電荷泵技術(Charge Pumping)經過四十多年的發展,通過測量MOS 晶體管中的界面電荷,已成為測量和表征 MOS 器件界面性質的最有效、最可靠,并被廣泛接受的技術。
下面就開始介紹電荷泵技術在表征CMOS工藝器件界面特性方面的實驗流程和理論依據。
電荷泵(eharge pumping CP)測量裝置如圖1所示,柵極外加周期性脈沖,源漏極分別加相同的反偏壓,襯底接地。
在周期性的脈沖電壓作用下,MOSFET的溝道重復地在積累與反型之間變換。當脈沖加在柵上,襯底接收到一股與源、漏PN結反向漏電流方向相反的直流電流。
該電流是由于溝道內的反型載流子被界面態俘獲,然后與襯底的多子在界面處發生復合,就相當于一部分少子從源、漏結被抽取到襯底。

▲圖1
目前電荷泵測試技術主要有兩種脈沖模式:
? 一種是保持脈沖基準恒定,改變脈沖幅度,如圖2左;
? 一種是保持脈沖幅度恒定,改變脈沖基準,如圖2右。

▲圖2
下面針對最常用的恒定脈沖幅度的模式做具體講解。如圖3所示,加在柵極上的脈沖波形隨著脈沖基準電壓的不斷變化,會經歷以下五個階段:
Vbias
正常電荷泵電流達到最大值階段;
Vbias ,Vtop < VFB :?
無襯底量測電流或量測電流極小;
Vbias ,Vtop > Vt :
溝道開始反型,無量測電流或量測電流極?。?/p>
Vbias
襯底量測電流從無或極小值,變大至最大值
VFB s
襯底量測電流從最大值,變小至無或極小值

▲圖3
在周期性脈沖作用下可測得飽和泵電流Icpmax,飽和泵電流Icpmax的表達式如下:
Icpmax=qAGfDit
在上式中:f為脈沖頻率;AG為溝道有效面積,是溝道源漏區摻雜狀態的函數;q為電子電荷;Dit為溝道平均界面態密度。
其中前三項均為已知量,因此,通過測試電荷泵電流Icpmax就可以得到界面態密度Dit這個反應溝道微觀性質的參數。而界面態是氧化層和襯底體硅因為晶格失配或缺陷導致的非理想的結合狀態,對器件溝道載流子的運動有影響,限制載流子遷移率的提高,降低器件驅動電流的能力。
以下展示兩個電荷泵(Charge Pumping)測試應用在工藝開發和可靠性測試中應用的示例。
1用電荷泵測試對比柵極氧化層工藝的不同

2.用電荷泵測試表征PMOS器件在負偏壓不穩定性NBTI加壓條件下的界面態退化

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原文標題:技術分享 | 界面態表征檢測手段:電荷泵(Charge Pumping)測試技術介紹
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