前言

氧化物完整性是一個重要的可靠性問題，特別對于今天大規模集成電路的MOSFET器件， 其中氧化物厚度已經縮放到幾個原子層。JEDEC 35標準 (EIA/JE SD 35, Procedure for wafer-level Testing of Thin Dielectrics) 描述了通常用于監測氧化物完整性的兩種晶圓級測試技術：電壓斜坡 (V-Ramp)和電流斜坡 (J-Ramp )。這兩種技術都為氧化物評估提供了快速反饋。

用于監測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量能力

? 精確的步長時間控制

? 自動化設備參數提取

? 先進的數據分析技術

本應用文檔描述了如何使用Keithley 4200-SCS半導體表征系統進行氧化物可靠性測試。

電壓斜坡和電流斜坡測試技術

電壓斜坡測試采用線性電壓斜坡，電流斜坡測試采用不斷增加的對數電流斜坡，直到氧化物擊穿。電壓斜坡測試在低氧化物電壓下開始，因此它能夠更好地檢測低電場故障，但在高電場下提供的分辨率較差。電流斜坡測試是不同的，它從一個相對較高的氧化物電壓開始，所以它提供了較差的低電場分辨率，但在高電場下有更好的分辨率。這種分辨率的差異使得電壓斜坡測試經常被用于確定較大的測試結構故障，而電流斜坡試驗通常用于較小的測試結構，其中氧化物失效模式預計是固有的。

V-Ramp試驗程序

圖1說明了電壓斜坡測試過程。該序列以一個預試開始，以確定初始氧化物的完整性。在預試期間，施加恒定電壓（Vuse）并測量氧化物泄漏電流。如果氧化物被確定為“良好”，則對設備施加一個線性電壓斜坡，直到氧化物失效。

氧化物失效是通過預期值數十倍增加的電流或超過指定限流的氧化物電流來檢測。在Vuse上進行的測試，用于確定被測試設備的最終狀態。提取的電壓斜坡測量參數包括：擊穿電壓（VBD）和擊穿電荷（QBD）。

圖1. 電壓斜坡測試流程圖

電流斜坡法測試流程

圖2是電流斜坡測試方法的過程。該過程從氧化物完整性的預試開始。在這個預試中，施加恒定電流（通常為1μA），并測量氧化物的電壓。如果器件“良好”，則增加對數階躍電流，由Iporser = Iprev *F（其中 F<3.2）給出，直到氧化物失效。當氧化物上施加的電壓從之前測量的電壓（Vprev）下降15%或以上，或超過電荷極限時，就會檢測到氧化物故障。應力后的恒定電流測試用于評估被測試設備的最終狀態。提取的電流斜坡氧化物擊穿參數包括擊穿電壓（VBD）和擊穿電荷（QBD）。

圖2. J-Ramp Flowchart

電壓斜坡法和電流斜坡法測試差異

在實施任何一種測試程序時，都可能會出現潛在的測量困難。電壓或電流階躍時間必須均勻和精確，以準確地確定QBD和VBD。在實踐中，由于與外部控制器計算機時鐘相關的分辨率和精度限制，這個步長時間可能難以控制。此外，一些儀器效應，如范圍的變化，可能產生不可預測的步長時間的變化。

使用Keithley 4200-SCS的電壓斜坡

和電流斜坡測試

4200電壓斜坡測試

4200-SCS內置的測試序列器和交互式測試模塊（ITM）功能簡化了電壓斜坡和電流斜坡測試算法的實現。圖3顯示了項目導航器窗口和電壓斜坡模塊定義選項卡中的電壓斜坡測試序列。“項目導航器”窗口顯示測試順序，從預測試開始，然后是氧化物衰退的線性電壓斜坡（如V-Ramp模塊定義選項卡中的定義）。后測試確定了最終的設備狀態。

圖3. 電壓斜坡項目測試順序和測試定義

ITM定義選項卡便于指定源連接、施加信號、測量選項和設置時間信息。在圖3所示的電壓斜坡法測試中，柵極的源表（SMU1）被設置為從1.8V到6.0V的線性電壓掃描，電壓步長為0.035V。電壓步長基于JEDEC 35標準的0.1MV/cm最大電壓步長高要求 (3.5nm氧化物厚度）。指定一個固定的電壓源和電流測量范圍可以最小化自動定位對電壓階躍時間的影響。

