量測相關理論

2 . 4 . 1 臨 界 電 壓 ( T h r e s h o l d Vo l t a g e ， V

)

臨 界 電 壓 是 元 件 的 重 要 的 參 數 。 對 元 件 的 微 縮 工 程 而 言 ， 低 功 率 、 低 電 壓 的 設 計 相 當 為 重 要 。 而 臨 界 電 壓 的 原 理 相 當 複 雜，除 了 與 氧 化 層 的 特 性 有 關 外，金 屬 層 的 特 性 也 有 影 響。

目 前 在 萃 取 臨 界 電 壓 方 面 有 相 當 多 種 方 法 ， 而 本 篇 論 文 所 採 用 的 方 法 為 Gm M A X外 插 法 。 由 元 件 的 ID- VG特 性 曲 線 中 ， 電 流 對 電 壓 先 微 分 後 得 元 件 之 轉 導 對 電 壓 ( G m - VG) 曲 線 ， 由 轉 導 之 最 大 值 對 應 到 特 性 曲 線 上 相 對 應 點 取 切 線 並 交 於 橫 軸 ， 最 後 再 減 去 ( −¹

2𝑉_𝐷) ， 即 可 得 到 線 性 區 之 臨 界 電 壓 。

2 . 4 . 2 轉 移 電 導 ( Tr a n s c o n d u c t a n c e ， G

)

轉 移 電 導 ( t r a n s c o n d u c t a n c e , GM) 是 作 為 放 大 器 場 效 電 晶 體 的 重 要 參 數 ， 由 輸 出 電 流 ( ID) 變 化 與 輸 入 電 壓 控 制 ( VG) 的 比 值 來 決 定 大 小 ， 當 G m 值 越 大 ， 即 代 表 小 電 壓 的 變 化 就 能 產 生 很 大 的 輸 出 電 流 變 化 。

2 . 4 . 3 飽 和 電 流 ( I

)

本 論 文 的 電 性 量 測 結 果 ， 是 以 儀 器 設 定 閘 極 電 壓 為 ( Vt h+ 1 V ) 所 量 測 出 的 汲 極 飽 和 電 流 ( D r a i n S a t u r a t i o n C u r r e n t，

ID s a t) 來 討 論 。 當 驅 動 電 流 越 高 ， 代 表 元 件 的 特 性 越 好 。

2 . 4 . 4 次 臨 界 擺 幅 ( S u b t h r e s h o l d S w i n g ， S S )

當 電 晶 體 為 開 關 時 ， 次 臨 界 擺 幅 能 用 以 評 價 一 顆 電 晶 體 的 開 關 速 度 ， 由 I D - V G 特 性 曲 線 求 得 ， 利 用 曲 線 圖 取 得 電 流 上 升 1 0 倍 時 之 間 的 電 壓 差 ， 將 其 帶 入 公 式 後 就 能 得 到 。

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次 臨 界 擺 幅 數 值 越 小 就 越 接 近 理 想 值 ， 其 特 性 曲 線 圖 會 越 陡 ， 較 陡 的 次 臨 界 斜 率 表 示 閘 極 可 以 快 速 的 反 轉 使 通 道 導 通 。

2 . 4 . 5 驅 動 電 流

當 施 加 的 閘 極 電 壓 大 於 臨 界 電 壓 ， 汲 極 端 與 源 極 端 之 間 會 形 成 一 層 電 子 反 轉 層 ， 此 時 外 加 汲 極 電 壓 ， 可 讓 兩 端 之 間 的 電 荷 流 動 ， 產 生 汲 極 電 流 ， 此 電 流 大 小 可 當 作 驅 動 電 晶 體 能 力 的 依 據 ， 驅 動 電 流 特 性 由 I D - V D 特 性 曲 線 觀 察 得 出 。

第 三 章 實 驗 結 果 分 析

3 . 1 基 本 電 性 分 析

分 析 元 件 的 基 本 電 性 主 要 以 I D - V G 、 I D - V D 、 G m - V G 三 項 ， 比 較 背 面 偏 壓 對 元 件 有 什 麼 影 響 ， 藉 此 了 解 U T B B -F D S O I 特 性 趨 勢 。

