原创 如何测量运行中的阈值电压

BTI特征分析正逐渐成为半导体设计与制造中的一个关键测试项目。Denais等人曾介绍过一种方法，通过采用一种原本与VTH漂移相关的间接测量方法将测量间歇期间的恢复减至最小。间歇式测量通过只用三项测量来减少“无应力（off-stress）”时间。几乎所有的参数测量系统都支持这种技术。但是，大多数GPIB控制的仪器都缺乏灵活性，并且受限于GPIB通信时间和仪器的内部速度。因此，器件在测量过程中仍会保持将近100ms的无应力时间。这些局限性会妨碍我们监测这100ms时间限制内的退化和恢复情况。

实现OTF技术最关键的要素是采用高速源测量单元，即SMU。这种高速SMU提供了多种重要功能。可能其中最重要的是快速连续测量速率，连续两次测量之间的时间间隔小于100μs，这样就能够限制BTI效应。快速的源稳定时间也实现了最大的源测量速度，并且提高了测量产能。另外一个关键功能是微秒级分辨率的时标。这确保我们能够进行正确的时序分析，有助于提高精度。采用精密电压源能够满足低漏极偏压的需要，也有助于实现精确的测量。最后，采用大数据缓冲有助于确保连续监测器件退化和恢复情况。

常用的OTF技术
一种常用的OTF技术是只监测漏极电流，有时也称为唯ID技术。它在漏极上提供大小为25-100mV的小幅偏压，并连续测量漏极电流。这里，连续的采样速率是关键。
这种技术的一个优势是，在撤销应力后可以在很短的时间内捕捉到BTI机理的恢复动力（recovery dynamics）。实验表明恢复动力相比退化动力对工艺偏差表现出更大的可变性和灵活性。
另外一种是OTF单点技术。它与唯ID技术十分类似，只是在线性区间内测量ID。这里的关键是通过缩短测量时间最大限度减小退化恢复时间。
某些研究人员可能关心的是很多OTF技术采用与所关注参数关联度太远的间接VTH测量技术。例如，将仅监测ID作为过渡性测量可能无法充分剖析实际的VTH漂移，因为其他一些参数漂移，例如由于界面态下降导致迁移率下降，可能由于VTH的变化而影响与此相关的ID。

测试仪器解决方案
有很多种SMU测试仪可以用于实现各种BTI测量，它们各有优势。要获得更佳的BTI测量效果需要满足几个关键特征，包括源电压转换速率、信号源稳定时间、测量速度、测量可重复性以及测试序列的时间可重复性。
较早的SMU仪器往往需要几十毫秒才能提供一个新的定点电压，稳定到可接受的电平，进行精确的测量。这些SMU对于BTI测量而言作用十分有限。更先进的SMU能够在几百微秒内完成一个源-延迟-测量周期，比较早的设备快两个数量级。要想获得最好的结果，最好的SMU架构能够在多个通道上执行任意长度的源-延迟-测量周期而不会出现速度下降的问题。此外更为重要的是，即使在并行测试架构下每个器件都可以保持SMU时序。
这里所介绍的测量操作可以采用吉时利2600系列数字源表来实现。采用一台2612结合两个四象限源测量单元和一个嵌入式测试脚本处理器（TSP），就可以独立实现完整的BTI特征分析。
吉时利2600系列数字源表独特的架构能够在大约2ms之内完成Denais OTF过渡性测量并将测试结构恢复到应力条件。2600系统还具有90μs的连续采样间隔，最多可在仪器缓存中保存50000个数据点。此外，2600系列能够实现大约200μs的短时栅压中断。