前言

在現(xiàn)代ULSI電路中溝道熱載流子 (CHC) 誘導(dǎo)的退化是一個重要的與可靠性相關(guān)的問題。載流子在通過MOSFET通道的大電場加速時獲得動能。當(dāng)大多數(shù)載流子到達漏極時，熱載流子（動能非常高的載流子）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(shù)的時間相關(guān)的退化，如VT、IDLIN和IDSAT。

這種通道熱載流子誘導(dǎo)的退化（也稱為HCI或熱載流子注入）在NMOS和PMOS器件上都可以看到，并會影響所有區(qū)域的器件參數(shù)，如VT、亞閾值斜率、Id-on、Id-off、Ig等。每個參數(shù)隨應(yīng)力時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退化測試的過程

一個典型的通道熱載流子測試過程包括一個被測試器件（DUT）的初始化表征，然后是一個應(yīng)力和測量循環(huán)[1]（圖2）。在這個循環(huán)中，器件承受的電壓高于正常工作電壓的壓力。器件參數(shù)包括IDLIN、IDSAT、VT、Gm等，在應(yīng)力之間進行監(jiān)測，并將這些參數(shù)的退化繪制為累積應(yīng)力時間的函數(shù)。在進行此應(yīng)力和測量循環(huán)之前，將測量同一組器件參數(shù)作為基線值。

圖2. 典型的CHC測試過程

應(yīng)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(yīng)力，它應(yīng)小于源極漏極擊穿電壓的90%。然后，在漏極應(yīng)力電壓下，柵極應(yīng)力電壓因晶體管類型和柵極長度而不同。表1顯示了使用不同技術(shù)[2]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(yīng)力條件

使用4200A-SCS半導(dǎo)體表征系統(tǒng)上的ITM可以很容易地確定最壞情況下的應(yīng)力條件。

器件連接

在單個晶體管上執(zhí)行CHC測試很容易。然而，每個CHC測試通常需要很長時間才能完成，所以希望有許多dut并行施加壓力，然后在應(yīng)力之間按順序進行表征，以節(jié)省時間。為了實現(xiàn)這一點，需要一個開關(guān)矩陣來處理并行應(yīng)力和應(yīng)力之間的順序測量。圖3顯示了針對多個DUT的典CHC測試的硬件配置。4200A-SCS提供了應(yīng)力電壓和測量能力，而開關(guān)矩陣支持并行應(yīng)力和多個器件的順序測量。

根據(jù)被測試器件的數(shù)量，使用可容納一個矩陣開關(guān)（12個器件引腳）的708主機，或者使用最多6個矩陣開關(guān)（最多72個引腳）的707主機。不同柵極和漏極應(yīng)力值的總數(shù)受到系統(tǒng)中SMU數(shù)量的限制。圖4說明了使用8個SMU（總共8個不同的漏極和柵極應(yīng)力偏差）加上一個接地單元（接地端子）并聯(lián)20個晶體管對器件進行壓力測試的連接圖。

圖3. 硬件配置連線圖

圖4. 使用8個SMU并行施加壓力20個器件的示例。公共端子使用單獨的接地單元（GNDU）。

確定器件參數(shù)

被監(jiān)測的熱載流子參數(shù)包括VTH、GM、IDLIN和 IDSAT。這些參數(shù)在應(yīng)力之前首先測量，并在每個累積應(yīng)力時間后重新測量。IDLIN是器件在線性區(qū)域測量漏極電流，而IDSAT是器件在飽和區(qū)域測量漏極電流。VTH和GM可以用恒流法或內(nèi)插 / 外插法來確定。在內(nèi)插 / 外插法中，VTH是由IDS- VDS曲線的最大斜率來確定。

4200A-SCS的公式編輯器工具大大簡化了這些參數(shù)的提取。內(nèi)置函數(shù)包括微分獲得GM，MAX函數(shù)獲得最大的GM（Gmext），以及最小二乘線擬合函數(shù)提取 VTH（Vtext）。計算這些參數(shù)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(yīng)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))

最后一個公式（VTEXT）是ID-VG曲線在最大GM點處的切線擬合的x截距。圖5說明了公式編輯器的界面。

圖5. 4200A-SCS的公式編輯器界面

一旦這些參數(shù)從各個測試中計算出來，它們就可以通過選中“輸出值”選項中的復(fù)選框來導(dǎo)出，以監(jiān)測應(yīng)力時間的退化。對于每個測試，都可以選擇退出選項，允許系統(tǒng)跳過該器件，或者在器件出現(xiàn)故障時停止整個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(shè)置應(yīng)力條件

在4200A-SCS軟件的吉時利Clarius版本中增強的功能之一是項目樹結(jié)構(gòu)中可以增加一個應(yīng)力循環(huán)，可以施加電壓和電流應(yīng)力。用戶可以利用應(yīng)力循環(huán)在預(yù)設(shè)時間上設(shè)置直流應(yīng)力。每個周期的應(yīng)力時間可以以線性或?qū)?shù)的方式進行設(shè)置（見圖6）。該特性用于 CHC/HCI、NBTI、EM（電遷移率）和電荷捕獲應(yīng)用，以提供恒定的直流應(yīng)力（電壓或電流）。在應(yīng)力 / 測量模式下，用戶可以為被測器件的每個終端設(shè)置應(yīng)力條件（圖7）。在每個應(yīng)力周期之后，4200A-SCS經(jīng)過一個測量序列，其中可以包括任意數(shù)量和類型的用戶定義的測試和參數(shù)提取。這些參數(shù)隨時間的退化情況被繪制在應(yīng)力圖中。4200A-SCS的“工具包”體系結(jié)構(gòu)為用戶在創(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(shù)，可以設(shè)置一個目標(biāo)退化值（圖7）。一旦該參數(shù)的退化超過了目標(biāo)值，特定的測試將停止。通過消除不必要的壓力和測量故障器件上的周期，將會節(jié)省了大量的時間。