3 . 1 . 1 施 加 背 面 偏 壓 實 驗 之 設 計

實 驗 的 元 件 為 兩 種 不 同 尺 寸 的 H i g h d o p i n g U T B B

-F D S O I ， 元 件 通 道 寬 度 尺 寸 為 固 定 0 . 0 8 u m ， 長 度 為 0 . 1 u m 、 0 . 5 u m ， 量 測 儀 器 為 A g i l e n t B 1 5 0 0 A 半 導 體 元 件 參 數 分 析 儀 ， 首 先 ID- VG 的 設 定 參 數 為 元 件 源 極 端 接 地 ( VS= 0 V ) ， 基 極 端 分 別 設 定 三 個 不 同 的 偏 壓 ( 1 V 、 0 V 、 - 1 V ) 而 汲 極 端 電 壓 為 ( VD= 0 . 0 5 V ) 使 元 件 操 作 在 線 性 區 ， 閘 極 電 壓 設 定 為 S w e e p m o d e ( 從 - 0 . 5 ~ 1 . 5 V ， 每 0 . 0 1 V 為 一 個 s t e p ) ， 測 量 出 兩 種 不 同 尺 寸 的 元 件 在 施 加 背 面 偏 壓 下 的 閘 極 電 壓 VG 與 汲 極 電 流 ID 的 關 係 曲 線 圖 ， 在 將 D a t a 匯 入 o r i g i n l a b 8 . 6 得 到 I D - V G 圖 。

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而 另 外 也 分 別 量 測 N 型 和 P 型 的 在 不 同 偏 壓 下 的 分 析 ， 基 極 端 分 別 設 定 九 個 不 同 的 偏 壓 ( 4 V 、 3 V 、 2 V 、 1 V 、 0 V 、 - 1 V 、 - 2 V 、 - 3 V 、 - 4 V ) 而 汲 極 端 電 壓 為 ( VD= 0 . 0 5 V ) 使 元 件 操 作 在 線 性 區 ， 閘 極 電 壓 設 定 為 S w e e p m o d e ( 從

-0 . 5 ~ 1 . 5 V ， 每 -0 . -0 1 V 為 一 個 s t e p ) ， 測 量 出 兩 種 不 同 尺 寸 的 元 件 在 施 加 背 面 偏 壓 下 的 閘 極 電 壓 VG 與 汲 極 電 流 ID 的 關 係 曲 線 圖 ， 在 將 D a t a 匯 入 o r i g i n l a b 8 . 6 得 到 I D - V G 圖 。

ID- VD 的 設 定 參 數 為 元 件 源 極 端 接 地 ( V S = 0 V ) ， 基 極 端 分 別 設 定 三 個 不 同 的 偏 壓 ( 1 V 、 0 V 、 1 V ) ， 閘 極 電 壓 設 定 為 I D -V G 量 測 時 所 得 到 的 臨 界 電 壓 + 1 -V ， 汲 級 端 電 壓 設 定 為

S w e e p ( 從 0 V ~ - 1 . 2 V ， 每 0 . 0 1 V 為 一 個 S t e p ) ， 測 量 出 兩 種 不 同 尺 寸 的 元 件 在 施 加 背 面 偏 壓 下 的 汲 極 電 壓 V D 與 汲 極 電 流 I D 的 特 性 曲 線 圖 ， 在 將 D a t a 匯 入 o r i g i n l a b 8 . 6 得 到 I D -V D 圖 。

另 外 也 分 別 量 測 N 型 和 P 型 的 在 不 同 偏 壓 下 的 分 析 ， 基 極 端 分 別 設 定 九 個 不 同 的 偏 壓 ( 4 V 、 3 V 、 2 V 、 1 V 、 0 V 、 -1 V 、 - 2 V 、 - 3 V 、 - 4 V ) ， 閘 極 電 壓 設 定 為 I D - V G 量 測 時 所 得 到 的 臨 界 電 壓 + 1 V ， 汲 級 端 電 壓 設 定 為 S w e e p ( 從 0 V ~

-1 . 2 V ， 每 0 . 0 -1 V 為 一 個 S t e p ) ， 測 量 出 兩 種 不 同 尺 寸 的 元 件 在 施 加 背 面 偏 壓 下 的 汲 極 電 壓 V D 與 汲 極 電 流 I D 的 特 性 曲 線 圖 ， 在 將 D a t a 匯 入 o r i g i n l a b 8 . 6 得 到 I D - V D 圖 。

