介紹

溝道有效遷移率 (μeff) 通過載流子速度和驅動電流影響MOSFET性能。它是互補金屬氧化物半導體的關鍵參數之一 (CMOS) 技術。 隨著新型介電材料的出現，傳統的遷移率評估測量技術遇到了下一節中描述的許多問題，導致測量誤差較大，因此需要一種新的遷移率提取技術。

本應用指南介紹了一種新型超快速單脈沖技術 (UFSP)可實現準確的遷移率評估，包括技術原理，如何連接設備，以及如何使用4200A-SCS參數分析儀中的Clarius軟件。

傳統移動性測量的挑戰

傳統遷移率測量的原理看似簡單，但這種測試存在許多挑戰和陷阱。過去，人們常常忽略一些誤差源。

Vd依賴性：傳統技術對Ich測量應用不為0的Vd( 通常為50mV–100mV)，但對Q測量應用零V。用于測量Ich的V之間的這種差異兩次測量可能導致在評估薄氧化物遷移率時出現嚴重錯誤，尤其是在低電場區域。

電荷捕獲：傳統技術采用慢速測量，典型測量時間以秒為單位。快速電荷捕獲對于薄SiON和高k電介質都很重要。對于慢速測量，捕獲可以在測量過程中做出響應，并導致Cgc–Vg曲線的滯后和延伸，以及Ich。這導致對流動性的低估。

漏電介質：隨著柵極氧化物的縮小，高柵極漏電流成為遷移率提取的主要挑戰。它會影響Ich和Qi測量，進而影響遷移率。為了最大限度地減少其對Cgc測量的影響，已經使用了高達千兆赫的頻率，這需要具有RF結構的設備。RF結構需要更多的處理和芯片空間，而且并不總是可用的。

電纜切換：傳統技術涉及在Ich和Qi測量之間切換電纜。這會減慢測量速度，并可能導致被測設備發生故障。

超快速單脈沖技術（UFSP技術）

為了克服上述挑戰，我們開發了一種稱為超快速單脈沖技術 (UFSP) 的新技術，如下所述。

如圖3所示，溝道器件的考慮因素類似。要進行UFSP測量，在器件的柵極端施加一個邊緣時間為幾微秒的單脈沖。柵極電壓在測量期間向負方向掃描脈沖下降沿并打開器件，瞬態電流記錄在器件的源極和漏極端子處，然后在柵極電壓向正方向掃描的后續上升沿期間關閉器件，相應的瞬態電流也將被記錄。可以從在幾個測量周期內測量的這四個瞬態電流中提取溝道有效遷移率微秒。

為克服傳統遷移率測量在Vd依賴性、電荷捕獲和柵漏電等方面的限制，我們開發了一種超快速單脈沖技術（UFSP）。如圖 3 所示，該方法在器件柵極施加邊緣時間僅為數微秒的單脈沖：脈沖下降沿打開器件，上升沿關閉器件，并同步記錄源極和漏極的瞬態電流。利用多個周期中獲取的四個瞬態電流，可在微秒時間尺度上同時提取 Ich、Qi以及溝道有效遷移率。

圖3. UFSP技術工作原理圖。

為了驗證 UFSP 對快速電荷捕獲器件的適用性，我們在具有 HfO?/SiO? 堆棧的 MOSFET 上進行了測試。該結構中包含大量界面陷阱，傳統方法因測量時間較長而難以區分移動電荷與捕獲電荷，往往導致遷移率被顯著低估。UFSP 的微秒級測量速度可以有效抑制電荷捕獲帶來的誤差。圖4 對比了兩種技術提取的遷移率結果，可以看出在校正電荷捕獲影響后，UFSP 得到的遷移率明顯更高且更接近器件真實特性。

圖4. 通過UFSP和常規技術提取的具有相當快速捕獲的HfO2/SiON電介質器件的遷移率比較。

UFSP測量所需的硬件

選擇合適的測量設備對于成功實施超快速單脈沖方法至關重要。需要以下硬件：

■一臺4200A-SCS型參數分析儀

■兩個超快IV模塊（4225-PMU）

■四個遠程放大器/開關（4225-RPM）

■高性能三軸電纜套件

圖10.UFSP技術硬件設置

設備連接

如圖11所示。設備的每個端子都使用兩根11英寸三軸電纜（電纜套件4210-MMPC-C中提供）連接到一個 4225-RPM。 然后，每個4225-RPM都使用兩根三軸電纜連接到PMU的一個溝道。所有測量均由Clarius 控制軟件。

圖11. 超快速單脈沖 (UFSP) 技術的實驗連接。兩個Keithley雙溝道4225-PMU用于執行瞬態測量。四個Keithley 4225-RPM用于降低電纜電容效應并實現低于100nA的精確測量。

圖12. Clarius軟件中用于UFSP測量的示例項目。該設備的四個端子分別連接到PMU的一個溝道。

結論

溝道載流子遷移率是材料選擇和工藝開發的關鍵參數。傳統技術存在幾個缺點：速度慢、易受快速捕獲、Vd依賴性、電纜變化、對柵極泄漏的敏感性以及復雜的程序。為了克服這一問題，提出并開發了一種超快速單脈沖技術 (UFSP) 無需切換電纜，即可在幾微秒內同時測量ICH和Qi。它提供了一套完整的解決方案，可以方便地進行穩健而準確的移動性評估，并且服務作為CMOS技術工藝開發、材料選擇和設備建模的工具。