使用4200A-SCS软件和矩阵开关搭建可靠性评估平台

前言

在现代ULSI电路中沟道热载流子（CHC）诱导的退化是一个重要的与可靠性相关的问题。载流子在通过MOSFET通道的大电场加速时获得动能。当大多数载流子到达漏极时，热载流子（动能非常高的载流子）由于原子能级碰撞的冲击电离，可以在漏极附近产生电子—空穴对。其他的可以注入栅极通道界面，打破Si-H键，增加界面态密度。CHC的影响是器件参数的时间相关的退化，如VT、IDLIN和IDSAT。

这种通道热载流子诱导的退化（也称为HCI或热载流子注入）在NMOS和PMOS器件上都可以看到，并会影响所有区域的器件参数，如VT、亚阈值斜率、Id-on、Id-off、Ig等。每个参数随应力时间的退化速率取决于器件的布局和所使用的工艺。

图1. 通道热载流子退化

CHC退化测试的过程

一个典型的通道热载流子测试过程包括一个被测试器件（DUT）的初始化表征，然后是一个应力和测量循环[1]（图2）。在这个循环中，器件承受的电压高于正常工作电压的压力。器件参数包括IDLIN、IDSAT、VT、Gm等，在应力之间进行监测，并将这些参数的退化绘制为累积应力时间的函数。在进行此应力和测量回路之前，将测量同一组器件参数作为基线值。

图2 典型的CHC测试过程

应力条件是基于最坏情况下的退化条件，这对于NMOS和PMOSFET是不同的。通常，对于漏极电压应力，它应小于源极漏极击穿电压的90%。然后，在漏极应力电压下，栅极应力电压因晶体管类型和栅极长度而不同。表1显示了使用不同威廉希尔官方网站 [2] 创建的NMOS和PMOSFET的最坏情况退化条件。

表1. NMOS和PMOS FETs的最坏情况应力条件

使用4200A-SCS半导体表征系统上的IMT可以很容易地确定最坏情况下的应力条件。

器件连接

在单个晶体管上执行CHC测试很容易。然而，每个CHC测试通常需要很长时间才能完成，所以希望有许多dut并行施加压力，然后在应力之间按顺序进行表征，以节省时间。为了实现这一点，需要一个开关矩阵来处理并行应力和应力之间的顺序测量。图3显示了针对多个DUT的典型CHC测试的硬件配置。4200A-SCS提供了应力电压和测量能力，而开关矩阵支持并行应力和多个器件的顺序测量。

根据被测试器件的数量，使用可容纳一个矩阵开关（12个器件引脚）的708主机，或者使用最多6个矩阵开关（最多72个引脚）的707主机。不同栅极和漏极应力值的总数受到系统中SMU数量的限制。图4说明了使用8个SMU（总共8个不同的漏极和栅极应力偏差）加上一个接地单元（接地端子）并联20个晶体管对器件进行压力测试的连接图。

图3. 硬件配置连线图

图4. 使用8个SMU并行施加压力20个器件的示例。公共端子使用单独的接地单元（GNDU）。

确定器件参数

被监测的热载流子参数包括VTH、GM、IDLIN和IDSAT。这些参数在应力之前首先测量，并在每个累积应力时间后重新测量。IDLIN是器件在线性区域测量漏极电流，而IDSAT是器件在饱和区域测量漏极电流。VTH和GM可以用恒流法或内插/外插法来确定。在内插/外插法中，VTH是由IDS - VDS曲线的最大斜率来确定。

4200A-SCS的公式编辑器工具大大简化了这些参数的提取。内置函数包括微分获得GM，MAX函数获得最大的GM（Gmext），以及最小二乘线拟合函数提取VTH（Vtext）。计算这些参数的公式可以在4200A-SCS提供的HCI项目中找到，并在测试库中的相应的测试中找到。这些公式的一些例子包括：

GM = DIFF(DRAINI,GATEV)

GMEXT = MAX(GM)

VTEXT = TANFITXINT(GATEV, DRAINI, MAXPOS (GM))

最后一个公式（VTEXT）是ID-VG曲线在最大GM点处的切线拟合的x截距。一旦这些参数从各个测试中计算出来，它们就可以通过选中“输出值”选项中的复选框来导出，以监测应力时间的退化。对于每个测试，都可以选择退出选项，允许系统跳过该器件，或者在器件出现故障时停止整个CHC测试。有关这些选项的更多详细信息，请参阅完整的4200A-SCS参考手册。

