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并被困在氧化物中。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。用于測量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

• 輕松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（半導體表征系統）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勢壘并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。然后，選擇一種新的器件，并確定 VTH 、GM 、i、iDLIN等初始器件參數。然后在指定的應力區間內施加優化后的應力。在每個應力區間之后，再次進行參數測量并確定退化情況。此測試應力循環繼續進行，直到滿足目標退化或測試時間標準。熱載流子壽命由退化與應力時間數據確定。

使用Keithley 4200測試熱載波壽命

在熱載流子測試開始之前，必須建立漏極和柵極應力偏置電壓。以確保通道熱的真實性載波條件下，推薦的最大漏極應力偏置電壓小于器件漏源擊穿電壓的90%。

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。對于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，并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 : 用于獲取 GM的微分函數，用于獲取最大GM的MAX函數（gnext），以及用于提取 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。

測量完器件參數后，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，再次測量并記錄器件參數。

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。應力完成后，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測試定義選項卡用于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，只需增加樣本數量或采樣間隔。

當繪制在對數 - 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于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相較于初始化狀態變化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、易于使用的測試環境。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。