高k柵介質中電荷俘獲行為的脈沖特征分析

       本文介紹了電荷俘獲的原理以及直流特征分析技術對俘獲電荷進行定量分析的局限性。接下來，本文介紹了一種超快的脈沖I-V分析技術，能夠對具有快速瞬態充電效應（FTCE）的高k柵晶體管的本征（無俘獲）性能進行特征分析。

先進CMOS器件高k柵技術的進展

       近年來，高介電常數（高k）材料，例如鉿氧化物（HfO2）、鋯氧化物（ZrO2）、氧化鋁（Al2O3）以及它們的硅酸鹽由于能夠用作先進CMOS工藝的柵介質材料而受到人們的廣泛關注[1]。在高介電常數下，在實現相同大小電容的情況下，柵介質可以做得比SiO2更厚。最終可以使漏電流降低幾個數量級。但是，其中仍然存在很多技術挑戰需要克服，例如Vt不穩定性[2-4]，載流子溝道遷移率下降[5-9]，長期器件可靠性[10-13]等問題。

       妨礙高k柵實現的一個重要問題就是俘獲電荷到這些介質內部已有的陷阱中[14-15]。當晶體管開啟時，某些溝道載流子將在垂直電場的作用下累積到柵介質中，導致閾值電壓發生偏移，漏極電流減小。徹底掌握電荷俘獲過程和有關機理是理解溝道遷移率下降和器件可靠性問題的關鍵。但是，傳統的直流測試技術無法對這些機理進行準確的特征分析。

直流特征分析技術的局限性

       隨著電荷被俘獲進入柵介質，晶體管的閾值電壓將會由于柵電容內部電壓的存在而增大；因此，漏極電流將會減小。表面上看來，電荷俘獲和去俘獲的時間強烈依賴于柵疊層的組成，即界面SiO2層和高k薄膜的物理厚度，以及工藝技術[16-18]。這一時間范圍從幾微秒到幾十毫秒不等[19]。電荷的去俘獲也與柵電壓和極性緊密相關。電荷俘獲具有很寬的動態范圍，電壓與俘獲和去俘獲相關，這些因素使得我們很難通過一種特征分析技術（尤其是直流技術）完整地剖析柵介質的內部結構。例如，常規方法在直流Vgs-Id或者高頻C-V測量過程中采用雙掃描的方式。這些技術反反復復加載傾斜的柵電壓，同時測量漏極電流或者柵電容。如果得到的I-V或者C-V曲線上出現了磁滯現象，那么顯然表明柵疊層內部存在著電荷俘獲。

       這種方法的問題在于磁滯的大小與測量時間密切相關。直流I-V測試過程中測得的磁滯與C-V測試中的磁滯是不同的，因為二者的測量時間可能相差很大。通過不同速度的雙掃描C-V測量即可說明這一點（如圖1所示）。測試速度與儀器密切相關，是不易控制的。即使能夠控制測試速度，也沒有一種模型能夠定量地說明在測試過程中柵介質中真正俘獲了多少電荷；也就是說，磁滯無法對俘獲的電荷數量進行量化，因為很大一部分快速瞬態俘獲可能在直流測量過程中喪失了。

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