摘要   由于高介电常数的栅电路结构在俘获电荷机制上存在负面影响，常规的直流量测技术已经捉襟见肘了。脉冲电流-电压量测技术能够彻底解决这一难题，从而得到高介电常数栅电路结构晶体管的本征电学表现。

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　　高介电常数材料如二氧化铪、氧化锆、氧化铝以及硅酸盐类化合物作为先进半导体生产技术中有望替代传统二氧化硅的新一代的栅电极绝缘材料已经得到了普遍的重视和关注。由于这些材料具有高介电常数的优势，这使得当达到相同的电容数值时，使用这些材料作为栅电极绝缘层可以做的比传统二氧化硅层更厚，由此栅电路的漏电流会降低若干个数量级。毫无疑问，这样一来长久困扰着工程技术人员如阈值电压(Vt)不稳定、载流子沟道迁移率下降和器件经时可靠性衰减等的一系列技术难题将会被一举攻克。但道路并非一马平川，在使用高介电常数材料时业界广泛关注如何克服由于材料自身的缺陷而导致的俘获载流子问题。当晶体管开启的时候，由于垂直电场作用，一些沟道的载流子会在栅电极绝缘材料内积累从而导致阈值电压(Vt)漂移和驱动电流降低。理解捕获电荷以及与之相关问题的机理也同样是解释晶体管的载流子沟道迁移率下降和器件可靠性衰减等问题的基础。然而，传统的直流测试技术并不能准确的表征这些机制。

　　直流测试技术的局限性

　　当电荷在栅电极绝缘层被捕获，栅极电容会产生内建电压，这将导致晶体管阈值电压的升高和驱动电流的降低。电荷的捕获、释放时间与栅电极的构造包括二氧化硅层和高介电常数材料界面的表面态、材料的厚度以及制造工艺技术息息相关。 一般来说，时间是在几毫秒到几十微妙的范围内变化。并且释放被捕获的电荷也与栅电压的大小和极性有着密切的关系。

　　发生捕获电荷效应的动态范围很大，而且电荷的捕获与释放和电压密切相关，这就决定了使用一种测试技术（尤其是直流测试技术）并不能完整的反映栅电极结构内部的实际情况。就拿通常使用的双重扫描直流Vgs-Id或高频C-V测试技术为例，这类技术在测量漏极电流或栅极电容时会发生栅极电压倾斜的往复波动。如果将这些I-V或C-V测试结果加以分析，就能够发现电路滞后效应，这主要是由于电荷在栅极结构内部被捕获造成的。

　　直流测试技术在某些情况下的测试结果并不可信，其问题的关键就在于电路滞后效应强烈的受到测试时间的影响。使用直流I-V测试电路滞后效应其结果往往与C-V测试不同，原因就是每一种测试的动态测试时间是不同的。图１是以不同的往复扫描测试速度测量电路的C-V表现。扫描测试的速度依赖测试设备的表现，并不容易控制。就算它能够精确控制，现在仍然没有模型可以定量的分析有多少电荷在测试过程中被栅电极结构捕获（换句话说，电路滞后效应也不能体现被捕获电荷的数量，这是因为直流测试不能表征瞬态发生的电荷捕获，而这一类型的捕获电荷在总的捕获电荷数量中往往占有重要的地位。

　　另一种方法是有意识的在栅极中引入直流应力电压降，然后使用C-V或I-V测试技术测量平带电压或Vt漂移。被捕获的电荷数量能使用以下公式计算：

或

　　这种技术的难点是在于如何恰当地处理好直流应力和随后使用C-V或I-V测试技术之间电压的过渡周期，特别是要考虑后面C-V或I-V测试中不使用电压或使用低于前面直流应力处理电压的情况下，先前在栅极中引入直流应力电压降的影响。当栅极的直流应力电压降消失后，捕获在栅极中的电荷会在几十微妙的时间内被释放。所以，其结果就是由于电荷的释放仅仅被捕获在栅极中总电荷的一部分会被测量，前提还必须是乐观地假设薄膜质量很好。

　　超短波脉冲测试技术

　　更好的测试技术已经被研发出来用以解决瞬态电荷捕获问题的不利影响。图2是单脉冲电荷捕获测试技术(SPCT)的结构示意图。这两种技术都是保证漏偏压为一个确定的电压，而加一个脉冲在晶体管的栅电极上。漏极电流随着加在晶体管栅电极上的数字震荡的脉冲电压而变化。

　　这两种测试结构的不同在于其中一种结构(图2b)比另一种结构(图2a)有更高的带宽;前者能够有更快的脉冲响应速度（能够达到几十纳秒）。这个速度远大于高介电常数材料捕获电荷的速度，因此可以在无电荷捕获的情况下得到本征晶体管表现。

　　使用SPCT的关键是注重在单一、构造良好的栅电压脉冲中电荷的捕获和释放（图3）。脉冲通常在电压上升开始前，以某一个栅电容放电的位置作为开始点，这将有助于清理捕获在栅极中的电荷。然后，随着电压的升高，系统接收相应的漏电流响应信号，从而能够完成Vgs-Id测试。

