精確測(cè)量功率MOSFET的導(dǎo)通電阻

電阻值的測(cè)量通常比較簡(jiǎn)單。但是，對(duì)于非常小阻值的測(cè)量，我們必須謹(jǐn)慎對(duì)待我們所做的假定。對(duì)于特定的幾何形狀，如電線，Kelvin方法是非常精確的。可以使用類似的方法來(lái)測(cè)量均勻樣本的體電阻率和面電阻率，但是所使用的公式不同。在這些情況下，必須考慮探針間距和樣本厚度。僅僅運(yùn)用Kelvin法本身無(wú)法保證精度。如果布局和連接數(shù)發(fā)生變化，就很難精確地預(yù)測(cè)非均勻幾何形狀的電阻。

MOSFET最重要的特性之一就是漏極到源極的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）。在封裝完成之后測(cè)量RDS(on)很簡(jiǎn)單，但是以晶圓形式測(cè)量該值更具有其優(yōu)勢(shì)。

晶圓級(jí)測(cè)量

為了保證Kelvin阻值測(cè)量的精度，需要考慮幾項(xiàng)重要的因素：(1)待測(cè)器件（DUT）的幾何形狀；(2)到器件的接線；(3)材料的邊界；(4)各種材料（包括接線）的體電阻率。

一種測(cè)量RDS(on)的典型方法是在卡盤（Chuck）和接觸晶圓頂部的探針之間產(chǎn)生電流。另一種方法是在晶圓的背面使用探針來(lái)代替卡盤。這種方法可以精確到2.5mΩ。

一種較大的誤差來(lái)源于晶圓和卡盤之間的接觸（如圖1所示）。因?yàn)榭ūP上以及晶圓背面粗糙不平，所以只有在個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行電氣連接。晶圓和卡盤之間的接觸電阻的數(shù)值足以給RDS(on)的測(cè)量引入較大的誤差。僅僅重新放置卡盤上晶圓的位置就會(huì)改變接觸區(qū)域并影響RDS(on)的測(cè)量結(jié)果。

圖1 典型的測(cè)量結(jié)構(gòu)，橫截面視圖

另一種測(cè)量偏差來(lái)源是探針的布局。如果移動(dòng)了強(qiáng)制電流探針，電流的分布模式將發(fā)生變化。這會(huì)改變電壓梯度模式，而且會(huì)改變電壓檢測(cè)探針處的電壓。

相鄰晶粒方法

需要的設(shè)備包括：(1)帶有6個(gè)可用探針的探針臺(tái)；(2)電壓計(jì)；(3)電流源。將晶圓和導(dǎo)電的卡盤隔離開這一點(diǎn)非常重要。如果晶圓與卡盤存在接觸，那么這種接觸將造成電流以平行于基底的方式流動(dòng)，改變了測(cè)量結(jié)果。可以用一張紙將晶圓和卡盤隔離開。

到漏極的連接是通過(guò)在待測(cè)器件的另一側(cè)使用相鄰的完全相同的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)部晶圓結(jié)構(gòu)要比晶圓和卡盤之間的連接牢固得多。因此，相鄰晶粒方法要比傳統(tǒng)的RDS(on)測(cè)量方法精確得多。

圖2顯示了測(cè)量的結(jié)構(gòu)。3個(gè)MOSFET和6個(gè)探針均在圖中顯示出來(lái)，電接觸則示意性地畫出。中間的MOSFET是待測(cè)器件。

圖2 RDS(on)測(cè)量結(jié)構(gòu)

所顯示的極性屬于N溝道MOSFET。漏極電流受限于探針的電流傳輸能力。左側(cè)的MOSFET的作用是在待測(cè)器件的漏極側(cè)施加電流。待測(cè)器件右側(cè)的MOSFET用于測(cè)量漏極電壓。

