超快速I(mǎi)V測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介-半導(dǎo)體器件特性測(cè)試的變革

超快速I(mǎi)V測(cè)量技術(shù)是過(guò)去十年里吉時(shí)利推出的最具變革性的方法和儀器，吉時(shí)利一直以其高精度高品質(zhì)的SMU即原測(cè)試單元而著稱(chēng)，吉時(shí)利的原測(cè)試單元在過(guò)去的三十年里一直被當(dāng)做直流伏安測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，一些著名的產(chǎn)品例如236、237、240、2600、4200都被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光電、光伏、納米材料等行業(yè)，如2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者所研究的石墨硒就是使用吉時(shí)利的原測(cè)試單元進(jìn)行量測(cè)的。

　　隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家和工程師發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的器件具有瞬態(tài)效應(yīng)，例如功率的瞬態(tài)效應(yīng)會(huì)在1微秒內(nèi)完成，這些瞬態(tài)效應(yīng)往往瞬態(tài)即逝，難以捕捉。為了研究這些效應(yīng)就需要SMU具有更快的測(cè)量速度，但是由于SMU在設(shè)計(jì)上的一些局限性，使得SMU無(wú)法提供非常快速的量測(cè)，于是基于超快速I(mǎi)V量測(cè)技術(shù)的PMU就應(yīng)運(yùn)而生。這里將介紹測(cè)試單元PUM和超快速I(mǎi)V量測(cè)技術(shù)給半導(dǎo)體器件特性分析帶來(lái)的革命性的變化。

　　圖1 量測(cè)技術(shù)時(shí)間精度對(duì)比

　　使用超快速I(mǎi)V量測(cè)的目的

　　SMU即原測(cè)試單元由四個(gè)部分組成：電壓源、電流源、電壓表和電流表，SMU可以輸出電壓測(cè)量電流，也可以輸出電流測(cè)量電壓。需要強(qiáng)調(diào)的是，SMU內(nèi)部集成的四個(gè)儀表都是直流的高精度儀表，吉時(shí)利最高精度的SMU可以分辨0.01fA的電流和1µV的電壓。為了得到如此高的測(cè)量精度，SMU使用的AV轉(zhuǎn)換是積分模式的，如果您使用過(guò)SMU，您一定知道SMU是需要積分概念的，積分時(shí)間的單位是PLC，一個(gè)PLC等于20個(gè)毫秒，要得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，就需要在至少一個(gè)PLC內(nèi)做積分，這樣看來(lái)SMU是一個(gè)測(cè)得準(zhǔn)但測(cè)得很慢的儀器。

　　另外一種使用AD轉(zhuǎn)換模式的儀器是數(shù)字示波器。數(shù)字示波器使用的AD轉(zhuǎn)換是差分模式，這種模式可以提供非常高的測(cè)量速度，但相對(duì)于SMU，示波器的測(cè)量精度就慘不忍睹，事實(shí)上多數(shù)示波器只能測(cè)量電壓，而電壓的測(cè)量能準(zhǔn)確到一個(gè)毫伏就很好了。如果用示波器來(lái)測(cè)量電流通常有兩種方式，一個(gè)是使用電流探頭，另外一個(gè)是測(cè)量已知組織電阻兩端的電壓，這兩種方法都不能得到準(zhǔn)確的電流測(cè)量，而且連線(xiàn)也特別復(fù)雜。示波器在設(shè)計(jì)之初就沒(méi)有為精確的IV量測(cè)提供服務(wù)。

　　從另外一個(gè)角度來(lái)看待這個(gè)問(wèn)題，精度和速度就像魚(yú)和熊掌永遠(yuǎn)不可兼得，精度需要犧牲速度來(lái)?yè)Q取，反之亦然。另外，如果使用示波器來(lái)測(cè)量前面提到的器件的瞬態(tài)效應(yīng)還有另外一個(gè)問(wèn)題，示波器沒(méi)有內(nèi)部的信號(hào)機(jī)理，脈沖發(fā)生器就是用來(lái)提供高速率的信號(hào)機(jī)理的，但是脈沖發(fā)生器只能提供信號(hào)機(jī)理，而不能進(jìn)行信號(hào)的測(cè)試，只有把脈沖發(fā)生器和示波器做在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)SMU能實(shí)現(xiàn)的量測(cè)。

圖2 4225-PM超快速測(cè)量模塊

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(zhǔn)確表征器件瞬態(tài)效應(yīng)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(cè)試設(shè)定，但卻無(wú)法提供足夠的速度。正如之前提到的，SMU的量測(cè)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)?nèi)早已完成，也曾經(jīng)有一些動(dòng)手能力很強(qiáng)的客戶(hù)，他們?cè)囍妹}沖發(fā)生器和示波器搭建超快速I(mǎi)V量測(cè)系統(tǒng)，但這樣的系統(tǒng)往往連線(xiàn)非常復(fù)雜，而且往往得不到準(zhǔn)確和可重復(fù)的數(shù)據(jù)。如果無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室里得到可重復(fù)的數(shù)據(jù)，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?yàn)檠趸璧慕^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(cè)得的電流會(huì)有一個(gè)明顯下降的趨勢(shì)，這是由于器件發(fā)熱造成的。而用超快速I(mǎi)V量測(cè)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(zhǔn)確評(píng)估器件發(fā)了多少熱量，以及發(fā)熱對(duì)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(duì)溝道的控制能力，隨著器件越做越小，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(shù)。但世界上沒(méi)有免費(fèi)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(yùn)行的時(shí)候，就會(huì)被這些缺陷捕獲，這效應(yīng)被稱(chēng)為電荷陷阱效應(yīng)?？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(cè)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(qū)別明顯，這是因?yàn)槊}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(nèi)，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(yīng)管的可靠性有關(guān)的。目前發(fā)現(xiàn)的場(chǎng)效應(yīng)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(fù)偏壓高溫不穩(wěn)定性MBTI。熱載流子是比較傳統(tǒng)的可靠性測(cè)試項(xiàng)目，而MBTI同它相比有一些獨(dú)特的地方，對(duì)MBTI效應(yīng)來(lái)說(shuō)，只要把施加在器件上的應(yīng)力祛除，器件的衰退就會(huì)發(fā)生迅速的恢復(fù)，恢復(fù)速度非常快并且和溫度有關(guān)，在常溫下可以實(shí)現(xiàn)100%的恢復(fù)，如果測(cè)試的速度太慢，就無(wú)法準(zhǔn)確表征MBTI效應(yīng)。