　　如果脉冲频率足够快以至电荷捕获效应无法发生的话，测试的Vgs-Id 曲线就能够体现晶体管的本征表现，从而避免电荷捕获在栅极结构中引发的负面影响。当脉冲达到稳定状态时，晶体管开启，紧接着一些沟道载流子将会被捕获在高介电常数栅极绝缘层中，随后Vt漂移并引发漏极电流下降。在随后脉冲下降的过程中，系统能够得到另一条Vgs-Id曲线，但此时电荷捕获效应将对测量结果产生影响。

　　图4a是分别使用图2a和2b的测量系统采用不同的脉冲频率测试晶体管的I-V表现。并且在图中加上直流测量技术测试晶体管的I-V表现作为参照。由于电荷捕获效应的影响，使用低频的脉冲测量，结果中发现了晶体管滞后效应，而使用高频率脉冲测量技术，由于其响应远高于电荷捕获效应的时间，晶体管的滞后效应被克服。

　　低频脉冲测量技术仅用于测试相对较少捕获电荷效应的高介电常数材料的器件性能。尽管低频脉冲测量器件I-V特性较直流测试更少的收到晶体管滞后效应的影响，但是由于电荷释放与栅极结构和脉冲回落时间息息相关，最终结果仍然需要细致认真的分析。而且当脉冲上升和回落的两条时间轨迹不平行时，指出从何处开始晶体管滞后效应对测量结果产生影响更加困难。

　　另一种方法是使用脉冲测试晶体管表现，绘制Id随时间变化的关系（图4b）。一定脉冲时间宽度区域内的Id表现（此区域内的Id是逐渐降低的）能够用于定量分析捕获电荷效应。但是为了确保捕获电荷效应不会影响器件的测量结果，测量时要尽可能的选择高频脉冲，缩短脉冲的上升和下降的时间。使用（图2b）的超短波脉冲测试系统就可以容易的满足上述需求，这套系统在测量Id-Vg器件表现时使用的高频脉冲单次速度快于100纳秒。

　　短波脉冲测试技术的优势
　
　　使用短波脉冲测试技术较少发生捕获电荷效应，因此漏电流的测试数据会高于直流测试条件的结果（图4a红线所示）。当电学模型是基于脉冲技术的I-V测量数据时，沟道载流子迁移率的模拟结果会比预测值高，相对与以往受到捕获电荷效应困扰的测试数据而言，这更实际的反映了晶体管的开关速度。另一个使用纳秒级的超短波脉冲测量系统测试晶体管I-V表现的优势是测试方法简单，而且设备能够容易的在脉冲测试和直流测试之间切换，并采用不同的测量技术进行对比，无需重新设置硬件或移动硅片到另一个测试机台（图5）。

　　因为消除了捕获电荷效应的影响，使用脉冲测量技术测得的I-V数据将明显高于直流测量技术的测量结果。前者的测量数据更加接近使用高介电常数材料器件的真实本征驱动电流，这无疑也是脉冲测量技术优势的根本体现。

　　因为测定捕获电荷效应对晶体管各项功能的影响将会是一项十分复杂的工程，避免直流或者低频脉冲对测量中人为产生不利影响的最佳解决方案是使用先进的测试设备和恰当的测试结构与方法。超短波脉冲测量技术提供更为真实的器件表现，根据它提供数据而建立的电学模型将反映器件实际的工作情况，这有助于优化器件的设计。

　　工艺工程师也需要脉冲测量技术，测试和表征他们在改善薄膜质量、降低捕获电荷效应等方面的成果。而且，掌握高介电常数绝缘材料器件的本征表现也需要理解电荷捕获和释放效应的物理机制。同时，这也会有助于正确的外推器件的使用寿命。

　　为满足技术的需求，先进的超短波脉冲测试技术填补了这一空白，但是由于它的频率属于无线电波领域，如果测量系统的没有进行相应的高带宽优化的话，测试很容易引入测量错误和误差。通常测量错误和误差主要来自三个方面：1.电缆和连接器引入的信号损失;2.器件的寄生效应引入的信号损失;3.接触电阻引入的信号损失等。

　　电缆、连接器和接触电阻引入的信号损失能够使用无捕获电荷效应的二氧化硅绝缘层晶体管进行校正。当校正成功后，脉冲测量技术和直流测量技术测得的晶体管I-V曲线能够精确的重合。

　　然而，器件的寄生效应（通常是界于两个接触压点之间的寄生电容）对测试的负面影响并不能容易的克服。这一问题将降低漏极的脉冲电流。解决问题的方案是使用射频兼容的晶体管结构（地-信号-地）以及增大压点之间的距离从而使两者之间的电容小到无法对脉冲电流产生影响。 

　　直流测量技术对使用高介电常数材料的栅极结构的捕获电荷效应束手无策，而先进的脉冲测量技术能够填补这一空白，这项技术不受捕获电荷效应的影响，其测试结果更加真实的反映器件的本征表现。当脉冲频率快于发生捕获电荷效应的时间量程时，测量技术将不再受到捕获电荷效应的困扰，从而被优化的器件功能将能够得以确切的展现，与传统的直流I-V测试技术比较，脉冲测量技术能够更加真实的反映器件表现。