电荷泵测试技术介绍

电荷泵技术（Charge Pumping）经过四十多年的发展，通过测量MOS 晶体管中的界面电荷，已成为测量和表征 MOS 器件界面性质的最有效、最可靠，并被广泛接受的技术。

下面就开始介绍电荷泵技术在表征CMOS工艺器件界面特性方面的实验流程和理论依据。

电荷泵(eharge pumping CP)测量装置如图1所示，栅极外加周期性脉冲，源漏极分别加相同的反偏压，衬底接地。

在周期性的脉冲电压作用下，MOSFET的沟道重复地在积累与反型之间变换。当脉冲加在栅上，衬底接收到一股与源、漏PN结反向漏电流方向相反的直流电流。

该电流是由于沟道内的反型载流子被界面态俘获，然后与衬底的多子在界面处发生复合，就相当于一部分少子从源、漏结被抽取到衬底。

▲图1

目前电荷泵测试技术主要有两种脉冲模式：

• 一种是保持脉冲基准恒定，改变脉冲幅度，如图2左；

• 一种是保持脉冲幅度恒定，改变脉冲基准，如图2右。

▲图2

下面针对最常用的恒定脉冲幅度的模式做具体讲解。如图3所示，加在栅极上的脉冲波形随着脉冲基准电压的不断变化，会经历以下五个阶段：

Vbias

正常电荷泵电流达到最大值阶段；

Vbias ，Vtop < VFB : 

无衬底量测电流或量测电流极小；

Vbias ，Vtop > Vt :

沟道开始反型，无量测电流或量测电流极小；

Vbias

衬底量测电流从无或极小值，变大至最大值

VFB s

衬底量测电流从最大值，变小至无或极小值

▲图3

在周期性脉冲作用下可测得饱和泵电流Icpmax，饱和泵电流Icpmax的表达式如下：

Icpmax=qAGfDit

在上式中：f为脉冲频率;AG为沟道有效面积，是沟道源漏区掺杂状态的函数；q为电子电荷；Dit为沟道平均界面态密度。

其中前三项均为已知量，因此，通过测试电荷泵电流Icpmax就可以得到界面态密度Dit这个反应沟道微观性质的参数。而界面态是氧化层和衬底体硅因为晶格失配或缺陷导致的非理想的结合状态，对器件沟道载流子的运动有影响，限制载流子迁移率的提高，降低器件驱动电流的能力。

以下展示两个电荷泵（Charge Pumping）测试应用在工艺开发和可靠性测试中应用的示例。

1用电荷泵测试对比栅极氧化层工艺的不同

2.用电荷泵测试表征PMOS器件在负偏压不稳定性NBTI加压条件下的界面态退化

特别声明，以上提供的测试服务均是季丰自有设备和能力进行的测试。具体机台型号性能参数信息参见点击文末相关链接的推文查看。

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