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(gè)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(chǎng)加速時(shí)獲得動(dòng)能。當(dāng)大多數(shù)載流子到達(dá)漏極時(shí)，熱載流子（動(dòng)能非常高的載流子）由于原子能級(jí)碰撞的沖擊電離，可以在漏極附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。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(shí)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(huì)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(gè)參數(shù)隨應(yīng)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(cè)試的過程

一個(gè)典型的通道熱載流子測(cè)試過程包括一個(gè)被測(cè)試器件（DUT）的初始化表征，然后是一個(gè)應(yīng)力和測(cè)量循環(huán)[1]（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(shù)包括IDLIN、IDSAT、VT、Gm等，在應(yīng)力之間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將這些參數(shù)的退化繪制為累積應(yīng)力時(shí)間的函數(shù)。在進(jìn)行此應(yīng)力和測(cè)量循環(huán)之前，將測(cè)量同一組器件參數(shù)作為基線值。

圖2. 典型的CHC測(cè)試過程

應(yīng)力條件是基于最壞情況下的退化條件，這對(duì)于NMOS和PMOSFET是不同的。通常，對(duì)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(zhǎng)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(gè)晶體管上執(zhí)行CHC測(cè)試很容易。然而，每個(gè)CHC測(cè)試通常需要很長(zhǎng)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(yīng)力之間按順序進(jìn)行表征，以節(jié)省時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要一個(gè)開關(guān)矩陣來處理并行應(yīng)力和應(yīng)力之間的順序測(cè)量。圖3顯示了針對(duì)多個(gè)DUT的典CHC測(cè)試的硬件配置。4200A-SCS提供了應(yīng)力電壓和測(cè)量能力，而開關(guān)矩陣支持并行應(yīng)力和多個(gè)器件的順序測(cè)量。

根據(jù)被測(cè)試器件的數(shù)量，使用可容納一個(gè)矩陣開關(guān)（12個(gè)器件引腳）的708主機(jī)，或者使用最多6個(gè)矩陣開關(guān)（最多72個(gè)引腳）的707主機(jī)。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(gè)SMU（總共8個(gè)不同的漏極和柵極應(yīng)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(duì)器件進(jìn)行壓力測(cè)試的連接圖。

圖3. 硬件配置連線圖

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(dú)的接地單元（GNDU）。

確定器件參數(shù)

被監(jiān)測(cè)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(cè)量，并在每個(gè)累積應(yīng)力時(shí)間后重新測(cè)量。IDLIN是器件在線性區(qū)域測(cè)量漏極電流，而IDSAT是器件在飽和區(qū)域測(cè)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(jiǎn)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(jì)算這些參數(shù)的公式可以在4200A-SCS提供的HCI項(xiàng)目中找到，并在測(cè)試庫(kù)中的相應(yīng)的測(cè)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曲線在最大GM點(diǎn)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(gè)測(cè)試中計(jì)算出來，它們就可以通過選中“輸出值”選項(xiàng)中的復(fù)選框來導(dǎo)出，以監(jiān)測(cè)應(yīng)力時(shí)間的退化。對(duì)于每個(gè)測(cè)試，都可以選擇退出選項(xiàng)，允許系統(tǒng)跳過該器件，或者在器件出現(xiàn)故障時(shí)停止整個(gè)CHC測(cè)試。有關(guān)這些選項(xiàng)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱完整的4200A-SCS參考手冊(cè)。

設(shè)置應(yīng)力條件

在4200A-SCS軟件的吉時(shí)利Clarius版本中增強(qiáng)的功能之一是項(xiàng)目樹結(jié)構(gòu)中可以增加一個(gè)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(shí)間上設(shè)置直流應(yīng)力。每個(gè)周期的應(yīng)力時(shí)間可以以線性或?qū)?shù)的方式進(jìn)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(cè)量模式下，用戶可以為被測(cè)器件的每個(gè)終端設(shè)置應(yīng)力條件（圖7）。在每個(gè)應(yīng)力周期之后，4200A-SCS經(jīng)過一個(gè)測(cè)量序列，其中可以包括任意數(shù)量和類型的用戶定義的測(cè)試和參數(shù)提取。這些參數(shù)隨時(shí)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(cè)試序列和壓力測(cè)量方面提供了巨大的靈活性。