Gm- VG 的 設 定 參 數 為 元 件 源 極 端 接 地 ( V S = 0 V ) ， 基 極 端 分 別 設 定 三 個 不 同 的 偏 壓 ( 1 V 、 0 V 、 - 1 V ) 而 汲 極 端 電 壓 為 ( V D = 0 . 0 5 V ) 使 元 件 操 作 在 線 性 區 ， 閘 極 電 壓 設 定 為 S w e e p m o d e ( 從 - 0 . 5 ~ 1 . 5 V ， 每 0 . 0 1 V 為 一 個 s t e p ) ， 測 量 出 兩 種 不 同 尺 寸 的 元 件 在 施 加 背 面 偏 壓 下 的 臨 界 電 壓 ( V t h ) 與 轉 移 電 導 ( G m ) 的 關 係 曲 線 圖 ， 在 將 D a t a 匯 入 o r i g i n l a b 8 . 6 得 到 Gm- VG 圖 。

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另 外 也 分 別 量 測 N 型 和 P 型 的 在 不 同 偏 壓 下 的 分 析 ， 基 極 端 分 別 設 定 九 個 不 同 的 偏 壓 ( 4 V 、 3 V 、 2 V 、 1 V 、 0 V 、 -1 V 、 - 2 V 、 - 3 V 、 - 4 V ) ， 而 汲 極 端 電 壓 為 ( V D = 0 . 0 5 V ) 使 元 件 操 作 在 線 性 區 ， 閘 極 電 壓 設 定 為 S w e e p m o d e ( 從 - 0 . 5 ~ 1 . 5 V ， 每 0 . 0 1 V 為 一 個 s t e p ) ， 測 量 出 兩 種 不 同 尺 寸 的 元 件 在 施 加 背 面 偏 壓 下 的 臨 界 電 壓 ( V t h ) 與 轉 移 電 導 ( G m ) 的 關 係 曲 線 圖 ， 在 將 D a t a 匯 入 o r i g i n l a b 8 . 6 得 到 Gm- VG 圖 。

3 . 1 . 2 元 件 施 加 背 面 偏 壓 下 量 測 結 果 與 分 析

根 據 半 導 體 物 理 理 論 的 基 體 效 應 討 論 中 提 到 M O S F E T 電 晶 體 的 基 極 端 ( B o d y 或 S u b s t r a t e ) 與 源 極 端 通 常 是 等 電 位 ， 也 就 是 源 極 與 基 極 接 面 ( S o u r c e - B o d y j u n c t i o n ) 的 電 壓 等 於 零 ， 這 個 時 候 是 無 基 體 效 應 的 ， 假 如 在 M O S F E T 電 晶 體 的 基 極 加 上 偏 壓 V b s ( 即 V b s > 0 或 V b s < 0 ) ， 基 體 端 的 準 電 子 費 米 能 階 ( E f n ) 會 從 準 電 洞 費 米 能 階 ( E f p ) 偏 移 V b s 大 小 ， 而 會 改 變 M O S F E T 的 臨 界 電 壓 ， 因 此 能 藉 由 改 變 背 面 偏 壓 而 達 到 改 變 元 件 臨 界 電 壓 的 效 果 。

圖 3 - 1 - 2 - 1 ~ 圖 3 - 1 - 2 - 2 分 別 為 同 寬 W = 1 u m 及 不 同 長 度 L = 0 . 1 u m 、 0 . 5 u m 的 I D - V G 線 性 圖 ， 當 V B = 1 時 ， 會 使 臨 界 電 壓 變 小 ， 次 臨 界 擺 幅 變 大 ， 圖 形 曲 線 的 斜 率 較 小 ， 而 當 V B = - 1 V 時 ， 會 使 臨 界 電 壓 變 大 ， 次 臨 界 擺 幅 變 小 ， 圖 形 曲 線 的 斜 率 較 大 ， 圖 3 - 1 - 2 - 3 ~ 圖 3 - 1 - 2 - 4 分 別 為 同 寬 W = 0 . 0 8 u m 及 不 同 長 度 L = 0 . 1 u m 、 0 . 5 u m 的 I D - V D 線 性 圖 ， 當 V B = 1 V 時 因 為 次 臨 界 擺 幅 的 增 加 ， 相 對 的 驅 動 電 流 也 會 變 大 ， 而 V B = -1 V 時 因 為 次 臨 界 擺 幅 的 減 少 ， 相 對 的 驅 動 電 流 也 會 變 小 ， 圖 3 - 1 - 2 - 5 ~ 圖 3 - 1 - 2 - 6 分 別 為 同 寬 W = 0 . 0 8 u m 及 不 同 長 度

