電荷幫浦(Charge Pumping)

另一種研究電晶體界面狀態的方法大約在 1969 年就由 Bruglar 和 Jespers 兩位先生 所提出[35]，最主要是根據電子電洞在表面的復合過程去針對界面陷阱所做的量測。在 提出電荷幫浦(Charge Pumping)這項技術的當時，正值是利用電晶體做開關應用的發展 階段，Bruglar 和 Jespers 兩位學者還發現若在閘極處給予一連續的脈衝下，在矽基板將 會有一淨電荷流動，研究結果認為此一電流是來自於界面陷阱上的少數載子和來自矽基 底的多數載子複合所引起的[36]。

5.3.1 電荷幫浦(Charge Pumping) 基本原理

基本上電荷幫浦技術是一種電性上的量測方式來對界面陷阱做數量極電性上的評估。由 於是以電性的方式做量測，因此電子電洞在SiO2/Si界面陷阱的捕捉及複合行為必定是 一個值得探討的主題。就一顆製程技術成熟的電晶體而言，矽基板內部缺陷數目相當的 低，以致於大部分的缺陷電流是來自於界面陷阱所引起的。其運作原理為施加一連續的 脈衝電壓(pulse voltage)於MOSFET的閘極端，並將汲極和源極接地，另外在基板外接一 電流表。我們將這一連續的脈衝電壓的最低準位設在平帶電壓(VFB)之下，而將峰值電 壓(VPEAK)設定在電晶體臨界電壓(VT)之上，由示意圖5-3-1-1、圖5-3-1-2我們可以發現到 電晶體矽表面能位變化是從累積(Accumulation)的狀態變化到反轉(Inversion)的狀態，然 後再回到累積(Accumulation)的狀態，如此剛好是一個脈衝週期循環。

當閘極脈衝電壓從低準位慢慢上升至高準位時，在閘極底部表面能位會有一個過渡 性的變化，也就是從累積狀態逐漸變為反轉狀態，造成電洞被推離通道表面並由矽基底 流出，而電子則會從源極和汲極流進通道表面形成反轉層，在這一整個過程會有一暫態

電流I1產生。反之，當閘極電壓從高準位慢慢下降至低準位時，在通道表面則會從反轉 狀態變化為累積狀態，迫使在通道上的電子流回到源極和汲極，而電洞也將再一次的從 矽基底流到通道表面來，在這一整個過程也會另有一I2產生。

如果說在氧化層與矽基板之界面處沒有任何的陷阱，而載子的速度又可以跟的上脈 衝信號的速度，那麼在這一整個脈衝週期內則不會有淨電流的產生，因為此時I1將會等 於I2；反之，若此界面處有陷阱的存在，那麼將會引起一連串的表面複合現象的發生，

則基板將會有某種程度的電流出現。

5.3.2 電荷幫浦(Charge Pumping) 量測方式與設定

一 般 而 言 ， 電 荷 幫 浦 量 測 方 法 有 三 種 ， 分 別 為 ：(1) 固 定 振 幅 (Fixed Amplitude)的 方 式；此 方 法 為 改 變 基 底 電 位 並 保 持 脈 衝 振 幅 固 定，使 元 件 從 反 轉 狀 態 慢 慢 變 成 聚 積 狀 態 ， 藉 此 來 獲 得 汲 引 電 流 。(2)固 定 基 底 電 位 (Fixed Base)的 方 式 ： 藉 著 固 定 脈 衝 電 壓 的 基 底 電 位 ， 讓 矽 基 板 表 面 維 持 在 積 聚 狀 態 ， 並 且 慢 慢 增 加 脈 衝 振 幅 ， 迫 使 矽 基 板 表 面 漸 漸 變 成 反 轉 狀 態 ， 藉 此 獲 得 汲 引 電 流 。(3)固 定 峰 值 電 位 (Fixed Peak)的 方 式 ： 此 方 式 與 固 定 基 底 電 位 的 方 式 類 似 ， 藉 由 固 定 脈 衝 電 壓 的 峰 值 電 位 使 得 矽 基 板 表 面 維 持 在 反 轉 狀 態 ， 並 改 變 脈 衝 振 幅 ， 迫 使 矽 基 板 表 面 慢 慢 轉 變 成 聚 積 狀 態 ， 藉 此 獲 得 汲 引 電 流 。

此 外 ， 電 荷 幫 浦 量 測 元 件 的 接 法 也 有 二 種 方 式 ， 一 種 為 雙 端 電 荷 汲 引 的 方 式 ， 另 一 種 為 單 端 電 荷 汲 引 的 方 式 。 雙 端 電 荷 汲 引 是 將 元 件 之 源 極 與 汲 極 均 接 地 ， 將 脈 衝 電 壓 由 閘 極 注 入 ， 並 在 基 極 接 上 電 流 表 ， 利 用 基 極 汲 引 電 流 即 可 獲 得 整 個 通 道 界 面 陷 阱 密 度 。 而 單 端 電 荷 汲 引 的 方 式

則 是 將 源 極 端 浮 接 ， 而 基 極 端 接 地 ， 脈 衝 電 壓 由 閘 極 注 入 ， 並 從 汲 極 端 量 測 汲 引 電 流 ， 藉 此 獲 得 整 個 通 道 界 面 陷 阱 密 度 。

我 們 利 用 H P - 8 1 1 1 0 A 脈 衝 產 生 器 來 產 生 1 M H z 之 連 續 脈 衝 電 壓 ， 並 將 之 施 加 於 M O S F E T 閘 極 端 ， 固 定 振 幅 在 1 V ， 而 上 升 時 間 ( R i s i n g T i m e ) 與 下 降 時 間 (Falling Time) 均 設 為 10nsec ， 並 採 用 雙 端 電 荷 汲 引 的 方 式 以 獲 得 整 個 通 道 界 面 陷 阱 密 度 。

5.3.3 量測結果

本 章 節 透 過 電 荷 幫 浦(Charge Pumping) 電 荷 汲 引 的 方 式 來 量 測 在 不 同SOI 厚 度 下 對 元 件 所 產 生 的 界 面 缺 陷 進 行 探 討 。 由 圖 5-3-3-1 可 見 SOI 等 於900Å時 的 氧 化 層 與 矽 基 板 之 界 面 有 造 成 較 高 的 電 荷 汲 引 電 流 (IC P) ， 另 外 我 們 將 之 代 入 下 式 ：

G

ICP

Nit=qA f

...

將 電 荷 汲 引 電 流 換 算 為 界 面 缺 陷 數 量，其 中 q為 基 本 電 荷 而 AG為 元 件 之 閘 極 面 積 ， f 為 頻 率 ， 其 Nit 換 算 結 果 可 見 圖 5-3-3-2， 而 Charge Pumping量 測 結 果 與 上 述Flicker noise所 量 測 得 到 的 結 果 能 相 互 印 證 。

第六章 結論與未來展望