圖
圖4. 使用8個(gè)SMU并行施加壓力20個(gè)器件的示例。公共端子使用單獨的接地單元（GNDU）。 確定器件參數 被監測的熱載流子參數包括VTH、GM、IDLIN和IDSAT。這些參數在應力之前首先測量，并在每個(gè)累積應力時(shí)間后重新測量。IDLIN是器件在線(xiàn)性區域測量漏極電流，而IDSAT是器件在飽和區域測量漏極電流。VTH和GM可以用恒流法或內插/外插法來(lái)確定。在內插/外插法中，VTH是由IDS - VDS曲線(xiàn)的最大斜率來(lái)確定。 4200A-SCS的公式編輯器工具大大簡(jiǎn)化了這些參數的提取。內置函數包括微分獲得GM，MAX函數獲得最大的GM（Gmext），以及最小二乘線(xiàn)擬合函數提取VTH（Vtext）。計算這些參數的公式可以在4200A-SCS提供的HCI項目中找到，并在測試庫中的相應的測試中找到。這些公式的一些例子包括： GM = DIFF(DRAINI,GATEV) GMEXT = MAX(GM) VTEXT = TANFITXINT(GATEV, DRAINI, MAXPOS (GM)) 最后一個(gè)公式（VTEXT）是ID-VG曲線(xiàn)在最大GM點(diǎn)處的切線(xiàn)擬合的x截距。一旦這些參數從各個(gè)測試中計算出來(lái)，它們就可以通過(guò)選中“輸出值”選項中的復選框來(lái)導出，以監測應力時(shí)間的退化。對于每個(gè)測試，都可以選擇退出選項，允許系統跳過(guò)該器件，或者在器件出現故障時(shí)停止整個(gè)CHC測試。有關(guān)這些選項的更多詳細信息，請參閱完整的4200A-SCS參考手冊。 設置應力條件 在4200A-SCS軟件的吉時(shí)利Clarius版本中增強的功能之一是項目樹(shù)結構中可以增加一個(gè)應力循環(huán)，可以施加電壓和電流應力。用戶(hù)可以利用應力循環(huán)在預設時(shí)間上設置直流應力。每個(gè)周期的應力時(shí)間可以以線(xiàn)性或對數的方式進(jìn)行設置（見(jiàn)圖5）。該特性用于CHC/HCI、NBTI、EM（電遷移率）和電荷捕獲應用，以提供恒定的直流應力（電壓或電流）。在應力 / 測量模式下，用戶(hù)可以為被測器件的每個(gè)終端設置應力條件（圖6）。在每個(gè)應力周期之后，4200A-SCS經(jīng)過(guò)一個(gè)測量序列，其中可以包括任意數量和類(lèi)型的用戶(hù)定義的測試和參數提取。這些參數隨時(shí)間的退化情況被繪制在應力圖中。4200A-SCS 的“工具包”體系結構為用戶(hù)在創(chuàng )建測試序列和壓力測量方面提供了巨大的靈活性。 對于關(guān)鍵參數，可以設置一個(gè)目標退化值（圖6）。一旦該參數的退化超過(guò)了目標值，特定的測試將停止。通過(guò)消除不必要的壓力和測量故障器件上的周期，將會(huì )節省了大量的時(shí)間。
圖5. 應力循環(huán)設置頁(yè)面 如果項目中定義了多個(gè)DUT，則可以使器件壓力設置窗口中的“上一個(gè)器件”和“下一個(gè)器件”按鈕在器件之間進(jìn)行切換（圖6）�！皬椭啤焙汀罢迟N”按鈕可以用于將壓力設置從一個(gè)器件復制到另一個(gè)器件中，而不需要在所有輸入字段中重新輸入所有信息。由于多個(gè)器件在不同的應力配置中并行施加應力，因此很難將所需的不同應力的數量和可用于應用它們的SMU的數量聯(lián)系起來(lái)。按下“檢查資源”按鈕，可以很容易地確定是否有足夠的SMU來(lái)處理所有涉及的壓力，并查看這些SMU是如何分配給每個(gè)不同的壓力的。如果開(kāi)關(guān)矩陣連接到系統上，并且如果終端上的應力為0V，則默認使用接地單元。
圖6. 器件應力/引腳連接/退化目標值設置窗口 圖7a顯示了一個(gè)單獨的數據表（圖7a），它可以合并到相應的應力設置窗口中，以保存有關(guān)周期指數、應力時(shí)間和從應力之間的測量中提取的監測參數的信息，如ID和VT。數據將以Excel文件格式（.xls）自動(dòng)保存在項目目錄中，將數據以文本或Excel文件的形式導出到其他位置。如果系統處于應力/測量模式，監測參數相對于預應力測量的退化會(huì )自動(dòng)計算，并可以繪制在圖7b中。有關(guān)更多壓力測量的信息，在Clarius軟件中提供的功能，請查閱完整的4200A-SCS參考手冊。
圖7. a) 應力數據表存儲所有應力信息，包括應力期間的測量結果和應力之間測量的選定參數。b) 退化百分比數據作為應力時(shí)間函數的圖 建立CHC項目 下面的步驟概述了構建CHC項目的典型過(guò)程。 第一步：創(chuàng )建項目結構 a. 確定開(kāi)關(guān)矩陣是否可用 b. 確定是否有足夠的SMU可用 c. 構建項目結構 第二步：在應力之間建立測試 a. 如果使用了開(kāi)關(guān)矩陣，進(jìn)行開(kāi)關(guān)連接。 b. 使用ITM構建新的測試 c. 使用公式器工具計算器件參數 d. 在合理條件下設置退出 e. 對于監測退化，導出監測的參數值 f. 重復步驟b到步驟e，以監控更多的參數 第三步：如果有多個(gè)DUT，則重復步驟2。 第四步：在子項目中，設置應力條件。 a. 設置壓力時(shí)間 b. 設置器件應力條件 i. 應力電壓 ii. 引腳連接 iii. 目標退化值 iv. 進(jìn)入下一個(gè)器件 第五步：運行項目并檢查退化數據
圖8. 多個(gè)應力的疊加數據圖 參數退化數據和原始測量數據在項目運行期間自動(dòng)以Excel文件格式保存。因此，即使項目在完成前就停止了，也已經(jīng)捕獲了測量數據。應力之間的原始I-V曲線(xiàn)可以疊加在應力循環(huán)上，所以很容易看到I-V是如何作為應力時(shí)間的函數而退化的。圖8顯示了覆蓋21個(gè)應力循環(huán)后的Vgs-Id曲線(xiàn)。 圖9是一個(gè)在晶圓片上測試五個(gè)位置的CHC項目的例子。4200A-SCS通過(guò)與市場(chǎng)上最常見(jiàn)的半自動(dòng)探針臺兼容的內置驅動(dòng)程序控制探針臺的移動(dòng)。
圖9. 晶圓級CHC測試的范例 結論 Clarius軟件中增強的應力測量循環(huán)可以輕松設置CHC測試。結合交互式測試界面、公式工具和強大的圖形功能，Clariu軟件使4200A-SCS成為評估器件可靠性參數的理想工具，如CHC誘導的MOSFETs退化，以及它在器件表征中更廣為人知的作用。 查看4200A更多資料，https://www.tek.com.cn/products/ ... -parameter-analyzer。 |