L = 0 . 1 u m 、 0 . 5 u m 的 G m - V G 線 性 圖 ， 當 V B = 1 時 其 G m ( M A X ) 比 V B = - 1 V 及 V B = 0 V 還 大 ， 圖 3 - 1 - 2 - 9 為 不 同 長 度 下 的 I D - V G 線 性 圖 ， 能 觀 察 出 在 同 樣 寬 度 下 ， 通 道 長 度 短 的 在 同 樣 的 V B 下 ， 其 次 臨 界 擺 幅 較 大 ， 原 因 是 通 道 愈 短 會 使 汲 極 電 壓 更 容 易 影 響 到 通 道 ， 造 成 次 臨 界 電 流 的 增 加 ， 使 得 閘 極 不 容 易 控 制 汲 極 電 流 ， 造 成 次 臨 界 擺 幅 增 加 。 圖 3 - 1 - 2 - 1 0 為 不 同

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同 寬 W = 0 . 0 8 u m 及 不 同 長 度 L = 0 . 1 u m 、 0 . 5 u m 的 G m - V G 線 性 圖 。

3 . 2 可 靠 度 量 測 分 析

現 代 的 科 技 產 品 時 常 推 陳 出 新 ， 而 因 應 這 個 趨 勢 ， 半 導 體 也 必 須 有 所 進 展 才 有 辦 法 使 得 科 技 產 品 的 效 能 更 加 的 強 大 ， 而 當 有 新 的 半 導 體 產 出 時 ， 就 須 先 經 過 可 靠 度 量 測 分 析 去 測 試 元 件 會 有 那 些 缺 陷 ， 再 將 分 析 的 結 果 去 改 進 製 程 上 的 參 數 ， 而 提 高 產 品 的 良 率 ， 所 以 可 靠 度 量 測 分 析 也 是 半 導 體 製 程 上 重 要 的 步 驟 。

常 見 的 可 靠 度 測 試 包 含 下 列 五 種 :

( 一 ) 熱 載 子 效 應 ( H o t C a r r i e r E f f e c t ， H C E ) 。

( 二 ) 正 / 負 偏 壓 溫 度 不 穩 定 性 ( P o s i t i v e / N e g a t i v e B i a s T e m p e r a t u r e I n s t a b i l i t y , P B T I / N B T I ) 。

( 三 ) 時 依 性 介 電 層 崩 潰 ( T i m e D e p e n d e n t D i e l e c t r i c B r e a k d o w n ， T D D B ) 。

( 四 ) 電 遷 移 ( E l e c t r o m i g r a t i o n ， E M ) 。 ( 五 ) 崩 潰 電 荷 ( B r e a k d o w n C h a r g e ， Q b d )

在 這 章 節 裡 使 用 到 的 可 靠 度 實 驗 是 熱 載 子 效 應 ( H o t C a r r i e r E f f e c t ， H C E ) ， 先 比 較 在 H C E 前 後 加 背 面 偏 壓 有 何 差 異 ， 之 後 為 不 同 背 面 偏 壓 下 經 過 H C E 有 何 變 化 ， 最 後 比 較 不 同 H C E 電 壓 下 的 元 件 退 化 程 度 。

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3 . 2 . 1 熱 載 子 效 應 ( H o t C a r r i e r E f f e c t )

N 型 M O S F E T 在 操 作 時 ， 在 閘 極 端 給 一 正 偏 壓 ， 此 時 在 氧 化 層 下 方 產 生 感 應 電 子 ， 然 後 在 汲 極 端 加 正 偏 壓 後 ， 就 會 在 源 極 與 汲 極 形 成 一 個 通 道 。 當 元 件 通 道 的 長 度 很 小 時 ， 此 時 汲 極 端 的 橫 向 電 場 會 是 很 大 ， 而 通 道 內 電 子 的 能 量 會 因 電 場 而 上 升 ， 而 這 些 因 電 場 而 上 升 的 能 量 稱 為 熱 載 子 ， 當 它 碰 撞 到 汲 極 端 時 會 生 成 電 子 電 洞 對 ， 這 些 產 生 的 電 子 電 洞 對 有 些 會 受 到 閘 極 端 的 電 壓 吸 引 而 進 入 閘 極 氧 化 層 裡 而 變 成 陷 阱 電 荷 ， 但 大 多 數 會 受 到 汲 極 端 吸 引 而 產 生 汲 極 電 流 。