線性電壓斜坡率在ITM時間設置對話框進入屏幕中指定（圖4），通過點擊圖3中所示的timing按鈕打開。通過選擇自定義速度選項和指定A/D Integration時間 (16.6ms)，可以精確地控制SMU的測量時間。Sweep delay 是指測量前每一步的延遲。在這種情況下，選擇 sweep delay(83ms)，使步長時間為100ms(83 + 16.6)，產生1MV/cm*s的電壓斜坡速率，這符合JEDEC 35標準的1MV/cm*的最大斜坡速率要求。0.2s的第一個點的建立穩定時間，發生在第一個電壓步長上，允許在電壓掃描開始之前的電流穩定。檢查ITMtimestamp啟用功能，以便在每個電壓步驟中保存精確的定時信息。該特性在確定QBD和驗證步進定時精度時非常有用。對該數據的分析顯示，電壓步長時間平均為99.5ms（期望值為 99.6ms），標準差為 ± 為 0.062ms。

圖4. 電壓斜坡測量和定時控制

4200-ACS電壓斜坡數據分析

4200-SCS具有強大的高級數據分析能力，可以很容易地提取氧化物擊穿參數。通過單擊“definition”命令按鈕，從ITM定義選項卡激活此分析功能（參見圖3）。公式對話框輸入屏幕（未顯示）包含許多用于數據分析和提取的功能。公式從電壓斜坡測量的柵電流（IG）和柵電壓（VG）數據中自動提取擊穿電流（IBD）、擊穿電壓（VBD）、擊穿電荷（QBD）和擊穿時間 (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）公式函數得到氧化物電荷。氧化物失效電流在第二個方程中規定了失效電流。使用條件（COND）和Find Down（FINDD）函數的方程確定了4200-SCS模型內置電子表格中行（ROWBD）的位置，該電子表格與微軟 Excel兼容。ROWBD在AT公式函數中提取IBD、VBD、QBD 和TBD。一旦被提取出來，參數就可以自動顯示在4200-SCS的圖形選項卡上。圖5顯示了典型的4200-SCS電壓斜坡數據，并從3.5nm的氧化物中提取了擊穿參數。

圖5. 典型的4200-SCS電壓斜坡測量結果

4201-SCS電流斜坡法測試

圖6顯示了在項目導航器窗口和電流斜坡測試模塊定義選項卡中的電流斜坡測試序列。電流斜坡測試序列首先在恒定電流下驗證初始氧化物完整性，然后是對數電流斜坡到氧化物擊穿，最后確定了最終的器件狀態。

圖6. 電流斜坡法項目測試順序和測試定義

圖6中的ITM定義選項卡指定了電流斜坡法的測試條件。在這種情況下，柵極源表（SMU1）被指示施加從10nA到0.6mA 的對數電流掃描，其中電流掃描中的步數為 50（F =1.25）。指定一個固定的電壓測量范圍可以盡量減少自動定位對步長時間的影響。與電壓斜坡測試一樣，通過選擇ITM中的timing自定義速度選項，并指定A/D integration時間、sweep delay、hold time和timestamp已啟用的特性，可以精確地控制SMU的步長時間（參見圖4）。JEDEC標準35規定當前斜坡率為110年/500毫秒。

4200-ACS電壓斜坡數據分析

與電壓斜坡法測試一樣，該公式器可以自動提取電流斜坡氧化物擊穿參數（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。第二個方程指定了氧化物故障比，它對應于測量的氧化物電壓下降 15%。比值方程決定了最近測量的VG與之前測量值的比值。接下來的兩個方程使用COND和FINDD公式函數來確定分解數據(ROWBD) 的行位置。最后四個方程使用AT公式函數自動提取擊穿參數（IBD、VBD、QBD和TBD）。圖7顯示了典型的模型4200-SCS電流斜坡數據和提取的3.5nm氧化物的擊穿參數。

圖7. 典型的4200-SCSJ形斜坡測量結果

氧化物缺陷與超薄氧化物的表征

氧化物缺陷會在低電場下產生過多的隧穿電流。此外，超薄氧化物（<6nm）在低電場下表現出大量的直接隧穿氧化物電流。為了研究這些影響，有必要監測 fA 范圍內的氧化物電流，這使得4200-SCS成為這種應用的測試儀器。圖8顯示了在3.5nm氧化物上獲得的4200- SCS電壓掃描數據，這是使用SMU Quiet ITM定時設置和自量程測量選項獲得的。這些結果表明，4200-SCS具有良好的低電流測量靈敏度。

圖8. 典型的4200-SCS I-V測量結果

結論

4200-SCS的快速、靈活和易于使用的測試環境提供了一個理想的方法來描述氧化物的可靠性。它內置的軟件工具，如項目導航器、公式編輯器和與excel兼容的數據格式，極大地簡化了創建測試序列和分析結果。自定義SMU定時控制和先進的源測量單元技術為測量靈敏度、精度和控制設定了一個新的行業標準。