脈沖測量技術(shù)越過高K材料電荷捕獲的壁壘
摘要 由于高介電常數(shù)的柵電路結(jié)構(gòu)在俘獲電荷機(jī)制上存在負(fù)面影響,常規(guī)的直流量測技術(shù)已經(jīng)捉襟見肘了。脈沖電流-電壓量測技術(shù)能夠徹底解決這一難題,從而得到高介電常數(shù)柵電路結(jié)構(gòu)晶體管的本征電學(xué)表現(xiàn)。
直流測試技術(shù)的局限性
當(dāng)電荷在柵電極絕緣層被捕獲,柵極電容會(huì)產(chǎn)生內(nèi)建電壓,這將導(dǎo)致晶體管閾值電壓的升高和驅(qū)動(dòng)電流的降低。電荷的捕獲、釋放時(shí)間與柵電極的構(gòu)造包括二氧化硅層和高介電常數(shù)材料界面的表面態(tài)、材料的厚度以及制造工藝技術(shù)息息相關(guān)。 一般來說,時(shí)間是在幾毫秒到幾十微妙的范圍內(nèi)變化。并且釋放被捕獲的電荷也與柵電壓的大小和極性有著密切的關(guān)系。
發(fā)生捕獲電荷效應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍很大,而且電荷的捕獲與釋放和電壓密切相關(guān),這就決定了使用一種測試技術(shù)（尤其是直流測試技術(shù)）并不能完整的反映柵電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)際情況。就拿通常使用的雙重掃描直流Vgs-Id或高頻C-V測試技術(shù)為例,這類技術(shù)在測量漏極電流或柵極電容時(shí)會(huì)發(fā)生柵極電壓傾斜的往復(fù)波動(dòng)。如果將這些I-V或C-V測試結(jié)果加以分析,就能夠發(fā)現(xiàn)電路滯后效應(yīng),這主要是由于電荷在柵極結(jié)構(gòu)內(nèi)部被捕獲造成的。
直流測試技術(shù)在某些情況下的測試結(jié)果并不可信,其問題的關(guān)鍵就在于電路滯后效應(yīng)強(qiáng)烈的受到測試時(shí)間的影響。使用直流I-V測試電路滯后效應(yīng)其結(jié)果往往與C-V測試不同,原因就是每一種測試的動(dòng)態(tài)測試時(shí)間是不同的。圖１是以不同的往復(fù)掃描測試速度測量電路的C-V表現(xiàn)。掃描測試的速度依賴測試設(shè)備的表現(xiàn),并不容易控制。就算它能夠精確控制,現(xiàn)在仍然沒有模型可以定量的分析有多少電荷在測試過程中被柵電極結(jié)構(gòu)捕獲（換句話說,電路滯后效應(yīng)也不能體現(xiàn)被捕獲電荷的數(shù)量,這是因?yàn)橹绷鳒y試不能表征瞬態(tài)發(fā)生的電荷捕獲,而這一類型的捕獲電荷在總的捕獲電荷數(shù)量中往往占有重要的地位。
另一種方法是有意識(shí)的在柵極中引入直流應(yīng)力電壓降,然后使用C-V或I-V測試技術(shù)測量平帶電壓或Vt漂移。被捕獲的電荷數(shù)量能使用以下公式計(jì)算：
或
這種技術(shù)的難點(diǎn)是在于如何恰當(dāng)?shù)靥幚砗弥绷鲬?yīng)力和隨后使用C-V或I-V測試技術(shù)之間電壓的過渡周期,特別是要考慮后面C-V或I-V測試中不使用電壓或使用低于前面直流應(yīng)力處理電壓的情況下,先前在柵極中引入直流應(yīng)力電壓降的影響。當(dāng)柵極的直流應(yīng)力電壓降消失后,捕獲在柵極中的電荷會(huì)在幾十微妙的時(shí)間內(nèi)被釋放。所以,其結(jié)果就是由于電荷的釋放僅僅被捕獲在柵極中總電荷的一部分會(huì)被測量,前提還必須是樂觀地假設(shè)薄膜質(zhì)量很好。