设置应力条件

在4200A-SCS软件的吉时利Clarius版本中增强的功能之一是项目树结构中可以增加一个应力循环，可以施加电压和电流应力。用户可以利用应力循环在预设时间上设置直流应力。每个周期的应力时间可以以线性或对数的方式进行设置（见图5）。该特性用于CHC/HCI、NBTI、EM（电迁移率）和电荷捕获应用，以提供恒定的直流应力（电压或电流）。在应力 / 测量模式下，用户可以为被测器件的每个终端设置应力条件（图6）。在每个应力周期之后，4200A-SCS经过一个测量序列，其中可以包括任意数量和类型的用户定义的测试和参数提取。这些参数随时间的退化情况被绘制在应力图中。4200A-SCS 的“工具包”体系结构为用户在创建测试序列和压力测量方面提供了巨大的灵活性。

对于关键参数，可以设置一个目标退化值（图6）。一旦该参数的退化超过了目标值，特定的测试将停止。通过消除不必要的压力和测量故障器件上的周期，将会节省了大量的时间。

图5. 应力循环设置页面

(图片源自4200-SCS半导体参数分析仪界面）

图6. 器件应力/引脚连接/退化目标值设置窗口

(图片源自4200-SCS半导体参数分析仪界面）

如果项目中定义了多个DUT，则可以使器件压力设置窗口中的“上一个器件”和“下一个器件”按钮在器件之间进行切换（图6）。“复制”和“粘贴”按钮可以用于将压力设置从一个器件复制到另一个器件中，而不需要在所有输入字段中重新输入所有信息。由于多个器件在不同的应力配置中并行施加应力，因此很难将所需的不同应力的数量和可用于应用它们的SMU的数量联系起来。按下“检查资源”按钮，可以很容易地确定是否有足够的SMU来处理所有涉及的压力，并查看这些SMU是如何分配给每个不同的压力的。如果开关矩阵连接到系统上，并且如果终端上的应力为0V，则默认使用接地单元。

图7a显示了一个单独的数据表（图7a），它可以合并到相应的应力设置窗口中，以保存有关周期指数、应力时间和从应力之间的测量中提取的监测参数的信息，如ID和VT。数据将以Excel文件格式（.xls）自动保存在项目目录中，将数据以文本或Excel文件的形式导出到其他位置。如果系统处于应力/测量模式，监测参数相对于预应力测量的退化会自动计算，并可以绘制在图7b中。有关更多压力测量的信息，在Clarius软件中提供的功能，请查阅完整的4200A-SCS参考手册。

a)

b)

图7. a) 应力数据表存储所有应力信息，包括应力期间的测量结果和应力之间测量的选定参数。b) 退化百分比数据作为应力时间函数的图

(图片源自4200-SCS半导体参数分析仪界面）

建立CHC项目

下面的步骤概述了构建CHC项目的典型过程。有关每个步骤的详细信息，请参考完整的4200A-SCS参考手册。

■1. 创建项目结构

a. 确定开关矩阵是否可用

b. 确定是否有足够的SMU可用

c. 构建项目结构

■2. 在应力之间建立测试

a. 如果使用了开关矩阵，进行开关连接。

b. 使用ITM构建新的测试

c. 使用公式器工具计算器件参数

d. 在合理条件下设置退出

e. 对于监测退化，导出监测的参数值

f. 重复步骤b到步骤e，以监控更多的参数

■3. 如果有多个DUT，则重复步骤2。

■4. 在子项目中，设置应力条件。

a. 设置压力时间

b. 设置器件应力条件

i. 应力电压

ii. 引脚连接

iii. 目标退化值

iv. 进入下一个器件

■5. 运行项目并检查退化数据

参数退化数据和原始测量数据在项目运行期间自动以Excel文件格式保存。因此，即使项目在完成前就停止了，也已经捕获了测量数据。应力之间的原始I-V曲线可以叠加在应力循环上，所以很容易看到I-V是如何作为应力时间的函数而退化的。图8显示了覆盖21个应力循环后的Vgs-Id曲线。

图8. 多个应力的叠加数据图

(图片源自4200-SCS半导体参数分析仪界面）

图9是一个在晶圆片上测试五个位置的CHC项目的例子。4200A-SCS通过与市场上最常见的半自动探针台兼容的内置驱动程序控制探针台的移动。

图9. 晶圆级CHC测试的范例

(图片源自4200-SCS半导体参数分析仪界面）

结论

Clarius软件中增强的应力测量循环可以轻松设置CHC测试。结合交互式测试界面、公式工具和强大的图形功能，Clariu软件使4200A-SCS成为评估器件可靠性参数的理想工具，如CHC诱导的MOSFETs退化，以及它在器件表征中更广为人知的作用。