前言

氧化物完整性是一個(gè)重要的可靠性問(wèn)題，特別對(duì)于今天大規(guī)模集成電路的MOSFET器件， 其中氧化物厚度已經(jīng)縮放到幾個(gè)原子層。JEDEC 35標(biāo)準(zhǔn) (EIA/JE SD 35, Procedure for wafer-level Testing of Thin Dielectrics) 描述了通常用于監(jiān)測(cè)氧化物完整性的兩種晶圓級(jí)測(cè)試技術(shù)：電壓斜坡 (V-Ramp)和電流斜坡 (J-Ramp )。這兩種技術(shù)都為氧化物評(píng)估提供了快速反饋。

用于監(jiān)測(cè)氧化物擊穿的儀器必須具備以下能力：

? 精確的電壓和電流施加及測(cè)量能力

? 精確的步長(zhǎng)時(shí)間控制

? 自動(dòng)化設(shè)備參數(shù)提取

? 先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

本應(yīng)用文檔描述了如何使用Keithley 4200-SCS半導(dǎo)體表征系統(tǒng)進(jìn)行氧化物可靠性測(cè)試。

電壓斜坡和電流斜坡測(cè)試技術(shù)

電壓斜坡測(cè)試采用線性電壓斜坡，電流斜坡測(cè)試采用不斷增加的對(duì)數(shù)電流斜坡，直到氧化物擊穿。電壓斜坡測(cè)試在低氧化物電壓下開(kāi)始，因此它能夠更好地檢測(cè)低電場(chǎng)故障，但在高電場(chǎng)下提供的分辨率較差。電流斜坡測(cè)試是不同的，它從一個(gè)相對(duì)較高的氧化物電壓開(kāi)始，所以它提供了較差的低電場(chǎng)分辨率，但在高電場(chǎng)下有更好的分辨率。這種分辨率的差異使得電壓斜坡測(cè)試經(jīng)常被用于確定較大的測(cè)試結(jié)構(gòu)故障，而電流斜坡試驗(yàn)通常用于較小的測(cè)試結(jié)構(gòu)，其中氧化物失效模式預(yù)計(jì)是固有的。

V-Ramp試驗(yàn)程序

圖1說(shuō)明了電壓斜坡測(cè)試過(guò)程。該序列以一個(gè)預(yù)試開(kāi)始，以確定初始氧化物的完整性。在預(yù)試期間，施加恒定電壓（Vuse）并測(cè)量氧化物泄漏電流。如果氧化物被確定為“良好”，則對(duì)設(shè)備施加一個(gè)線性電壓斜坡，直到氧化物失效。

氧化物失效是通過(guò)預(yù)期值數(shù)十倍增加的電流或超過(guò)指定限流的氧化物電流來(lái)檢測(cè)。在Vuse上進(jìn)行的測(cè)試，用于確定被測(cè)試設(shè)備的最終狀態(tài)。提取的電壓斜坡測(cè)量參數(shù)包括：擊穿電壓（VBD）和擊穿電荷（QBD）。

圖1. 電壓斜坡測(cè)試流程圖

電流斜坡法測(cè)試流程

圖2是電流斜坡測(cè)試方法的過(guò)程。該過(guò)程從氧化物完整性的預(yù)試開(kāi)始。在這個(gè)預(yù)試中，施加恒定電流（通常為1μA），并測(cè)量氧化物的電壓。如果器件“良好”，則增加對(duì)數(shù)階躍電流，由Iporser = Iprev *F（其中 F<3.2）給出，直到氧化物失效。當(dāng)氧化物上施加的電壓從之前測(cè)量的電壓（Vprev）下降15%或以上，或超過(guò)電荷極限時(shí)，就會(huì)檢測(cè)到氧化物故障。應(yīng)力后的恒定電流測(cè)試用于評(píng)估被測(cè)試設(shè)備的最終狀態(tài)。提取的電流斜坡氧化物擊穿參數(shù)包括擊穿電壓（VBD）和擊穿電荷（QBD）。

圖2. J-Ramp Flowchart

電壓斜坡法和電流斜坡法測(cè)試差異

在實(shí)施任何一種測(cè)試程序時(shí)，都可能會(huì)出現(xiàn)潛在的測(cè)量困難。電壓或電流階躍時(shí)間必須均勻和精確，以準(zhǔn)確地確定QBD和VBD。在實(shí)踐中，由于與外部控制器計(jì)算機(jī)時(shí)鐘相關(guān)的分辨率和精度限制，這個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間可能難以控制。此外，一些儀器效應(yīng)，如范圍的變化，可能產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的步長(zhǎng)時(shí)間的變化。