3 . 2 . 2 不 同 H C E 電 壓 實 驗 結 果

圖 3 - 2 - 5 - 1 ~ 圖 3 - 2 - 5 - 3 為 n 型 U T B B - F D S O I 其 寬 度 為 0 . 1 2 u m ， 長 度 為 1 u m 時 ， 在 不 同 H C E 電 壓 下 ， 每 2 0 分 鐘 量 測 一 次 ， 共 1 0 0 分 鐘 的 汲 極 電 流 對 閘 極 電 壓 關 係 圖 ， 能 發 現 其 圖 行 都 有 向 右 偏 移 的 趨 勢 ， 在 H C E 電 壓 為 1 . 8 V 時 ， 能 發 現 s t r e s s 前 後 的 次 臨 界 擺 幅 其 差 異 不 明 顯 ， 原 因 是 氧 化 層 裡 注 入 負 電 荷 使 得 臨 界 電 壓 上 升 ， 但 是 元 件 的 介 面 陷 阱 電 荷 還 沒 因 為 s t r e s s 而 增 加 ， 接 著 當 H C E 為 2 . 1 V 及 2 . 4 V 時 ， 能 發 現 兩 者 s t r e s s 前 後 的 次 臨 界 擺 幅 有 明 顯 的 增 加 ， 表 示 隨 著 H C E 電 壓 的 增 加 ， 不 只 氧 化 層 注 入 了 負 電 荷 使 臨 界 電 壓 上 升 ， 元 件 的 介 面 陷 阱 也 增 多 而 導 致 臨 界 電 壓 上 升 更 多 。

圖 3 - 2 - 5 - 4 ~ 圖 3 - 2 - 5 - 6 為 n 型 U T B B - F D S O I 其 寬 度 為 0 . 1 2 u m ， 長 度 為 1 u m 時 ， 在 不 同 H C E 電 壓 下 ， 每 2 0 分 鐘 量 測 一 次 ， 共 1 0 0 分 鐘 的 汲 極 電 流 對 汲 極 電 壓 關 係 圖 ， 能 發 現 經 過 s t r e s s 1 0 0 分 鐘 後 ， 三 種 不 同 H C E 電 壓 其 汲 極 電 流 都 有 退 化 的 情 形 ， 而 H C E 電 壓 越 大 的 汲 極 電 流 退 化 的 程 度 也 越 大 。

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圖 3 - 2 - 5 - 7 ~ 圖 3 - 2 - 5 - 9 為 n 型 U T B B - F D S O I 其 寬 度 為 0 . 1 2 u m ， 長 度 為 1 u m 時 ， 在 不 同 H C E 電 壓 下 ， 每 2 0 分 鐘 量 測 一 次 ， 共 1 0 0 分 鐘 的 轉 移 電 導 對 閘 極 電 壓 關 係 圖 ， 在 H C E 電 壓 為 1 . 8 V 時 ， 觀 察 其 轉 移 電 導 在 s t r e s s 後 退 化 程 度 不 明 顯 ， 表 示 目 前 只 受 到 氧 化 層 多 了 許 多 負 電 荷 而 使 臨 界 電 壓 上 升 ， 元 件 還 未 受 到 介 面 陷 阱 的 影 響 。 而 隨 的 H C E 電 壓 增 加 至 2 . 1 V 及 2 . 4 V ， 能 發 現 轉 移 電 導 的 退 化 變 得 非 常 明 顯 ， 這 是 因 為 元 件 的 介 面 受 到 破 壞 ， 使 得 介 面 陷 阱 電 荷 增 加 ， 讓 臨 界 電 壓 上 升 的 更 多 [ 1 0 ] [ 1 1 ] 。

