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一個典型的通道熱載流子測試過程包括一個被測試器件（DUT）的初始化表征，然后是一個應力和測量循環(huán)^[1]（圖2）。在這個循環(huán)中，器件承受的電壓高于正常工作電壓的壓力。器件參數(shù)包括I_DLIN、I_DSAT、V_T、Gm等，在應力之間進行監(jiān)測，并將這些參數(shù)的退化繪制為累積應力時間的函數(shù)。在進行此應力和測量回路之前，將測量同一組器件參數(shù)作為基線值。

圖2 典型的CHC測試過程

應力條件是基于壞情況下的退化條件，這對于NMOS和PMOSFET是不同的。通常，對于漏極電壓應力，它應小于源極漏極擊穿電壓的90%。然后，在漏極應力電壓下，柵極應力電壓因晶體管類型和柵極長度而不同。表1顯示了使用不同技術^[2] 創(chuàng)建的NMOS和PMOSFET的壞情況退化條件。

表1. NMOS和PMOS FETs的壞情況應力條件

使用4200A-SCS半導體表征系統(tǒng)上的IMT可以很容易地確定壞情況下的應力條件。

在單個晶體管上執(zhí)行CHC測試很容易。然而，每個CHC測試通常需要很長時間才能完成，所以希望有許多dut并行施加壓力，然后在應力之間按順序進行表征，以節(jié)省時間。為了實現(xiàn)這一點，需要一個開關矩陣來處理并行應力和應力之間的順序測量。圖3顯示了針對多個DUT的典型CHC測試的硬件配置。4200A-SCS提供了應力電壓和測量能力，而開關矩陣支持并行應力和多個器件的順序測量。

根據(jù)被測試器件的數(shù)量，使用可容納一個矩陣開關（12個器件引腳）的708主機，或者使用多6個矩陣開關（多72個引腳）的707主機。不同柵極和漏極應力值的總數(shù)受到系統(tǒng)中SMU數(shù)量的限制。圖4說明了使用8個SMU（總共8個不同的漏極和柵極應力偏差）加上一個接地單元（接地端子）并聯(lián)20個晶體管對器件進行壓力測試的連接圖。

圖3. 硬件配置連線圖

圖4. 使用8個SMU并行施加壓力20個器件的示例。公共端子使用單獨的接地單元（GNDU）。

被監(jiān)測的熱載流子參數(shù)包括V_TH、GM、I_DLIN和I_DSAT。這些參數(shù)在應力之前首先測量，并在每個累積應力時間后重新測量。I_DLIN是器件在線性區(qū)域測量漏極電流，而I_DSAT是器件在飽和區(qū)域測量漏極電流。V_TH和GM可以用恒流法或內(nèi)插/外插法來確定。在內(nèi)插/外插法中，V_TH是由I_DS - V_DS曲線的大斜率來確定。

4200A-SCS的公式編輯器工具大大簡化了這些參數(shù)的提取。內(nèi)置函數(shù)包括微分獲得GM，MAX函數(shù)獲得大的GM（Gmext），以及小二乘線擬合函數(shù)提取VTH（Vtext）。計算這些參數(shù)的公式可以在4200A-SCS提供的HCI項目中找到，并在測試庫中的相應的測試中找到。這些公式的一些例子包括：

GM = DIFF(DRAINI,GATEV)

GMEXT = MAX(GM)

VTEXT = TANFITXINT(GATEV, DRAINI, MAXPOS (GM))

后一個公式（VTEXT）是ID-VG曲線在大GM點處的切線擬合的x截距。一旦這些參數(shù)從各個測試中計算出來，它們就可以通過選中“輸出值”選項中的復選框來導出，以監(jiān)測應力時間的退化。對于每個測試，都可以選擇退出選項，允許系統(tǒng)跳過該器件，或者在器件出現(xiàn)故障時停止整個CHC測試。有關這些選項的更多詳細信息，請參閱完整的4200A-SCS參考手冊。

在4200A-SCS軟件的吉時利Clarius版本中增強的功能之一是項目樹結構中可以增加一個應力循環(huán)，可以施加電壓和電流應力。用戶可以利用應力循環(huán)在預設時間上設置直流應力。每個周期的應力時間可以以線性或?qū)?shù)的方式進行設置（見圖5）。該特性用于CHC/HCI、NBTI、EM（電遷移率）和電荷捕獲應用，以提供恒定的直流應力（電壓或電流）。在應力 / 測量模式下，用戶可以為被測器件的每個終端設置應力條件（圖6）。在每個應力周期之后，4200A-SCS經(jīng)過一個測量序列，其中可以包括任意數(shù)量和類型的用戶定義的測試和參數(shù)提取。這些參數(shù)隨時間的退化情況被繪制在應力圖中。4200A-SCS 的“工具包”體系結構為用戶在創(chuàng)建測試序列和壓力測量方面提供了巨大的靈活性。

