脉冲测量技术越过高K材料电荷捕获的壁垒
摘要 由于高介电常数的栅电路结构在俘获电荷机制上存在负面影响,常规的直流量测技术已经捉襟见肘了。脉冲电流-电压量测技术能够彻底解决这一难题,从而得到高介电常数栅电路结构晶体管的本征电学表现。
直流测试技术的局限性
当电荷在栅电极绝缘层被捕获,栅极电容会产生内建电压,这将导致晶体管阈值电压的升高和驱动电流的降低。电荷的捕获、释放时间与栅电极的构造包括二氧化硅层和高介电常数材料界面的表面态、材料的厚度以及制造工艺技术息息相关。 一般来说,时间是在几毫秒到几十微妙的范围内变化。并且释放被捕获的电荷也与栅电压的大小和极性有着密切的关系。
发生捕获电荷效应的动态范围很大,而且电荷的捕获与释放和电压密切相关,这就决定了使用一种测试技术（尤其是直流测试技术）并不能完整的反映栅电极结构内部的实际情况。就拿通常使用的双重扫描直流Vgs-Id或高频C-V测试技术为例,这类技术在测量漏极电流或栅极电容时会发生栅极电压倾斜的往复波动。如果将这些I-V或C-V测试结果加以分析,就能够发现电路滞后效应,这主要是由于电荷在栅极结构内部被捕获造成的。
直流测试技术在某些情况下的测试结果并不可信,其问题的关键就在于电路滞后效应强烈的受到测试时间的影响。使用直流I-V测试电路滞后效应其结果往往与C-V测试不同,原因就是每一种测试的动态测试时间是不同的。图１是以不同的往复扫描测试速度测量电路的C-V表现。扫描测试的速度依赖测试设备的表现,并不容易控制。就算它能够精确控制,现在仍然没有模型可以定量的分析有多少电荷在测试过程中被栅电极结构捕获（换句话说,电路滞后效应也不能体现被捕获电荷的数量,这是因为直流测试不能表征瞬态发生的电荷捕获,而这一类型的捕获电荷在总的捕获电荷数量中往往占有重要的地位。
另一种方法是有意识的在栅极中引入直流应力电压降,然后使用C-V或I-V测试技术测量平带电压或Vt漂移。被捕获的电荷数量能使用以下公式计算：
或
这种技术的难点是在于如何恰当地处理好直流应力和随后使用C-V或I-V测试技术之间电压的过渡周期,特别是要考虑后面C-V或I-V测试中不使用电压或使用低于前面直流应力处理电压的情况下,先前在栅极中引入直流应力电压降的影响。当栅极的直流应力电压降消失后,捕获在栅极中的电荷会在几十微妙的时间内被释放。所以,其结果就是由于电荷的释放仅仅被捕获在栅极中总电荷的一部分会被测量,前提还必须是乐观地假设薄膜质量很好。