圖6. 應(yīng)力循環(huán)設(shè)置頁面

圖7. 器件應(yīng)力 / 引腳連接 / 退化目標(biāo)值設(shè)置窗口

如果項目中定義了多個DUT，則可以使器件壓力設(shè)置窗口中的“上一個器件”和“下一個器件”按鈕在器件之間進行切換（圖7）?！皬?fù)制”和“粘貼”按鈕可以用于將壓力設(shè)置從一個器件復(fù)制到另一個器件中，而不需要在所有輸入字段中重新輸入所有信息。由于多個器件在不同的應(yīng)力配置中并行施加應(yīng)力，因此很難將所需的不同應(yīng)力的數(shù)量和可用于應(yīng)用它們的SMU的數(shù)量聯(lián)系起來。按下“檢查資源”按鈕，可以很容易地確定是否有足夠的SMU來處理所有涉及的壓力，并查看這些SMU是如何分配給每個不同的壓力的。如果開關(guān)矩陣連接到系統(tǒng)上，并且如果終端上的應(yīng)力為0V，則默認使用接地單元。

圖8a顯示了一個單獨的數(shù)據(jù)表（圖8a），它可以合并到相應(yīng)的應(yīng)力設(shè)置窗口中，以保存有關(guān)周期指數(shù)、應(yīng)力時間和從應(yīng)力之間的測量中提取的監(jiān)測參數(shù)的信息，如ID和VT。數(shù)據(jù)將以Excel文件格式（.xls）自動保存在項目目錄中，將數(shù)據(jù)以文本或Excel文件的形式導(dǎo)出到其他位置。如果系統(tǒng)處于應(yīng)力 / 測量模式，監(jiān)測參數(shù)相對于預(yù)應(yīng)力測量的退化會自動計算，并可以繪制在圖8b中。有關(guān)更多壓力測量的信息，在Clarius中提供的功能，請查閱完整的4200A-SCS參考手冊。

a)

b)

圖8. a) 應(yīng)力數(shù)據(jù)表存儲所有應(yīng)力信息，包括應(yīng)力期間的測量結(jié)果和應(yīng)力之間測量的選定參數(shù)。b) 退化百分比數(shù)據(jù)作為應(yīng)力時間函數(shù)的圖

建立CHC項目

下面的步驟概述了構(gòu)建CHC項目的典型過程。有關(guān)每個步驟的詳細信息，請參考完整的4200A-SCS參考手冊。

1. 創(chuàng)建項目結(jié)構(gòu)

a. 確定開關(guān)矩陣是否可用

b. 確定是否有足夠的SMU可用

c. 構(gòu)建項目結(jié)構(gòu)

2. 在應(yīng)力之間建立測試

a. 如果使用了開關(guān)矩陣，進行開關(guān)連接。

b. 使用（ITMs）構(gòu)建新的測試

c. 使用公式器工具計算器件參數(shù)

d. 在合理條件下設(shè)置退出

e. 對于監(jiān)測退化，導(dǎo)出監(jiān)測的參數(shù)值

f. 重復(fù)步驟b到步驟e，以監(jiān)控更多的參數(shù)

3. 如果有多個DUT，則重復(fù)步驟2。

4. 在子項目中，設(shè)置應(yīng)力條件。

a. 設(shè)置壓力時間

b. 設(shè)置器件應(yīng)力條件

i. 應(yīng)力電壓

ii. 引腳連接

iii. 目標(biāo)退化值

iv. 進入下一個器件

5. 運行項目并檢查退化數(shù)據(jù)

參數(shù)退化數(shù)據(jù)和原始測量數(shù)據(jù)在項目運行期間自動以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(shù)據(jù)。應(yīng)力之間的原始I-V曲線可以疊加在應(yīng)力循環(huán)上，所以很容易看到I-V是如何作為應(yīng)力時間的函數(shù)而退化的。圖9顯示了覆蓋21個應(yīng)力循環(huán)后的Vgs-Id曲線。

圖9. 多個應(yīng)力的疊加數(shù)據(jù)圖

圖10是一個在晶圓片上測試五個位置的CHC項目的例子。4200A-SCS通過與市場上最常見的半自動探針臺兼容的內(nèi)置驅(qū)動程序控制探針臺的移動。

圖10. 晶圓級CHC測試的范例

結(jié)論

Clarius中增強的應(yīng)力測量循環(huán)可以輕松設(shè)置CHC測試。結(jié)合交互式測試界面、公式工具和強大的圖形功能，Clarius使4200A-SCS成為評估器件可靠性參數(shù)的理想工具，如CHC誘導(dǎo)的MOSFETs退化，以及它在器件表征中更廣為人知的作用。

參考

[1] JEDEC標(biāo)準(zhǔn)28-A，“Procedure for Measuring N-Channel MOSFET Hot-Carrier-Induced Degradation Under DC Stress”，2001。

[2] Vijay Reddy，“An introduction to CMOS semiconductor Reliability”，IRPS教程，2004年。