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面向偏压温度不稳定性分析的即时VTH 测量
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引言
在微缩 CMOS和精密模拟CMOS技术中对偏压温度不稳定性——负偏压温度不稳定性（NBTI）和正偏压温 度不稳定性（PBTI）——监测和控制的需求不断增加。 当前NBTI1 的JEDEC标准将“测量间歇期的NBTI恢复” 视为促进可靠性研究人员不断完善测试技术的关键。 简单来说，当撤销器件应力时，这种性能的劣化就开始“愈合”。这意味着慢间歇期测量得出的寿命预测 结果将过于乐观。因此，劣化特性分析得越快，（劣 化）恢复对寿命预测的影响越小。此外，实验数据显示被测的劣化时间斜率（n）很大程度取决于测量时 延和测量速度。2 因此，为了最小化测量延时并提高 测量速度开发了几种测量技术。
什么是BTI？
偏压温度不稳定性（BTI）指当MOS FET受温度应 力影响时阈值电压（VTH）不稳定的现象。通常在125℃、 漏极和源极接地的条件下，升高栅极电压来测试FET。 随时间推延，VTH 将增大。对于逻辑器件和存储器件等 应用而言，VTH 出现10%的偏移就会使电路失效。对于匹配双晶体管等模拟应用而言，出现更小的偏移就会 使电路失效。影响FET匹配的许多工艺偏差可以通过 增大晶体管面积来缓和，剩下的限制因素是BTI。
即时（OTF）法
Denais等人3 提出了一种用VTH 偏移相关的间接测量将间歇期测量的恢复减至最小的方法。间歇期测量 序列通过仅3次测量缩短“无应力”时间，如图1所示。 这种方法几乎能用任何一种参数测量系统实现，只是 实现的程度有所不同。但大多数GPIB控制的仪器都缺 乏灵活性并受限于GPIB通信时间和仪器内部速度；因此在测量过程中器件仍会保持将近100ms的无应力时 间。这些局限性不便于观测在时间极限（约100ms） 内劣化和恢复的情况。吉时利2600系列源表独特的架 构能在约2ms的时间内完成Denais的OTF间歇期测量并使测试结构回至应力状态。
经过一段时间，形成、提出了Denais理念的各种变化 形式，甚至将其应用于常规使用中以监测工艺引起的BTI 偏移。这里的每一种方法都有优缺点。本应用笔记将探讨 BTI应用实际实现有关的仪器要求，并且将检查用于劣化 和恢复分析的几种方法。
仅监测ID的OTF方法
一种常用的OTF方法是仅监测漏极电流。这种方法在漏极施加小偏压（通常为25～100mV）并连续进行漏极电 流测量，如图1所示。在此方法中，连续的采样速率非常 关键。用2600系列源表能实现90μs连续采样间隔以及能 存储多达50,000数据点的仪器缓冲区。
这种方法的一个重要优点是，在撤销应力后可以在很 短时间内采集到BTI恢复动态的机制，如图2右部所示。已 经发现，恢复动态比劣化动态对于工艺偏差表现出更大的 易变性和敏感性。
即时单点法
此方法非常类似于仅监测ID 的方法，区别是在线性 区域测量ID。这里的关键是通过缩短测量时间最大程度 减小劣化恢复时间。使用吉时利2600系列源表可以实现仅约200μs的栅极电压中断。 [p]
即时VTH 法 一些研究人员可能注意到许多OTF方法采用了与关注 参数关系甚远的间接VTH 测量技术。例如，间歇期测量仅 监测ID不能很好地观察VTH 实际偏移，因为其它参数偏移 （例如界面态劣化造成的移动性劣化）也可能影响ID，这 与VTH 影响的ID 无关。 OTF VTH 法只是将Denais OTF方法中的3次测 量替换为以gm-max 为中心的一些扫描点，如图4所示。取决于 测试系统的噪底、源建立速度和测量积分速度，这样提取 的VTH 潜在地要比仅从3个测量点外插得到的VTH 准确。 实现 本应用笔记介绍的测量已用2600系列源表实现过。一 台带有双4象限源-测量单元和嵌入式脚本处理器的2612能 独立执行完整的BTI特性分析。除了本文介绍的例子外， 2612还能进行更复杂的测试，例如Parthasarathy等人提出 的“IV OTF偏压模式”。4 2600系列仪器嵌入的测试脚本语言能灵活地实现上述复杂测试。而且，吉时利提供的免费 测试脚本实例能加速用户集成方案的开发。 通道扩展 2600系列源表的架构针对可扩展性进行了优化。在实 验室或生产环境中，可扩展性简化了多通道并行系统的构 建和快速NBTI测试的执行。欲获知系统扩展指南，请参见 名为“Meeting New Challenges in Wafer Level Reliabi -lity Testing using Source-Measure Units (SMUs)[用源-测量单元（SMU）迎接晶圆级可靠性测试新挑战]”的在 线归档指南。可从吉时利网站下载该指南www.keithley. com/events/semconfs/webseminars，并在www.keithley. com获取其它信息资源。 4 定制系统 吉时利能将多台2600系列仪器集成为完整的BTI测试方案。当结合4200-SCS和脉冲I-V选 件（4200-PIV）使用时，这些方案能对偏压温 度不稳定性机制实现前所未有的深入观测。提供的全自动晶匣级晶圆自动化功能能采集统计 意义上极大规模的样品。 高速源和测量 实现OTF技术的关键要素是采用高速源测量单元或SMU。 高速SMU具有许多关键性能： • 连续测量速度快，连续测量的间隔小于100μs。 • 微秒分辨率时间戳确保正确的定时分析。 • 精密电压源满足漏极小偏压的要求。 • 源快速建立实现了源-测量最高速度。 • 大数据缓冲区确保连续监测器件的劣化和恢复。
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