對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)，可以設(shè)置一個(gè)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(cè)試將停止。通過消除不必要的壓力和測(cè)量故障器件上的周期，將會(huì)節(jié)省了大量的時(shí)間。

圖6. 應(yīng)力循環(huán)設(shè)置頁(yè)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(xiàng)目中定義了多個(gè)DUT，則可以使器件壓力設(shè)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7）?！皬?fù)制”和“粘貼”按鈕可以用于將壓力設(shè)置從一個(gè)器件復(fù)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(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(gè)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(rèn)使用接地單元。

圖8a顯示了一個(gè)單獨(dú)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(shí)間和從應(yīng)力之間的測(cè)量中提取的監(jiān)測(cè)參數(shù)的信息，如ID和VT。數(shù)據(jù)將以Excel文件格式（.xls）自動(dòng)保存在項(xiàng)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(cè)量模式，監(jiān)測(cè)參數(shù)相對(duì)于預(yù)應(yīng)力測(cè)量的退化會(huì)自動(dòng)計(jì)算，并可以繪制在圖8b中。有關(guān)更多壓力測(cè)量的信息，在Clarius中提供的功能，請(qǐng)查閱完整的4200A-SCS參考手冊(cè)。

a)

b)

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

建立CHC項(xiàng)目

下面的步驟概述了構(gòu)建CHC項(xiàng)目的典型過程。有關(guān)每個(gè)步驟的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考完整的4200A-SCS參考手冊(cè)。

1. 創(chuàng)建項(xiàng)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(xiàng)目結(jié)構(gòu)

2. 在應(yīng)力之間建立測(cè)試

a. 如果使用了開關(guān)矩陣，進(jìn)行開關(guān)連接。

b. 使用（ITMs）構(gòu)建新的測(cè)試

c. 使用公式器工具計(jì)算器件參數(shù)

d. 在合理?xiàng)l件下設(shè)置退出

e. 對(duì)于監(jiān)測(cè)退化，導(dǎo)出監(jiān)測(cè)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(gè)DUT，則重復(fù)步驟2。

4. 在子項(xiàng)目中，設(shè)置應(yīng)力條件。

a. 設(shè)置壓力時(shí)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(jìn)入下一個(gè)器件

5. 運(yùn)行項(xiàng)目并檢查退化數(shù)據(jù)

參數(shù)退化數(shù)據(jù)和原始測(cè)量數(shù)據(jù)在項(xiàng)目運(yùn)行期間自動(dòng)以Excel文件格式保存。因此，即使項(xiàng)目在完成前就停止了，也已經(jīng)捕獲了測(cè)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(shí)間的函數(shù)而退化的。圖9顯示了覆蓋21個(gè)應(yīng)力循環(huán)后的Vgs-Id曲線。

圖9. 多個(gè)應(yīng)力的疊加數(shù)據(jù)圖

圖10是一個(gè)在晶圓片上測(cè)試五個(gè)位置的CHC項(xiàng)目的例子。4200A-SCS通過與市場(chǎng)上最常見的半自動(dòng)探針臺(tái)兼容的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序控制探針臺(tái)的移動(dòng)。

圖10. 晶圓級(jí)CHC測(cè)試的范例

結(jié)論

Clarius中增強(qiáng)的應(yīng)力測(cè)量循環(huán)可以輕松設(shè)置CHC測(cè)試。結(jié)合交互式測(cè)試界面、公式工具和強(qiáng)大的圖形功能，Clarius使4200A-SCS成為評(píng)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。