面向偏壓溫度不穩(wěn)定性分析的即時VTH 測量
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引言
本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/201702/338582.htm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(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)測和控制的需求不斷增加。 當(dāng)前NBTI1 的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)將“測量間歇期的NBTI恢復(fù)” 視為促進(jìn)可靠性研究人員不斷完善測試技術(shù)的關(guān)鍵。 簡單來說，當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(dāng)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(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(dú)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(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。
僅監(jiān)測ID的OTF方法
一種常用的OTF方法是僅監(jiān)測漏極電流。這種方法在漏極施加小偏壓（通常為25～100mV）并連續(xù)進(jìn)行漏極電 流測量，如圖1所示。在此方法中，連續(xù)的采樣速率非常 關(guān)鍵。用2600系列源表能實(shí)現(xiàn)90μs連續(xù)采樣間隔以及能 存儲多達(dá)50,000數(shù)據(jù)點(diǎn)的儀器緩沖區(qū)。
這種方法的一個重要優(yōu)點(diǎn)是，在撤銷應(yīng)力后可以在很 短時間內(nèi)采集到BTI恢復(fù)動態(tài)的機(jī)制，如圖2右部所示。已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)動態(tài)比劣化動態(tài)對于工藝偏差表現(xiàn)出更大的 易變性和敏感性。
即時單點(diǎn)法
此方法非常類似于僅監(jiān)測ID 的方法，區(qū)別是在線性 區(qū)域測量ID。這里的關(guān)鍵是通過縮短測量時間最大程度 減小劣化恢復(fù)時間。使用吉時利2600系列源表可以實(shí)現(xiàn)僅約200μs的柵極電壓中斷。
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