在MOSFET中，如果柵極開啟，而且漏極到源極之間沒有電流，那么漏極和源極的電壓相等。這種方法就利用這個(gè)原理來(lái)測(cè)量探針D上的漏極電壓。

柵極偏壓被連接在探針C和E之間。如果連接在探針B和E之間，那么探針B和源極焊盤之間的電壓降會(huì)降低待測(cè)器件上的實(shí)際柵極電壓。因?yàn)樵赗DS(on)測(cè)量過(guò)程中沒有電流通過(guò)，所以探針C上不存在電壓降。

相鄰晶粒方法確實(shí)需要右側(cè)的MOSFET（在探針D和F之間）處于工作狀態(tài)。如果這個(gè)晶粒上的柵極和源極被短路，那么測(cè)量結(jié)果可能不正確。

RDS(on)的取值是通過(guò)計(jì)算Vdc/IAB得到的，但是也可以得到更加精確的RDS(on)取值。

FEA輔助確定RDS(on)測(cè)量值

盡管相鄰晶粒法很精確，但是它并不能給出RDS(on)完全精確的測(cè)量值。為了得到僅由有源區(qū)貢獻(xiàn)的RDS(on)，可以將測(cè)量結(jié)果與仿真進(jìn)行對(duì)比。

有限元分析（FEA）軟件可以用來(lái)為測(cè)量結(jié)構(gòu)建模。一旦建立了有源區(qū)電阻和RDS(on)測(cè)量值之間的關(guān)系，就可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定有源區(qū)的電阻。

仿真模型是3個(gè)MOSFET和晶圓的一部分的三維表示。

在有限元模型中，有源區(qū)電阻是已知的。FEA軟件用來(lái)對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)建模并計(jì)算RDS(on)測(cè)量結(jié)果。

仿真過(guò)程進(jìn)行兩次，使用兩個(gè)不同的有源區(qū)電阻值來(lái)計(jì)算結(jié)果。因?yàn)轫憫?yīng)的線性相當(dāng)好，所以電阻值是任意選取的。對(duì)每種晶粒的尺寸，這種仿真只需要進(jìn)行一次。

利用仿真測(cè)量結(jié)果和實(shí)際有源區(qū)的電阻之間的關(guān)系，可以得到一個(gè)公式，用來(lái)根據(jù)相鄰晶粒方法的測(cè)量值計(jì)算有源區(qū)電阻。

相鄰晶粒方法

有幾項(xiàng)因素會(huì)給測(cè)量引入誤差。最重要的因素是探針的位置以及基底的電阻率。

從仿真結(jié)果可以看出，有些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常小?；椎暮穸韧ǔＪ?00μm。厚度從175μm變化到225μm只會(huì)給RDS(on)帶來(lái)1%的誤差（仿真的測(cè)量結(jié)果）。同樣，背墊金屬表面電阻的變化對(duì)結(jié)果的影響也不會(huì)超過(guò)1%。仿真得到的一項(xiàng)驚人的結(jié)果表明，頂部金屬厚度和電阻率對(duì)結(jié)果的影響也可以忽略不計(jì)。

基底電阻率的變化會(huì)給RDS(on)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)線性響應(yīng)。圖3顯示了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)際基底正常分布的基底電阻率。這樣做是為了顯示響應(yīng)是線性的。

圖3 由于基底電阻率造成的仿真結(jié)果的誤差

探針在待測(cè)器件上的擺放位置必須保持一致。探針位置的變化會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的變化。待測(cè)器件左側(cè)和右側(cè)器件上探針的位置（見圖2中的A和D）也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，但是影響沒有前者大。造成這種測(cè)量誤差的原因在于頂部金屬的表面電阻大于0。

將探針B或C從源極焊盤中心向邊緣移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。圖4顯示了移動(dòng)探針B或C所產(chǎn)生的誤差。每條線表示RDS(on) 2%的誤差。在繪制這張圖時(shí)，使用了5μm×5μm的網(wǎng)格。每次只移動(dòng)一個(gè)探針的位置。

圖4 探針位置所引起的誤差

相鄰晶粒方法是一種成本低廉、精確地以晶圓形式測(cè)量MOSFET有源區(qū)的RDS(on)的方法。它在檢測(cè)不同批次晶圓的差別方面非常有用。