使用Keithley 4200-SCS的電壓斜坡

和電流斜坡測(cè)試

4200電壓斜坡測(cè)試

4200-SCS內(nèi)置的測(cè)試序列器和交互式測(cè)試模塊（ITM）功能簡(jiǎn)化了電壓斜坡和電流斜坡測(cè)試算法的實(shí)現(xiàn)。圖3顯示了項(xiàng)目導(dǎo)航器窗口和電壓斜坡模塊定義選項(xiàng)卡中的電壓斜坡測(cè)試序列。“項(xiàng)目導(dǎo)航器”窗口顯示測(cè)試順序，從預(yù)測(cè)試開(kāi)始，然后是氧化物衰退的線性電壓斜坡（如V-Ramp模塊定義選項(xiàng)卡中的定義）。后測(cè)試確定了最終的設(shè)備狀態(tài)。

圖3. 電壓斜坡項(xiàng)目測(cè)試順序和測(cè)試定義

ITM定義選項(xiàng)卡便于指定源連接、施加信號(hào)、測(cè)量選項(xiàng)和設(shè)置時(shí)間信息。在圖3所示的電壓斜坡法測(cè)試中，柵極的源表（SMU1）被設(shè)置為從1.8V到6.0V的線性電壓掃描，電壓步長(zhǎng)為0.035V。電壓步長(zhǎng)基于JEDEC 35標(biāo)準(zhǔn)的0.1MV/cm最大電壓步長(zhǎng)高要求 (3.5nm氧化物厚度）。指定一個(gè)固定的電壓源和電流測(cè)量范圍可以最小化自動(dòng)定位對(duì)電壓階躍時(shí)間的影響。

線性電壓斜坡率在ITM時(shí)間設(shè)置對(duì)話框進(jìn)入屏幕中指定（圖4），通過(guò)點(diǎn)擊圖3中所示的timing按鈕打開(kāi)。通過(guò)選擇自定義速度選項(xiàng)和指定A/D Integration時(shí)間 (16.6ms)，可以精確地控制SMU的測(cè)量時(shí)間。Sweep delay 是指測(cè)量前每一步的延遲。在這種情況下，選擇 sweep delay(83ms)，使步長(zhǎng)時(shí)間為100ms(83 + 16.6)，產(chǎn)生1MV/cm*s的電壓斜坡速率，這符合JEDEC 35標(biāo)準(zhǔn)的1MV/cm*的最大斜坡速率要求。0.2s的第一個(gè)點(diǎn)的建立穩(wěn)定時(shí)間，發(fā)生在第一個(gè)電壓步長(zhǎng)上，允許在電壓掃描開(kāi)始之前的電流穩(wěn)定。檢查ITMtimestamp啟用功能，以便在每個(gè)電壓步驟中保存精確的定時(shí)信息。該特性在確定QBD和驗(yàn)證步進(jìn)定時(shí)精度時(shí)非常有用。對(duì)該數(shù)據(jù)的分析顯示，電壓步長(zhǎng)時(shí)間平均為99.5ms（期望值為 99.6ms），標(biāo)準(zhǔn)差為 ± 為 0.062ms。

圖4. 電壓斜坡測(cè)量和定時(shí)控制

4200-ACS電壓斜坡數(shù)據(jù)分析

4200-SCS具有強(qiáng)大的高級(jí)數(shù)據(jù)分析能力，可以很容易地提取氧化物擊穿參數(shù)。通過(guò)單擊“definition”命令按鈕，從ITM定義選項(xiàng)卡激活此分析功能（參見(jiàn)圖3）。公式對(duì)話框輸入屏幕（未顯示）包含許多用于數(shù)據(jù)分析和提取的功能。公式從電壓斜坡測(cè)量的柵電流（IG）和柵電壓（VG）數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取擊穿電流（IBD）、擊穿電壓（VBD）、擊穿電荷（QBD）和擊穿時(shí)間 (TBD)：

QSUM = INTEG (TIME, IG)

FAILCURRENT = 0.5E-3

COLBD = COND (ABS(IG), ABS(0.98 * FAILCURRENT), 0, 1)

ROWBD = FINDD (COLBD, 1, FIRSTPOS(COLBD)) – 1

IBD = AT (IG, ROWBD)

VBD = AT (VG, ROWBD)

QBD = AT (QSUM, ROWBD)

TBD = AT (TIME, ROWBD)

QSUM方程使用積分（INTEG）公式函數(shù)得到氧化物電荷。氧化物失效電流在第二個(gè)方程中規(guī)定了失效電流。使用條件（COND）和Find Down（FINDD）函數(shù)的方程確定了4200-SCS模型內(nèi)置電子表格中行（ROWBD）的位置，該電子表格與微軟 Excel兼容。ROWBD在AT公式函數(shù)中提取IBD、VBD、QBD 和TBD。一旦被提取出來(lái)，參數(shù)就可以自動(dòng)顯示在4200-SCS的圖形選項(xiàng)卡上。圖5顯示了典型的4200-SCS電壓斜坡數(shù)據(jù)，并從3.5nm的氧化物中提取了擊穿參數(shù)。

