脉冲测量技术在高K介质 MOSFET 电荷捕获表征中的应用

一、电荷捕获效应的测试挑战

随着半导体工艺不断演进，业界引入了高κ介质材料（如HfO₂）来替代传统的二氧化硅栅介质，以降低栅极漏电流。然而，这一创新带来了一个严重的副作用——电荷捕获效应。高κ介质 MOSFET 在导通状态下：部分沟道载流子被困在栅介质层中，形成内建电位，导致阈值电压漂移和载流子迁移率下降。

测试难点：

• 电荷捕获时间尺度：1μs – 数十ms
• 器件工作频率：GHz级（ns – 亚ns）
• 直流测试无法分离本征特性与捕获效应

对于MRAM、PCM等新型存储器和高性能逻辑电路，电荷捕获效应是必须攻克的技术难题。而精准测量这一效应，正是解决问题的第一步。

二、电荷捕捉效应的表征：

1.Id-Vg曲线测试

被捕获的电荷会在栅极侧形成一个”屏蔽层”，使得栅极对沟道的控制能力减弱，宏观表现为阈值电压的正向漂移。这种漂移直接改变了器件的导通条件，进而影响漏极电流Id。

因此，Id-Vg曲线成为表征电荷捕获效应的最直接工具——它不仅能显示阈值电压的变化，还能通过曲线的形态、斜率和电流幅度，完整反映捕获过程对器件性能的影响。

Id-Vg测试通过固定漏极电压，扫描不同的栅极电压，测量对应的漏极电流，绘制Id随Vg变化的曲线。当发生电荷捕获时，被困在介质层中的电荷会”屏蔽”部分栅压，导致Id-Vg曲线整体右移（阈值电压增大）和电流幅度下降，通过对比捕获前后的曲线差异，即可定量提取电荷捕获参数。

测试配置：

• 漏极(Drain): 施加固定偏置电压Vd（通常为小信号如50-100mV，或饱和区测试时用更高电压）
• 栅极(Gate): 扫描电压Vg（从负值到正值，或从低于阈值到高于阈值）
• 源极(Source): 通常接地
• 衬底(Bulk/Body): 根据器件类型接地或施加偏置

2.传统直流Id-Vg曲线的根本缺陷

传统的Id-Vg直流扫描测试中，栅极电压缓慢变化，器件在每个测试点都有充足时间让电荷积累到介质层。测得的曲线已经包含了电荷捕获效应，无法分离出器件的真实本征特性。

这就像试图测量运动员的真实体能，却在他们已经疲劳的状态下进行——得到的数据并不反映实际能力。

3.高速脉冲测试的优势

通过控制脉冲的时间参数，可以实现两种关键测试：

1.短脉冲测试——”冻结”电荷捕获

使用纳秒级超快脉冲作为栅极激励。由于脉冲极短，电荷根本没有时间积累，测得的就是器件的纯净本征特性，但该方法无法提供电荷捕获的动态信息。

2.慢脉冲测试——”捕捉”动态过程

提供微秒级长脉冲，配合超快上升沿。这样可以在同一次测量中观察到：

• 脉冲前沿刚过时的本征响应
• 随后漏极电流随时间的衰减（电荷捕获过程）
• 最终稳定值（与直流测量一致）

这种方法可用于研究特定偏置点下的电荷捕获动态，也可通过应力前后对比预测器件寿命。

①蓝色曲线（短脉冲Id-Vg）

• 测量条件：纳秒级脉冲
• 物理意义：器件的本征特性，不含电荷捕获效应
• 特征：最高的电流水平，最陡的亚阈值斜摆

②灰色曲线（慢脉冲Id-Vg）

• 测量条件：微秒级脉冲的初始时刻
• 物理意义：与短脉冲重合（t=0时刻）
• 右侧部分：显示Id随时间的衰减（电荷捕获动态）

③红色曲线（直流Id-Vg）

• 测量条件：稳态直流扫描
• 物理意义：电荷捕获达到平衡后的实际性能
• 特征：最低的电流水平，阈值电压正向漂移

三、脉冲发生器的技术要求

1.短脉冲测试的关键参数

要实现本征特性测量，需要脉冲宽度远小于电荷捕获时间常数（典型值1-50ns）：

• 边沿时间：需 < 100ps，确保瞬态建立时间远小于捕获时间常数
• 脉冲宽度：300ps – 几ns，保证脉冲宽度可调，足够短以抑制捕获，又足够长以形成稳定沟道
• 重复精度：支持多偏置点扫描，构建完整的Id-Vg曲线

TS-PG 1000脉冲发生器提供 < 70ps边沿时间和300ps最小脉宽，满足短脉冲测试需求。图中显示脉冲宽度约30ns。

2.慢脉冲测试的关键参数

捕捉完整的电荷捕获动态过程需要：

• 快速上升沿：< 100ps，确保初始响应不受捕获影响
• 长脉冲宽度：微秒到毫秒级，覆盖捕获过程的完整时间窗口
• 宽偏置范围：±2.5V，研究不同栅压下的捕获行为
• 精细电压控制：mV级分辨率，精准设置偏置点