對于關鍵參數(shù)，可以設置一個目標退化值（圖6）。一旦該參數(shù)的退化超過了目標值，特定的測試將停止。通過消除不必要的壓力和測量故障器件上的周期，將會節(jié)省了大量的時間。

圖5. 應力循環(huán)設置頁面

(圖片源自4200-SCS半導體參數(shù)分析儀界面）

圖6. 器件應力/引腳連接/退化目標值設置窗口

(圖片源自4200-SCS半導體參數(shù)分析儀界面）

如果項目中定義了多個DUT，則可以使器件壓力設置窗口中的“上一個器件”和“下一個器件”按鈕在器件之間進行切換（圖6）。“復制”和“粘貼”按鈕可以用于將壓力設置從一個器件復制到另一個器件中，而不需要在所有輸入字段中重新輸入所有信息。由于多個器件在不同的應力配置中并行施加應力，因此很難將所需的不同應力的數(shù)量和可用于應用它們的SMU的數(shù)量聯(lián)系起來。按下“檢查資源”按鈕，可以很容易地確定是否有足夠的SMU來處理所有涉及的壓力，并查看這些SMU是如何分配給每個不同的壓力的。如果開關矩陣連接到系統(tǒng)上，并且如果終端上的應力為0V，則默認使用接地單元。

圖7a顯示了一個單獨的數(shù)據(jù)表（圖7a），它可以合并到相應的應力設置窗口中，以保存有關周期指數(shù)、應力時間和從應力之間的測量中提取的監(jiān)測參數(shù)的信息，如ID和VT。數(shù)據(jù)將以Excel文件格式（.xls）自動保存在項目目錄中，將數(shù)據(jù)以文本或Excel文件的形式導出到其他位置。如果系統(tǒng)處于應力/測量模式，監(jiān)測參數(shù)相對于預應力測量的退化會自動計算，并可以繪制在圖7b中。有關更多壓力測量的信息，在Clarius軟件中提供的功能，請查閱完整的4200A-SCS參考手冊。

a)

b)

圖7. a) 應力數(shù)據(jù)表存儲所有應力信息，包括應力期間的測量結果和應力之間測量的選定參數(shù)。b) 退化百分比數(shù)據(jù)作為應力時間函數(shù)的圖

 (圖片源自4200-SCS半導體參數(shù)分析儀界面）

下面的步驟概述了構建CHC項目的典型過程。有關每個步驟的詳細信息，請參考完整的4200A-SCS參考手冊。

■ 1. 創(chuàng)建項目結構

a. 確定開關矩陣是否可用

b. 確定是否有足夠的SMU可用

c. 構建項目結構

■  2. 在應力之間建立測試

a. 如果使用了開關矩陣，進行開關連接。

b. 使用ITM構建新的測試

c. 使用公式器工具計算器件參數(shù)

d. 在合理條件下設置退出

e. 對于監(jiān)測退化，導出監(jiān)測的參數(shù)值

f. 重復步驟b到步驟e，以監(jiān)控更多的參數(shù)

■ 3. 如果有多個DUT，則重復步驟2。

■  4. 在子項目中，設置應力條件。

a. 設置壓力時間

b. 設置器件應力條件

   i. 應力電壓

   ii. 引腳連接

   iii. 目標退化值

   iv. 進入下一個器件

■ 5. 運行項目并檢查退化數(shù)據(jù)

參數(shù)退化數(shù)據(jù)和原始測量數(shù)據(jù)在項目運行期間自動以Excel文件格式保存。因此，即使項目在完成前就停止了，也已經(jīng)捕獲了測量數(shù)據(jù)。應力之間的原始I-V曲線可以疊加在應力循環(huán)上，所以很容易看到I-V是如何作為應力時間的函數(shù)而退化的。圖8顯示了覆蓋21個應力循環(huán)后的Vgs-Id曲線。

圖8. 多個應力的疊加數(shù)據(jù)圖

(圖片源自4200-SCS半導體參數(shù)分析儀界面）

圖9是一個在晶圓片上測試五個位置的CHC項目的例子。4200A-SCS通過與市場上常見的半自動探針臺兼容的內(nèi)置驅(qū)動程序控制探針臺的移動。

圖9. 晶圓級CHC測試的范例

(圖片源自4200-SCS半導體參數(shù)分析儀界面）

Clarius軟件中增強的應力測量循環(huán)可以輕松設置CHC測試。結合交互式測試界面、公式工具和強大的圖形功能，Clariu軟件使4200A-SCS成為評估器件可靠性參數(shù)的理想工具，如CHC誘導的MOSFETs退化，以及它在器件表征中更廣為人知的作用。