圖5. 典型的4200-SCS電壓斜坡測(cè)量結(jié)果

4201-SCS電流斜坡法測(cè)試

圖6顯示了在項(xiàng)目導(dǎo)航器窗口和電流斜坡測(cè)試模塊定義選項(xiàng)卡中的電流斜坡測(cè)試序列。電流斜坡測(cè)試序列首先在恒定電流下驗(yàn)證初始氧化物完整性，然后是對(duì)數(shù)電流斜坡到氧化物擊穿，最后確定了最終的器件狀態(tài)。

圖6. 電流斜坡法項(xiàng)目測(cè)試順序和測(cè)試定義

圖6中的ITM定義選項(xiàng)卡指定了電流斜坡法的測(cè)試條件。在這種情況下，柵極源表（SMU1）被指示施加從10nA到0.6mA 的對(duì)數(shù)電流掃描，其中電流掃描中的步數(shù)為 50（F =1.25）。指定一個(gè)固定的電壓測(cè)量范圍可以盡量減少自動(dòng)定位對(duì)步長(zhǎng)時(shí)間的影響。與電壓斜坡測(cè)試一樣，通過(guò)選擇ITM中的timing自定義速度選項(xiàng)，并指定A/D integration時(shí)間、sweep delay、hold time和timestamp已啟用的特性，可以精確地控制SMU的步長(zhǎng)時(shí)間（參見(jiàn)圖4）。JEDEC標(biāo)準(zhǔn)35規(guī)定當(dāng)前斜坡率為110年/500毫秒。

4200-ACS電壓斜坡數(shù)據(jù)分析

與電壓斜坡法測(cè)試一樣，該公式器可以自動(dòng)提取電流斜坡氧化物擊穿參數(shù)（IBD、VBD、QBD和TBD）。這些方程是：

QSUM = INTEG (TIME, IG)

FAILRATIO = 0.85

RATIO = DELTA (VG)/(VG-DELTA(VG))

COLBD = COND (RATIO, FAILRATIO - 1, 0, 1)

ROWBD = FINDD (COLBD, 1, FIRSTPOS(COLBD)) – 1

IBD = AT (IG, ROWBD)

VBD = AT (VG, ROWBD)

QBD = AT (QSUM, ROWBD)

TBD = AT (TIME, ROWBD)

QSUM方程決定了氧化物的電荷。第二個(gè)方程指定了氧化物故障比，它對(duì)應(yīng)于測(cè)量的氧化物電壓下降 15%。比值方程決定了最近測(cè)量的VG與之前測(cè)量值的比值。接下來(lái)的兩個(gè)方程使用COND和FINDD公式函數(shù)來(lái)確定分解數(shù)據(jù)(ROWBD) 的行位置。最后四個(gè)方程使用AT公式函數(shù)自動(dòng)提取擊穿參數(shù)（IBD、VBD、QBD和TBD）。圖7顯示了典型的模型4200-SCS電流斜坡數(shù)據(jù)和提取的3.5nm氧化物的擊穿參數(shù)。

圖7. 典型的4200-SCSJ形斜坡測(cè)量結(jié)果

氧化物缺陷與超薄氧化物的表征

氧化物缺陷會(huì)在低電場(chǎng)下產(chǎn)生過(guò)多的隧穿電流。此外，超薄氧化物（<6nm）在低電場(chǎng)下表現(xiàn)出大量的直接隧穿氧化物電流。為了研究這些影響，有必要監(jiān)測(cè) fA 范圍內(nèi)的氧化物電流，這使得4200-SCS成為這種應(yīng)用的測(cè)試儀器。圖8顯示了在3.5nm氧化物上獲得的4200- SCS電壓掃描數(shù)據(jù)，這是使用SMU Quiet ITM定時(shí)設(shè)置和自量程測(cè)量選項(xiàng)獲得的。這些結(jié)果表明，4200-SCS具有良好的低電流測(cè)量靈敏度。

圖8. 典型的4200-SCS I-V測(cè)量結(jié)果

結(jié)論

4200-SCS的快速、靈活和易于使用的測(cè)試環(huán)境提供了一個(gè)理想的方法來(lái)描述氧化物的可靠性。它內(nèi)置的軟件工具，如項(xiàng)目導(dǎo)航器、公式編輯器和與excel兼容的數(shù)據(jù)格式，極大地簡(jiǎn)化了創(chuàng)建測(cè)試序列和分析結(jié)果。自定義SMU定時(shí)控制和先進(jìn)的源測(cè)量單元技術(shù)為測(cè)量靈敏度、精度和控制設(shè)定了一個(gè)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。