面向偏壓溫度不穩(wěn)定性分析的即時(shí)VTH 測(cè)量（一）

引言

在微縮CMOS和精密模擬CMOS技術(shù)中對(duì)偏壓溫度不穩(wěn)定性——負(fù)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(cè)和控制的需求不斷增加。 當(dāng)前NBTI1 的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)將“測(cè)量間歇期的NBTI恢復(fù)” 視為促進(jìn)可靠性研究人員不斷完善測(cè)試技術(shù)的關(guān)鍵。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)撤銷器件應(yīng)力時(shí)，這種性能的劣化就開(kāi)始“愈合”。這意味著慢間歇期測(cè)量得出的壽命預(yù)測(cè) 結(jié)果將過(guò)于樂(lè)觀。因此，劣化特性分析得越快，(劣 化)恢復(fù)對(duì)壽命預(yù)測(cè)的影響越小。此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示被測(cè)的劣化時(shí)間斜率(n)很大程度取決于測(cè)量時(shí) 延和測(cè)量速度。2 因此，為了最小化測(cè)量延時(shí)并提高 測(cè)量速度開(kāi)發(fā)了幾種測(cè)量技術(shù)。

什么是BTI?

偏壓溫度不穩(wěn)定性(BTI)指當(dāng)MOS FET受溫度應(yīng) 力影響時(shí)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(lái)測(cè)試FET。 隨時(shí)間推延，VTH 將增大。對(duì)于邏輯器件和存儲(chǔ)器件等 應(yīng)用而言，VTH 出現(xiàn)10%的偏移就會(huì)使電路失效。對(duì)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(huì) 使電路失效。影響FET匹配的許多工藝偏差可以通過(guò) 增大晶體管面積來(lái)緩和，剩下的限制因素是BTI。

即時(shí)(OTF)法

Denais等人3 提出了一種用VTH 偏移相關(guān)的間接測(cè)量將間歇期測(cè)量的恢復(fù)減至最小的方法。間歇期測(cè)量 序列通過(guò)僅3次測(cè)量縮短“無(wú)應(yīng)力”時(shí)間，如圖1所示。 這種方法幾乎能用任何一種參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，只是 實(shí)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(shí)間和儀器內(nèi)部速度;因此在測(cè)量過(guò)程中器件仍會(huì)保持將近100ms的無(wú)應(yīng)力時(shí) 間。這些局限性不便于觀測(cè)在時(shí)間極限(約100ms) 內(nèi)劣化和恢復(fù)的情況。吉時(shí)利2600系列源表獨(dú)特的架 構(gòu)能在約2ms的時(shí)間內(nèi)完成Denais的OTF間歇期測(cè)量并使測(cè)試結(jié)構(gòu)回至應(yīng)力狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(cè)工藝引起的BTI 偏移。這里的每一種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。本應(yīng)用筆記將探討 BTI應(yīng)用實(shí)際實(shí)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(cè)量

實(shí)現(xiàn)OTF技術(shù)的關(guān)鍵要素是采用高速源測(cè)量單元或SMU。

高速SMU具有許多關(guān)鍵性能：

• 連續(xù)測(cè)量速度快，連續(xù)測(cè)量的間隔小于100μs。

• 微秒分辨率時(shí)間戳確保正確的定時(shí)分析。

• 精密電壓源滿足漏極小偏壓的要求。

• 源快速建立實(shí)現(xiàn)了源-測(cè)量最高速度。

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