3.1 實驗儀器與元件介紹 3.1.1 實驗儀器介紹
本研究中所使用到的儀器介紹如下: 一組八吋晶圓探針台系統(DC Probe Station)，其外以大型金屬暗箱作為隔絕，晶片托盤連接至幫浦，目的是藉由幫浦 抽真空降晶片牢牢固定在托盤之上，以防在實驗過程中晶片的位移造成量測誤差。
探針台上放 置四組探針座，分別對應電晶體的四個電極 : 閘極(Gate)、源極 (Source)、基極(Body)、汲極(Drain)，並以四條訊號線連接至安捷倫半導體元件參 數分析儀(Agilent B1500A)，再連接至電腦操作，給予待測元件各項量測條件，以 取得各項電性參數。
3.1.2 元件介紹
隨著製程技術不斷推進，鰭式場效電晶體已經成為全世界各大半導體廠的主 力產品，並持續的投入資金技術在元件微縮之上。本研究主要所使用之元件為高 介電材料(High-K)與金屬閘極(Metal Gate)之堆疊式金屬閘極鰭式場效電晶體 (Stacked metal gate FinFET)，規格如下，元件通道長度(Length)為 20nm，鰭寬度 (Fin Width)為 10nm，SA(Active Surface Area)方面為 0.18um，另外不論 n/p 型元 件，其上皆覆蓋了氮化矽 SiN 作為接觸蝕刻停止層(Contact Etch Stop Layer, CESL)，且由於使用爐管製程，故此 SiN 層具有拉伸應力(Tensile)的特性。
目前鰭式場效電晶體 FinFET 已經成為全球半導體廠之主力產品，然而在電 晶體從平面結構(planer)走向立體結構之後，對於主動區面積在元件特性及可靠度 影響之研究仍為數不多。圖 3-1 為 N 型堆疊式金屬閘極的內部結構圖，圖 3-2 為
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P 型堆疊式金屬閘極的內部結構圖。
3.2 實驗設計
3.2.1 N 型與 P 型之元件基本電性實驗
此部分說明通道長度為 36nm，鰭寬度為 10nm，N 型與 P 型 FinFET 元件的 基本電性比較。此部分研究所使用之 FinFET 元件其鰭數(fin number)固定為 20 根結構，藉由觀察透過 keysight b1500a 取得之 ID-VG曲線、Gm-VG曲線。
3.2.2 不同通道長度之元件基本電性實驗
此部分說明在 3 種不同的通道長度 16nm、20nm、36nm 下，P 型 FinFET 元件 的基本電性比較。此部分研究所使用之 FinFET 元件其鰭數(fin number)固定為 20 根結構，藉由觀察透過 keysight b1500a 取得之 ID-VG曲線、ID-VD曲線、GM-VG曲 線，以及萃取出之臨界電壓(Vth)、次臨界擺幅(S.S.)等參數。
3.2.3 熱載子注入實驗
熱載子注入(HCI)之實驗流程如圖 3-3 所示，我們將探討施加不同負電壓在 P 型 FinFET 通道長度為 20nm，鰭寬度為 10nm 下，經過 5000 秒的熱載子注入實 驗後元件退化情形。
本節所有受測元件的通道長度固定為 20nm，鰭寬度固定為 10 nm。在進行 HCI 可靠度測試時，將元件的基極端(Body)跟源極端(Source)同時接地
(VB=VS=0)，而閘極端(Gate)和汲極端(Drain)分別給定偏壓(VG= VD=-1.3V 和-1.4V)壓力測試時間共 5000 秒，中途取數個固定的時間點進行元件之電性量測，
再從測量出的 ID-VG、ID-VD及 GM-VG曲線萃取出相關電性參數，比較施加不同 負電壓下元件的臨界電壓變化量、次臨界擺幅變化量和 GM變化量來探討。
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3.2.4 負偏壓不穩定性實驗
負偏壓不穩定性(NBTI)之實驗流程圖如圖 3-3 所示，我們將探討施加不同負 電壓在 P 型 FinFET 通道長度為 20nm，鰭寬度為 10nm 下，經過 NBTI 壓力測試 之後之元件退化情形。
本節所有受測元件的通道長度固定為 20nm，鰭寬度固定為 10nm。進行 NBTI 壓力測試時，我們將元件的基極端(Body)、源極端(Source)、汲極端(Drain) 同時接地(VB=VS=VD=0)，而閘極端(Gate)給定偏壓( VG= -2.5V 和-2.6V) 壓力測 試時間共進行 5000 秒，中途取數個固定的時間點進行元件之電性量測，再觀察 量測出之 ID-VG、ID-VD及 GM-VG曲線萃取出相關電性參數，比較施加不同負電 壓下元件的臨界電壓變化量、次臨界擺幅變化量和 GM變化量來探討。
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