【测试案例分享】如何评估热载流子引导的MOSFET衰退

随着MOSFET栅极长度的减小，热载流子诱发的退化已成为重要的可靠性问题之一。在热载流子效应中，载流子被通道电场加速并被困在氧化物中。这些被捕获的电荷会引起测量器件参数的时间相关位移，例如阈值电压 (V_TH)、跨导 (G_M)以及线性 (I_DLIN) 和饱和 (I_DSAT) 漏极电流。随着时间的推移，可能会发生实质性的器件参数退化，从而导致器件失效。用于测量HCI的仪器必须提供以下三个关键功能：

• 自动提取设备参数

• 创建具有各种应力时间的应力测量序列

• 轻松导出测量数据进行高级分析

本文说明描述了如何在Keithley 4200-SCS（半导体表征系统）中使用这些关键功能来执行热载流子退化测试。

图1. 漏极雪崩热载体效应

MOSFET热载流子效应及器件性能监测

今天的超大规模集成电路MOSFET器件具有极短的通道长度和高电场。在这些高电场中，载流子被加速到高速，在器件漏极附近达到最大动能（热）。如果载流子能量足够高，就会发生撞击电离（漏极雪崩热载流子效应），产生电子-空穴对（图1）。这些空穴和电子可以获得足够的能量来超越Si-SiO₂势垒并被困在栅极氧化物中。被捕获的电荷导致器件退化和衬底电流（ISUB）增强。

载流子器件测试时间通常非常长，因此第一步是确定一组优化的应力条件。然后，选择一种新的器件，并确定 V_TH 、G_M 、i、i_DLIN等初始器件参数。然后在指定的应力区间内施加优化后的应力。在每个应力区间之后，再次进行参数测量并确定退化情况。此测试应力循环继续进行，直到满足目标退化或测试时间标准。热载流子寿命由退化与应力时间数据确定。

使用Keithley 4200测试热载波寿命

在热载流子测试开始之前，必须建立漏极和栅极应力偏置电压。以确保通道热的真实性载波条件下，推荐的最大漏极应力偏置电压小于器件漏源击穿电压的90%。

在给定漏极应力偏置电压下，栅极应力偏置 （VGstress）的选择应使热载流子衰退最大化。对于NMOS器件，这通常发生在使衬底或体电流（I_SUB）最大化的栅极偏置 (V_GATE) 处。图2代表了典型的 4200-SCS I_SUB vs. V_GATE数据。在这种情况下，最优的VGstress是1.821V。

图2. 定义VGstress的典型4200-SCS  I_SUB数据

热载流子监测参数包括 V_TH 、G_M 、I_DLIN和饱和I_DSAT。这些参数在应力前初步确定，并在每次累积应力时重新确定。I_DLIN是器件偏置在线性区域时测量到的漏极电流，而 I_DSAT是器件偏置在饱和区域时测量到的漏极电流。V_TH and G_M可以用恒流法或外推法确定。在外推法中，由 V_TH的最大斜率确定 I_DS Vs. V_GS曲线。

4200-SCS的公式编辑器大大简化了这些参数的提取。其内置的函数包括 : 用于获取 G_M的微分函数，用于获取最大G_M的MAX函数（gnext），以及用于提取 V_TH的最小二乘线拟合函数（Vtext）。图3展示了 Formulator 的自动数据分析能力。

测量完器件参数后，在漏极和栅极应力偏置条件下对器件施加规定时间的应力。累积应力时间通常是对数的，例如10、30、100、300、1000等。在每个累积应力时间，再次测量并记录器件参数。

图3. 典型的4200-SCS V_TH 和G_M 测量结果

4200-SCS的内置测试测序器和交互式测试模块 （ITM）功能大大简化了热载波测试程序的实施。图5描绘了“项目导航器”窗口中的热载压力测试序列和热载压力测试模块（hcistres10）定义标签页。项目导航窗口显示了测试序列，该序列首先对idlin、idsat和 vtlin（Thevtlin模块提取参数（Vtext和gnext）。hcistres10测试在指定的漏极和栅极应力电压下施加 10 秒应力。应力完成后，再次测量器件参数。此应力测量序列持续进行，直到超过规定的最大应力时间。

图4. 热载体项目测试序列和hcistress10测试

hcistres10测试定义选项卡用于指定应力电压和应力时间。在本例中，栅极和漏极应力条件分别指定为2.2V和5.5V。在时序对话框（未显示）中指定应力时间，使用时序命令按钮激活（见图4）。在时序对话框中，hcistreses10测试被设置为采样模式，间隔为1秒，采样次数为10次。这将提供一个10秒的应力，要获得更长的应力时间，只需增加样本数量或采样间隔。

当绘制在对数 - 对数图上时，n通道热载流子退化与时间数据通常表现为线性行为。最小二乘拟合回归分析用于内插或外推热载流子时间到目标寿命。待测器件的寿命（lifetime）被定义为特征参数退化量10％，或者V_TH相较于初始化状态变化50mv。

图5. 在 Microsoft Excel中分析的4200-SCS热载流子线性漏极电流退化数据

结论

4200-SCS大大简化了热载流子诱导衰退测定。内置的4200-SCS软件工具，如Project Navigator, Formulator，以及完全兼容的Excel数据格式，提供了灵活、快速、易于使用的测试环境。此外，4200-SCS将这些工具与先进的源测量单元技术，为具有挑战性的设备可靠性和特性要求创造理想的测试环境。更多了解4200A参数分析仪，https://www.tek.com.cn/products/keithley/4200a-scs-parameter-analyzer。

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