面向偏壓溫度不穩定性分析的即時(shí)VTH 測量（一）

引言

在微縮CMOS和精密模擬CMOS技術(shù)中對偏壓溫度不穩定性——負偏壓溫度不穩定性(NBTI)和正偏壓溫 度不穩定性(PBTI)——監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” 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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當撤銷(xiāo)器件應力時(shí)，這種性能的劣化就開(kāi)始“愈合”。這意味著(zhù)慢間歇期測量得出的壽命預測 結果將過(guò)于樂(lè )觀(guān)。因此，劣化特性分析得越快，(劣 化)恢復對壽命預測的影響越小。此外，實(shí)驗數據顯示被測的劣化時(shí)間斜率(n)很大程度取決于測量時(shí) 延和測量速度。2 因此，為了最小化測量延時(shí)并提高 測量速度開(kāi)發(fā)了幾種測量技術(shù)。

什么是BTI?

偏壓溫度不穩定性(BTI)指當MOS FET受溫度應 力影響時(shí)閾值電壓(VTH)不穩定的現象。通常在125℃、 漏極和源極接地的條件下，升高柵極電壓來(lái)測試FET。 隨時(shí)間推延，VTH 將增大。對于邏輯器件和存儲器件等 應用而言，VTH 出現10%的偏移就會(huì )使電路失效。對于匹配雙晶體管等模擬應用而言，出現更小的偏移就會(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)的間接測量將間歇期測量的恢復減至最小的方法。間歇期測量 序列通過(guò)僅3次測量縮短“無(wú)應力”時(shí)間，如圖1所示。 這種方法幾乎能用任何一種參數測量系統實(shí)現，只是 實(shí)現的程度有所不同。但大多數GPIB控制的儀器都缺 乏靈活性并受限于GPIB通信時(shí)間和儀器內部速度;因此在測量過(guò)程中器件仍會(huì )保持將近100ms的無(wú)應力時(shí) 間。這些局限性不便于觀(guān)測在時(shí)間極限(約100ms) 內劣化和恢復的情況。吉時(shí)利2600系列源表獨特的架 構能在約2ms的時(shí)間內完成Denais的OTF間歇期測量并使測試結構回至應力狀態(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，甚至將其應用于常規使用中以監測工藝引起的BTI 偏移。這里的每一種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。本應用筆記將探討 BTI應用實(shí)際實(shí)現有關(guān)的儀器要求，并且將檢查用于劣化 和恢復分析的幾種方法。

高速源和測量

實(shí)現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：

• 連續測量速度快，連續測量的間隔小于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(mǎn)足漏極小偏壓的要求。

• 源快速建立實(shí)現了源-測量最高速度。

• 大數據緩沖區確保連續監測器件的劣化和恢復。