圖 3 - 2 - 5 - 1 0 ~ 圖 3 - 2 - 5 - 1 2 為 在 不 同 H C E 電 壓 下 ， 每 2 0 分 鐘 汲 極 電 流 、 臨 界 電 壓 及 轉 移 電 導 的 變 化 量 ， 能 發 現 隨 著 時 間 的 增 加 ， 元 件 的 電 性 表 現 也 跟 著 退 化 ， 而 H C E 電 壓 越 大 ， 會 加 速 元 件 的 退 化 使 其 差 異 更 明 顯 。 圖 3 - 2 - 5 - 1 3 為 元 件 在 不 同 H C E 電 壓 下 汲 極 電 流 退 化 1 0 % 所 需 的 時 間 ， 經 由 圖 中 可 得 知 電 流 退 化 的 時 間 與 S t r e s s 電 壓 大 小 有 關 ， 電 壓 愈 大 ， 元 件 退 化 所 需 的 時 間 愈 短 。

第四章 結論與未來展望

4.1 結論

在 第 一 部 分 的 高 摻 雜 n 型 U T B B F D S O I 加 背 面 偏 壓 的 基 本 電 性 量 測 中 ， 我 們 得 知 ， 在 運 用 基 板 效 應 的 特 性 下 ， 不 管 元 件 或 大 或 小，我 們 都 能 藉 由 改 變 背 面 偏 壓 調 整 元 件 的 臨 界 電 壓 。 而 當 背 面 偏 壓 變 大 時 ， 就 會 出 現 因 著 降 低 元 件 的 臨 界 偏 壓 ， 進 而 提 高 驅 動 電 流 與 轉 移 電 導 ， 同 時 一 時 間 ， 元 件 的 次 臨 界 擺 幅 會 增 加 。 而 當 背 面 偏 壓 變 小 時 ， 會 因 為 元 件 的 臨 界 偏 壓 增 加 ， 驅 動 電 流 及 轉 移 電 導 會 因 此 下 降 ， 同 時 元 件

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的 次 臨 界 擺 幅 會 減 少。而 當 元 件 在 同 寬 不 同 長 度 下 量 測 元 件 的 基 本 電 性 ， 顯 示 長 度 越 小 的 元 件 ， 它 的 臨 界 電 壓 會 較 小 ， 次 臨 界 擺 幅 較 大 ， 驅 動 電 流 也 會 較 大 。

最 後 也 發 現 ， 在 n 型 的 U T B B F D S O I 加 背 面 偏 壓 的 基 本 電 性 量 測 中 ， 當 背 面 偏 壓 越 大 及 越 小 ， 元 件 的 轉 移 電 導 以 及 驅 動 電 流 ， 會 開 始 不 穩 定 。

在 第 二 部 分 中 ， 高 摻 雜 n 型 U T B B F D S O I 在 H C E 後 施 加 背 面 偏 壓 的 基 本 電 性 量 測 ， 發 現 元 件 在 H C E 後 的 基 本 電 性 退 化 程 度 與 施 加 背 面 偏 壓 的 基 本 電 性 變 化 程 度 有 關 。 最 後 在 不 同 H C E 電 壓 的 實 驗 下 ， 觀 察 到 隨 著 時 間 的 增 加 ， 熱 載 子 效 應 使 得 元 件 的 氧 化 層 產 生 缺 陷 ， 再 加 上 負 電 荷 注 入 缺 陷 中 造 成 臨 界 電 壓 上 升 ， 同 時 元 件 的 介 面 陷 阱 電 荷 也 因 為 閘 極 電 壓 的 上 升 而 增 加 ， 元 件 的 退 化 程 度 與 H C E 的 電 壓 與 時 間 有 關 ， 而 電 壓 越 大 ， 也 會 使 元 件 的 退 化 更 快 。

4.2 未來展望

目 前 超 大 型 積 體 電 路 中 的 先 進 元 件 中 ， 多 以 F i n F E T 或 F D - S O I 兩 種 為 主 ， 目 前 F i n F E T 產 出 的 尺 寸 已 來 到 7 n m， 而

目 前 超 大 型 積 體 電 路 中 的 先 進 元 件 中 ， 多 以 F i n F E T 或 F D - S O I 兩 種 為 主 ， 目 前 F i n F E T 產 出 的 尺 寸 已 來 到 7 n m， 而