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利用深度反转层反馈晶体管直接测量场效应管阈值电压
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Direct Measurement of Threshold Voltages of Field
Transistor Using Transistors with Feedback of Deep Inversion
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■Zalink公司John Ellis
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传统上，采用多晶硅栅极的场效应管利用场区LOCOS边缘的重叠来连接在薄的栅氧化区（图1）制造的N+型或P+型源极区和漏极区。由于深亚微米工艺发展使得栅极氧化区的厚度仅有7nm或更薄，而凹形衬底又是高度掺杂的，因此场阈值（25伏或更高）变得比栅极氧化区的击穿电压（15伏或更低）还要高。为了可在薄的栅极氧化层不被击穿的情况下测量场效应管阈值电压，这儿提出了一种新的结构。其中多晶佳栅极限制在薄氧化区，但通过一个金属栅极产生的场感应沟道连接源区和漏区（图2）。这一器件是一个金属栅和多晶硅栅极复合晶体管。在场区表面形成的沟道只有在多晶硅栅极和金属栅极同时处于两个区的阈值电压以上时才是导通的。通过将两种栅极连接到适当的电源，就可以直接确定多晶硅栅区和金属栅区的场阈值电压。
器件测量
如图3所示，测量用的场效应管多晶硅栅极宽度为4微米（与沟道长度对应），金属栅极宽度也为4微米，沟道宽度为20微米。有两种测量阈值的方法：第一种方法是将一个栅极设置为固定的高电压偏置，然后调节另一个栅极电压；第二种方法是调节第二栅极的电压使得它与被测试栅极上的电压维持在一个固定的电压差值。由于我们测试中使用的HP4156测试仪电压限制为100V，因此我们使用的是第一种方法。因此，如图4所示，为了测量多晶硅栅区的电压阈值，就将金属栅极连接到+100V，然后在保持源极电压为100mV的情况下，调节多晶硅栅极电压，直到100V。阈值电压可按照标准的方法从最陡的线与1:V曲线的投影确定。这样做的优点是非常简单，并且仅要求两个场阈值都低于电源电压。但这样做的一个缺点是金属场效应管起到限流的作用，只有在金属场效应管设定的限制以内才能获得正常的晶体管特性。交换多晶硅和金属栅极，将多晶硅栅极连接到100V，然后调节金属栅极电压，直到100V。由于多晶硅栅极与输出耦合在一起，因此可在更宽的电流范围内获得正常的晶体管特性。
测量结果
在Vd=0.1V和Vg2=100V，Vg1从0调节至100V时的典型晶体管参数示于图5，其中（a）NMOS、g1=多晶硅栅极；（b）NMOS、g1=金属栅极；（c）PMOS、g1=多晶硅栅极；（d）PMOS、g1=金属栅极。每种情况下，g2对应的都是另外一个栅极，对于PMOS器件，极性是反的。金属区的阈值为95V，而多晶硅的阈值为22V(N)和-20V(P)。
分析
尽管阈值电压可相对容易地确定，但沟道转移特性或每个晶体管的增益则必须进行更为仔细的计算才能得到。利用双晶体管的经典MOSFET方程，结合低漏极电压条件，并假设体效应和漏极电压影响很小（虽然对于场效应管的体效应可能并不可忽略。），则复合漏极电流与栅极电压的关系可表示为：
ld={ _{1} _{2} C_{OX1} C_{OX2}(V_{g1}-V_{t1})(V_{g2}-V_{t2})({W_{1}}\over{L_{1}})({W_{2}}\over{L_{2}})}\over{
_{1} C_{OX1}(V_{g1}-V_{t1})({W_{1}}\over{L_{1}})+ _{2} C_{OX2}(V_{g2}-V_{V_{t2}})({W_{2}}\over{L_{2}})}
V_{d}
可以利用逐次逼近的迭代法解这一方程得到转移特性。由于沟道宽度是一个常数（在一阶意义下），可从分子和分母同时消去，而沟道长度则采用图中最初给出的数据（L多晶硅=4微米和L金属=8微米）。阈值如前所述得出，但经过迭代可得到更好的一组阈值。我们假设氧化层厚度也是可从工艺信息中获得的。不同的转移特性项允许从栅极偏置电压中求出不同的递降效应，
_{X}={ _{0}}\over{1+ (V_{gx}-V_{tx})}
其中，取0为针对特定技术的常数，x表示多晶硅或金属栅极。更好的解决方案是通过使一个栅极偏置在比另一个栅极高固定电压值的更高电压上进行测量，然而再交换两相栅极进行测量。但如果测量工具限制测量电压为100V，正如我们的情况一样，就无法做到这一点，但利用容许电压范围更宽的测试仪器，则可以相对容易地解出晶体管增益。对于所评估的0.35微米COMS技术，测试仪器所需要的额外电压范围也仅有20V左右。
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