【導讀】隨著MOSFET柵極長度的減小
，熱載流子誘發的退化已成為重要的可靠性問題之一。在熱載流子效應中
，載流子被通道電場加速並被困在氧化物中。這些被捕獲的電荷會引起測量器件參數的時間相關位移，例如閾值電壓 (VTH)
、跨導 (GM)以及線性 (IDLIN) 和飽和 (IDSAT) 漏極電流。隨著時間的推移，可能會發生實質性的器件參數退化，從而導致器件失效。

隨著MOSFET柵(zha)極(ji)長(chang)度(du)的(de)減(jian)小(xiao)
，熱(re)載(zai)流(liu)子(zi)誘(you)發(fa)的(de)退(tui)化(hua)已(yi)成(cheng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)之(zhi)一(yi)。在(zai)熱(re)載(zai)流(liu)子(zi)效(xiao)應(ying)中(zhong)，載(zai)流(liu)子(zi)被(bei)通(tong)道(dao)電(dian)場(chang)加(jia)速(su)並(bing)被(bei)困(kun)在(zai)氧(yang)化(hua)物(wu)中(zhong)。這(zhe)些(xie)被(bei)捕(bu)獲(huo)的(de)電(dian)荷(he)會(hui)引(yin)起(qi)測(ce)量(liang)器(qi)件(jian)參(can)數(shu)的(de)時(shi)間(jian)相(xiang)關(guan)位(wei)移(yi)，例(li)如(ru)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya) (VTH)
、跨導 (GM)以及線性 (IDLIN) 和飽和 (IDSAT) 漏極電流。隨著時間的推移
，可能會發生實質性的器件參數退化

，從而導致器件失效。用於測量HCI的儀器必須提供以下三個關鍵功能：

• 自動提取設備參數

• 創建具有各種應力時間的應力測量序列

• 輕鬆導出測量數據進行高級分析

本文說明描述了如何在Keithley 4200-SCS（半導體表征係統）中使用這些關鍵功能來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度和高電場。在這些高電場中
，載流子被加速到高速
，在器件漏極附近達到最大動能（熱）。如果載流子能量足夠高，就會發生撞擊電離（漏極雪崩熱載流子效應）
，產生電子-空穴對（圖1）。這些空穴和電子可以獲得足夠的能量來超越Si-SiO2勢壘並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。

載流子器件測試時間通常非常長，因此第一步是確定一組優化的應力條件。然後
，選擇一種新的器件
，並確定 VTH 
、GM 、i、iDLINdengchushiqijiancanshu。ranhouzaizhidingdeyingliqujianneishijiayouhuahoudeyingli。zaimeigeyingliqujianzhihou，zaicijinxingcanshuceliangbingquedingtuihuaqingkuang。ciceshiyinglixunhuanjixujinxing，zhidaomanzumubiaotuihuahuoceshishijianbiaozhun。rezailiuzishoumingyoutuihuayuyinglishijianshujuqueding。

使用Keithley 4200測試熱載波壽命

在zai熱re載zai流liu子zi測ce試shi開kai始shi之zhi前qian，必bi須xu建jian立li漏lou極ji和he柵zha極ji應ying力li偏pian置zhi電dian壓ya。以yi確que保bao通tong道dao熱re的de真zhen實shi性xing載zai波bo條tiao件jian下xia，推tui薦jian的de最zui大da漏lou極ji應ying力li偏pian置zhi電dian壓ya小xiao於yu器qi件jian漏lou源yuan擊ji穿chuan電dian壓ya的de90%。

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。對於NMOS器件，這通常發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，並在每次累積應力時重新確定。IDLIN是器件偏置在線性區域時測量到的漏極電流
，而 IDSAT是器件偏置在飽和區域時測量到的漏極電流。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。

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

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

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）功能大大簡化了熱載波測試程序的實施。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。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。應力完成後，再次測量器件參數。此應力測量序列持續進行，直到超過規定的最大應力時間。

圖4. 熱載體項目測試序列和hcistress10測試

hcistres10測試定義選項卡用於指定應力電壓和應力時間。在本例中，柵極和漏極應力條件分別指定為2.2V和5.5V。在時序對話框（未顯示）中指定應力時間，使用時序命令按鈕激活（見圖4）。在時序對話框中，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10秒的應力，要獲得更長的應力時間
，隻需增加樣本數量或采樣間隔。

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

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

結論

4200-SCS大大簡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、易於使用的測試環境。此外，4200-SCS將這些工具與先進的源測量單元技術，為具有挑戰性的設備可靠性和特性要求創造理想的測試環境。

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