介紹

溝道有效遷移率 (μeff) 通過載流子速度和驅(qū)動(dòng)電流影響MOSFET性能。它是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的關(guān)鍵參數(shù)之一 (CMOS) 技術(shù)。 隨著新型介電材料的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的遷移率評(píng)估測(cè)量技術(shù)遇到了下一節(jié)中描述的許多問題，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，因此需要一種新的遷移率提取技術(shù)。

本應(yīng)用指南介紹了一種新型超快速單脈沖技術(shù) (UFSP)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的遷移率評(píng)估，包括技術(shù)原理，如何連接設(shè)備，以及如何使用4200A-SCS參數(shù)分析儀中的Clarius軟件。

傳統(tǒng)移動(dòng)性測(cè)量的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)遷移率測(cè)量的原理看似簡(jiǎn)單，但這種測(cè)試存在許多挑戰(zhàn)和陷阱。過去，人們常常忽略一些誤差源。

Vd依賴性：傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)Ich測(cè)量應(yīng)用不為0的Vd( 通常為50mV–100mV)，但對(duì)Q測(cè)量應(yīng)用零V。用于測(cè)量Ich的V之間的這種差異兩次測(cè)量可能導(dǎo)致在評(píng)估薄氧化物遷移率時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，尤其是在低電場(chǎng)區(qū)域。

電荷捕獲：傳統(tǒng)技術(shù)采用慢速測(cè)量，典型測(cè)量時(shí)間以秒為單位。快速電荷捕獲對(duì)于薄SiON和高k電介質(zhì)都很重要。對(duì)于慢速測(cè)量，捕獲可以在測(cè)量過程中做出響應(yīng)，并導(dǎo)致Cgc–Vg曲線的滯后和延伸，以及Ich。這導(dǎo)致對(duì)流動(dòng)性的低估。

漏電介質(zhì)：隨著柵極氧化物的縮小，高柵極漏電流成為遷移率提取的主要挑戰(zhàn)。它會(huì)影響Ich和Qi測(cè)量，進(jìn)而影響遷移率。為了最大限度地減少其對(duì)Cgc測(cè)量的影響，已經(jīng)使用了高達(dá)千兆赫的頻率，這需要具有RF結(jié)構(gòu)的設(shè)備。RF結(jié)構(gòu)需要更多的處理和芯片空間，而且并不總是可用的。

電纜切換：傳統(tǒng)技術(shù)涉及在Ich和Qi測(cè)量之間切換電纜。這會(huì)減慢測(cè)量速度，并可能導(dǎo)致被測(cè)設(shè)備發(fā)生故障。

超快速單脈沖技術(shù)（UFSP技術(shù)）

為了克服上述挑戰(zhàn)，我們開發(fā)了一種稱為超快速單脈沖技術(shù) (UFSP) 的新技術(shù)，如下所述。

如圖3所示，溝道器件的考慮因素類似。要進(jìn)行UFSP測(cè)量，在器件的柵極端施加一個(gè)邊緣時(shí)間為幾微秒的單脈沖。柵極電壓在測(cè)量期間向負(fù)方向掃描脈沖下降沿并打開器件，瞬態(tài)電流記錄在器件的源極和漏極端子處，然后在柵極電壓向正方向掃描的后續(xù)上升沿期間關(guān)閉器件，相應(yīng)的瞬態(tài)電流也將被記錄?？梢詮脑趲讉€(gè)測(cè)量周期內(nèi)測(cè)量的這四個(gè)瞬態(tài)電流中提取溝道有效遷移率微秒。

為克服傳統(tǒng)遷移率測(cè)量在Vd依賴性、電荷捕獲和柵漏電等方面的限制，我們開發(fā)了一種超快速單脈沖技術(shù)（UFSP）。如圖 3 所示，該方法在器件柵極施加邊緣時(shí)間僅為數(shù)微秒的單脈沖：脈沖下降沿打開器件，上升沿關(guān)閉器件，并同步記錄源極和漏極的瞬態(tài)電流。利用多個(gè)周期中獲取的四個(gè)瞬態(tài)電流，可在微秒時(shí)間尺度上同時(shí)提取 Ich、Qi以及溝道有效遷移率。

圖3. UFSP技術(shù)工作原理圖。

為了驗(yàn)證 UFSP 對(duì)快速電荷捕獲器件的適用性，我們?cè)诰哂?HfO?/SiO? 堆棧的 MOSFET 上進(jìn)行了測(cè)試。該結(jié)構(gòu)中包含大量界面陷阱，傳統(tǒng)方法因測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)而難以區(qū)分移動(dòng)電荷與捕獲電荷，往往導(dǎo)致遷移率被顯著低估。UFSP 的微秒級(jí)測(cè)量速度可以有效抑制電荷捕獲帶來的誤差。圖4 對(duì)比了兩種技術(shù)提取的遷移率結(jié)果，可以看出在校正電荷捕獲影響后，UFSP 得到的遷移率明顯更高且更接近器件真實(shí)特性。

圖4. 通過UFSP和常規(guī)技術(shù)提取的具有相當(dāng)快速捕獲的HfO2/SiON電介質(zhì)器件的遷移率比較。

UFSP測(cè)量所需的硬件

選擇合適的測(cè)量設(shè)備對(duì)于成功實(shí)施超快速單脈沖方法至關(guān)重要。需要以下硬件：

■一臺(tái)4200A-SCS型參數(shù)分析儀

■兩個(gè)超快IV模塊（4225-PMU）

■四個(gè)遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)（4225-RPM）

■高性能三軸電纜套件

圖10.UFSP技術(shù)硬件設(shè)置

設(shè)備連接

如圖11所示。設(shè)備的每個(gè)端子都使用兩根11英寸三軸電纜（電纜套件4210-MMPC-C中提供）連接到一個(gè) 4225-RPM。 然后，每個(gè)4225-RPM都使用兩根三軸電纜連接到PMU的一個(gè)溝道。所有測(cè)量均由Clarius 控制軟件。

圖11. 超快速單脈沖 (UFSP) 技術(shù)的實(shí)驗(yàn)連接。兩個(gè)Keithley雙溝道4225-PMU用于執(zhí)行瞬態(tài)測(cè)量。四個(gè)Keithley 4225-RPM用于降低電纜電容效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)低于100nA的精確測(cè)量。

圖12. Clarius軟件中用于UFSP測(cè)量的示例項(xiàng)目。該設(shè)備的四個(gè)端子分別連接到PMU的一個(gè)溝道。

結(jié)論

溝道載流子遷移率是材料選擇和工藝開發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)技術(shù)存在幾個(gè)缺點(diǎn)：速度慢、易受快速捕獲、Vd依賴性、電纜變化、對(duì)柵極泄漏的敏感性以及復(fù)雜的程序。為了克服這一問題，提出并開發(fā)了一種超快速單脈沖技術(shù) (UFSP) 無需切換電纜，即可在幾微秒內(nèi)同時(shí)測(cè)量ICH和Qi。它提供了一套完整的解決方案，可以方便地進(jìn)行穩(wěn)健而準(zhǔn)確的移動(dòng)性評(píng)估，并且服務(wù)作為CMOS技術(shù)工藝開發(fā)、材料選擇和設(shè)備建模的工具。