面向偏壓溫度不穩(wěn)定性分析的即時VTH 測量（一）

引言

在微縮CMOS和精密模擬CMOS技術(shù)中對偏壓溫度不穩(wěn)定性——負偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)和正偏壓溫 度不穩(wěn)定性(PBTI)——監(jiān)測和控制的需求不斷增加。 當前NBTI1 的JEDEC標準將“測量間歇期的NBTI恢復(fù)” 視為促進可靠性研究人員不斷完善測試技術(shù)的關(guān)鍵。 簡單來說，當撤銷器件應(yīng)力時，這種性能的劣化就開始“愈合”。這意味著慢間歇期測量得出的壽命預(yù)測 結(jié)果將過于樂觀。因此，劣化特性分析得越快，(劣 化)恢復(fù)對壽命預(yù)測的影響越小。此外，實驗數(shù)據(jù)顯示被測的劣化時間斜率(n)很大程度取決于測量時 延和測量速度。2 因此，為了最小化測量延時并提高 測量速度開發(fā)了幾種測量技術(shù)。

什么是BTI?

偏壓溫度不穩(wěn)定性(BTI)指當MOS FET受溫度應(yīng) 力影響時閾值電壓(VTH)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。通常在125℃、 漏極和源極接地的條件下，升高柵極電壓來測試FET。 隨時間推延，VTH 將增大。對于邏輯器件和存儲器件等 應(yīng)用而言，VTH 出現(xiàn)10%的偏移就會使電路失效。對于匹配雙晶體管等模擬應(yīng)用而言，出現(xiàn)更小的偏移就會 使電路失效。影響FET匹配的許多工藝偏差可以通過 增大晶體管面積來緩和，剩下的限制因素是BTI。

即時(OTF)法

Denais等人3 提出了一種用VTH 偏移相關(guān)的間接測量將間歇期測量的恢復(fù)減至最小的方法。間歇期測量 序列通過僅3次測量縮短“無應(yīng)力”時間，如圖1所示。 這種方法幾乎能用任何一種參數(shù)測量系統(tǒng)實現(xiàn)，只是 實現(xiàn)的程度有所不同。但大多數(shù)GPIB控制的儀器都缺 乏靈活性并受限于GPIB通信時間和儀器內(nèi)部速度;因此在測量過程中器件仍會保持將近100ms的無應(yīng)力時 間。這些局限性不便于觀測在時間極限(約100ms) 內(nèi)劣化和恢復(fù)的情況。吉時利2600系列源表獨特的架 構(gòu)能在約2ms的時間內(nèi)完成Denais的OTF間歇期測量并使測試結(jié)構(gòu)回至應(yīng)力狀態(tài)。

經(jīng)過一段時間，形成、提出了Denais理念的各種變化 形式，甚至將其應(yīng)用于常規(guī)使用中以監(jiān)測工藝引起的BTI 偏移。這里的每一種方法都有優(yōu)缺點。本應(yīng)用筆記將探討 BTI應(yīng)用實際實現(xiàn)有關(guān)的儀器要求，并且將檢查用于劣化 和恢復(fù)分析的幾種方法。

高速源和測量

實現(xiàn)OTF技術(shù)的關(guān)鍵要素是采用高速源測量單元或SMU。

高速SMU具有許多關(guān)鍵性能：

• 連續(xù)測量速度快，連續(xù)測量的間隔小于100μs。

• 微秒分辨率時間戳確保正確的定時分析。

• 精密電壓源滿足漏極小偏壓的要求。

• 源快速建立實現(xiàn)了源-測量最高速度。

• 大數(shù)據(jù)緩沖區(qū)確保連續(xù)監(jiān)測器件的劣化和恢復(fù)。