新型超快速单脉冲技术解决传统迁移率测量挑战

介绍

沟道有效迁移率 (µeff) 通过载流子速度和驱动电流影响MOSFET性能。它是互补金属氧化物半导体的关键参数之一 (CMOS) 技术。 随着新型介电材料的出现，传统的迁移率评估测量技术遇到了下一节中描述的许多问题，导致测量误差较大，因此需要一种新的迁移率提取技术。

本应用指南介绍了一种新型超快速单脉冲技术 (UFSP)可实现准确的迁移率评估，包括技术原理，如何连接设备，以及如何使用4200A-SCS参数分析仪中的Clarius软件。

传统移动性测量的挑战

传统迁移率测量的原理看似简单，但这种测试存在许多挑战和陷阱。过去，人们常常忽略一些误差源。

Vd依赖性：传统技术对Ich测量应用不为0的Vd( 通常为50mV–100mV)，但对Q测量应用零V。用于测量Ich的V之间的这种差异两次测量可能导致在评估薄氧化物迁移率时出现严重错误，尤其是在低电场区域。

电荷捕获：传统技术采用慢速测量，典型测量时间以秒为单位。快速电荷捕获对于薄SiON和高k电介质都很重要。对于慢速测量，捕获可以在测量过程中做出响应，并导致Cgc–Vg曲线的滞后和延伸，以及Ich。这导致对流动性的低估。

漏电介质：随着栅极氧化物的缩小，高栅极漏电流成为迁移率提取的主要挑战。它会影响Ich和Qi测量，进而影响迁移率。为了最大限度地减少其对Cgc测量的影响，已经使用了高达千兆赫的频率，这需要具有RF结构的设备。RF结构需要更多的处理和芯片空间，而且并不总是可用的。

电缆切换：传统技术涉及在Ich和Qi测量之间切换电缆。这会减慢测量速度，并可能导致被测设备发生故障。

超快速单脉冲技术（UFSP技术）

为了克服上述挑战，我们开发了一种称为超快速单脉冲技术 (UFSP) 的新技术，如下所述。

如图3所示，沟道器件的考虑因素类似。要进行UFSP测量，在器件的栅极端施加一个边缘时间为几微秒的单脉冲。栅极电压在测量期间向负方向扫描脉冲下降沿并打开器件，瞬态电流记录在器件的源极和漏极端子处，然后在栅极电压向正方向扫描的后续上升沿期间关闭器件，相应的瞬态电流也将被记录。可以从在几个测量周期内测量的这四个瞬态电流中提取沟道有效迁移率微秒。

为克服传统迁移率测量在Vd依赖性、电荷捕获和栅漏电等方面的限制，我们开发了一种超快速单脉冲技术（UFSP）。如图 3 所示，该方法在器件栅极施加边缘时间仅为数微秒的单脉冲：脉冲下降沿打开器件，上升沿关闭器件，并同步记录源极和漏极的瞬态电流。利用多个周期中获取的四个瞬态电流，可在微秒时间尺度上同时提取 Ich、Qi以及沟道有效迁移率。

图3. UFSP技术工作原理图。

为了验证 UFSP 对快速电荷捕获器件的适用性，我们在具有 HfO₂/SiO₂ 堆栈的 MOSFET 上进行了测试。该结构中包含大量界面陷阱，传统方法因测量时间较长而难以区分移动电荷与捕获电荷，往往导致迁移率被显著低估。UFSP 的微秒级测量速度可以有效抑制电荷捕获带来的误差。图4 对比了两种技术提取的迁移率结果，可以看出在校正电荷捕获影响后，UFSP 得到的迁移率明显更高且更接近器件真实特性。

图4. 通过UFSP和常规技术提取的具有相当快速捕获的HfO2/SiON电介质器件的迁移率比较。

UFSP测量所需的硬件

选择合适的测量设备对于成功实施超快速单脉冲方法至关重要。需要以下硬件：

■一台4200A-SCS型参数分析仪

■两个超快IV模块（4225-PMU）

■四个远程放大器/开关（4225-RPM）

■高性能三轴电缆套件

图10.UFSP技术硬件设置

设备连接

如图11所示。设备的每个端子都使用两根11英寸三轴电缆（电缆套件4210-MMPC-C中提供）连接到一个 4225-RPM。 然后，每个4225-RPM都使用两根三轴电缆连接到PMU的一个沟道。所有测量均由Clarius 控制软件。

图11. 超快速单脉冲 (UFSP) 技术的实验连接。两个Keithley双沟道4225-PMU用于执行瞬态测量。四个Keithley 4225-RPM用于降低电缆电容效应并实现低于100nA的精确测量。

图12. Clarius软件中用于UFSP测量的示例项目。该设备的四个端子分别连接到PMU的一个沟道。

结论

沟道载流子迁移率是材料选择和工艺开发的关键参数。传统技术存在几个缺点：速度慢、易受快速捕获、Vd依赖性、电缆变化、对栅极泄漏的敏感性以及复杂的程序。为了克服这一问题，提出并开发了一种超快速单脉冲技术 (UFSP) 无需切换电缆，即可在几微秒内同时测量ICH和Qi。它提供了一套完整的解决方案，可以方便地进行稳健而准确的移动性评估，并且服务作为CMOS技术工艺开发、材料选择和设备建模的工具。