超快速I(mǎi)V測試技術(shù)-半導體器件特性測試的變革

　　事實(shí)上吉時(shí)利有很多客戶(hù)在很久前就向我們提出了準確表征器件瞬態(tài)效應的要求，如同幻燈片所示，這些要求曾經(jīng)是讓客戶(hù)抓狂的事情，SMU可以給他們提供足夠的精度和方便的測試設定，但卻無(wú)法提供足夠的速度。正如之前提到的，SMU的量測都是在1毫秒以后完成的，而這里所列的事情在1毫秒以?xún)仍缫淹瓿?，也曾?jīng)有一些動(dòng)手能力很強的客戶(hù)，他們試著(zhù)用脈沖發(fā)生器和示波器搭建超快速I(mǎi)V量測系統，但這樣的系統往往連線(xiàn)非常復雜，而且往往得不到準確和可重復的數據。如果無(wú)法在實(shí)驗室里得到可重復的數據，又如何發(fā)表研究成果呢?

　　再深入看幾個(gè)實(shí)際的例子。這里所示的是一種SOI器件，我們知道MOS襯底是硅，SOI的襯底則是硅的氧化物。之所以用硅的氧化物作為襯底就是為了降低功耗，因為氧化硅的絕緣性比硅要好很多，從襯底流走的電流都會(huì )被二氧化硅所阻擋，但是SOI器件有一個(gè)副作用，在氧化硅阻擋電流的同時(shí)也阻擋了熱量的散發(fā)。柵極通常都是二氧化硅，如果襯底也是二氧化硅的話(huà)，就好像在熱天下面墊毛毯上面蓋棉被，而SOI工藝通常被用在高功率器件上，這樣功率大產(chǎn)生的熱量就更多。從圖上可以看到，用SMU測得的電流會(huì )有一個(gè)明顯下降的趨勢，這是由于器件發(fā)熱造成的。而用超快速I(mǎi)V量測就可以得到器件沒(méi)有發(fā)熱時(shí)的本身特性，通過(guò)這個(gè)方法，我們就能夠準確評估器件發(fā)了多少熱量，以及發(fā)熱對器件的影響到底有多大。

　　圖3 4225-PMU連接電路圖

　　另外一個(gè)例子是HIKI材料。柵極電容大小決定了柵極對溝道的控制能力，隨著(zhù)器件越做越小，簡(jiǎn)單的把柵極氧化層做得更薄已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，這個(gè)時(shí)候就需要引入HIKI材料。所謂HIKI通常指在硅的氧化物里再摻加一些別的元素，以提高材料的界電常數。但世界上沒(méi)有免費的午餐，引入HIKI材料固然提高了柵極的控制力，卻使得原來(lái)成熟的材料變得缺陷多多，載流子在運行的時(shí)候，就會(huì )被這些缺陷捕獲，這效應被稱(chēng)為電荷陷阱效應?？椿脽粲疫叺膬蓮垐D，給器件打2V的脈沖，在上升沿和下降沿分別測試IDS曲線(xiàn)，上面的圖兩條曲線(xiàn)幾乎重合，而下面的圖卻區別明顯，這是因為脈沖寬度不同。下面圖的脈沖寬度是5微秒，而正是5微秒的等待使一些載流在被捕獲到柵極內，使得器件的特性發(fā)生了很大的變化。

　　接下來(lái)的例子是和場(chǎng)效應管的可靠性有關(guān)的。目前發(fā)現的場(chǎng)效應管的可靠性問(wèn)題主要有兩個(gè)，一個(gè)是熱載流子GHCI，另一個(gè)是負偏壓高溫不穩定性MBTI。熱載流子是比較傳統的可靠性測試項目，而MBTI同它相比有一些獨特的地方，對MBTI效應來(lái)說(shuō)，只要把施加在器件上的應力祛除，器件的衰退就會(huì )發(fā)生迅速的恢復，恢復速度非?？觳⑶液蜏囟扔嘘P(guān)，在常溫下可以實(shí)現100%的恢復，如果測試的速度太慢，就無(wú)法準確表征MBTI效應。

　　PMU工作原理和基本操作方式

　　PMU是Pulse Measure Unit的簡(jiǎn)稱(chēng)，即脈沖測試單元，這是吉時(shí)利儀器2011年才推出的產(chǎn)品。PMU由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是插在4200主機箱里的4225PMU插卡，每塊PMU插卡有兩個(gè)完全獨立的通道;另外一個(gè)是遠端的測試附件4225RPM。

　　圖4 PMU連線(xiàn)方式

　　PMU架構

　　一塊PMU由兩個(gè)獨立的通道組成，每個(gè)通道由一個(gè)50MHz的脈沖發(fā)生器，一組采樣率為200M的測試單元和電壓測試單元組成，可以理解為一個(gè)50MHz的脈沖發(fā)生器帶一個(gè)電壓示波器和一個(gè)電流示波器。PMU有非常廣闊的電壓和電流的測試和輸出范圍，每個(gè)PMU通道都可以連接一個(gè)4225RPM以提高其測試的準確度。由于脈沖發(fā)生器和示波器都是內置的，就不需要復雜的連線(xiàn)了，而且吉時(shí)利獨到的設計保證了PMU在高速測量下依然能夠得到準確的數據，可以說(shuō)在速度和經(jīng)典之間找到了一個(gè)完美的平衡。

　　PRM可以用來(lái)提高PMU測試的準確度，它還有另外一個(gè)功能，可以用來(lái)做DCIV、IV和超快速I(mǎi)V之間的切換，在RPM上有一個(gè)多色的LED燈，分別用紅色、藍色和綠色代表CV、DCIV以及超快速I(mǎi)V。由于超快速I(mǎi)V本質(zhì)上是一種高頻測試，所以將PMU連接到線(xiàn)上的時(shí)候就需要注意高頻信號的保護，需要特別注意。由于一個(gè)半導體器件經(jīng)常需要進(jìn)行DCIV、CV及超快速I(mǎi)V三種量測，而這三種量測所需的連線(xiàn)各有不同，這需要用戶(hù)在這三種連線(xiàn)間進(jìn)行切換。在推出PMU的時(shí)候，吉時(shí)利就注意到了這個(gè)問(wèn)題，如圖右面所示，在RPM輸入端黑色的電線(xiàn)是SMU，紅色的電線(xiàn)是CVU，白色的電線(xiàn)是PMU，在RPM的輸出端是特別的藍色的多功能Cable，能夠同時(shí)為這三種測試服務(wù)。

　　圖5 4225-PMU三種工作模式

　　通過(guò)這樣的設置，客戶(hù)可以在一個(gè)測試的設定下依次完成DVIC、CV及超快速I(mǎi)V的量測而不需要更換連線(xiàn)。從圖中可以看到，4200SMU可以測得非常準，如果給4200SMU1秒鐘的時(shí)間，它能準確的測量出0.1fA的電流，但是4200SMU最快的測量也需要10毫秒才能完成。再看PMU，如果給PMU10毫秒，它能準確的測量到pA級別的電流，同時(shí)PMU也能夠在納秒的級別進(jìn)行量測，也即是說(shuō)PMU在速度和精度之間找到了最好的平衡點(diǎn)。

　　PMU的關(guān)鍵參數。PMU最大的電壓和電流分別是40V和0.8A，電流和電壓的精度分別是0.5%+800pA和0.25%+10mV，采樣率是每5ns量測一個(gè)點(diǎn)，PMU內部脈沖發(fā)生器可以產(chǎn)生50MHz的激勵信號，最小的脈沖寬度是20ns。