電荷泵技術(shù)(Charge Pumping)經(jīng)過四十多年的發(fā)展,通過測量MOS 晶體管中的界面電荷,已成為測量和表征 MOS 器件界面性質(zhì)的最有效、最可靠,并被廣泛接受的技術(shù)。
下面就開始介紹電荷泵技術(shù)在表征CMOS工藝器件界面特性方面的實驗流程和理論依據(jù)。
電荷泵(eharge pumping CP)測量裝置如圖1所示,柵極外加周期性脈沖,源漏極分別加相同的反偏壓,襯底接地。
在周期性的脈沖電壓作用下,MOSFET的溝道重復(fù)地在積累與反型之間變換。當(dāng)脈沖加在柵上,襯底接收到一股與源、漏PN結(jié)反向漏電流方向相反的直流電流。
該電流是由于溝道內(nèi)的反型載流子被界面態(tài)俘獲,然后與襯底的多子在界面處發(fā)生復(fù)合,就相當(dāng)于一部分少子從源、漏結(jié)被抽取到襯底。

▲圖1
目前電荷泵測試技術(shù)主要有兩種脈沖模式:
? 一種是保持脈沖基準(zhǔn)恒定,改變脈沖幅度,如圖2左;
? 一種是保持脈沖幅度恒定,改變脈沖基準(zhǔn),如圖2右。

▲圖2
下面針對最常用的恒定脈沖幅度的模式做具體講解。如圖3所示,加在柵極上的脈沖波形隨著脈沖基準(zhǔn)電壓的不斷變化,會經(jīng)歷以下五個階段:
Vbias
正常電荷泵電流達(dá)到最大值階段;
Vbias ,Vtop < VFB :?
無襯底量測電流或量測電流極??;
Vbias ,Vtop > Vt :
溝道開始反型,無量測電流或量測電流極小;
Vbias
襯底量測電流從無或極小值,變大至最大值
VFB s
襯底量測電流從最大值,變小至無或極小值

▲圖3
在周期性脈沖作用下可測得飽和泵電流Icpmax,飽和泵電流Icpmax的表達(dá)式如下:
Icpmax=qAGfDit
在上式中:f為脈沖頻率;AG為溝道有效面積,是溝道源漏區(qū)摻雜狀態(tài)的函數(shù);q為電子電荷;Dit為溝道平均界面態(tài)密度。
其中前三項均為已知量,因此,通過測試電荷泵電流Icpmax就可以得到界面態(tài)密度Dit這個反應(yīng)溝道微觀性質(zhì)的參數(shù)。而界面態(tài)是氧化層和襯底體硅因為晶格失配或缺陷導(dǎo)致的非理想的結(jié)合狀態(tài),對器件溝道載流子的運(yùn)動有影響,限制載流子遷移率的提高,降低器件驅(qū)動電流的能力。
以下展示兩個電荷泵(Charge Pumping)測試應(yīng)用在工藝開發(fā)和可靠性測試中應(yīng)用的示例。
1用電荷泵測試對比柵極氧化層工藝的不同

2.用電荷泵測試表征PMOS器件在負(fù)偏壓不穩(wěn)定性NBTI加壓條件下的界面態(tài)退化

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原文標(biāo)題:技術(shù)分享 | 界面態(tài)表征檢測手段:電荷泵(Charge Pumping)測試技術(shù)介紹
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