超快速IV測試技術(shù)-半導(dǎo)體器件特性測試的變革

　　事實上吉時利有很多客戶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(shè)定，但卻無法提供足夠的速度。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毫秒以內(nèi)早已完成，也曾經(jīng)有一些動手能力很強(qiáng)的客戶，他們試著用脈沖發(fā)生器和示波器搭建超快速IV量測系統(tǒng)，但這樣的系統(tǒng)往往連線非常復(fù)雜，而且往往得不到準(zhǔn)確和可重復(fù)的數(shù)據(jù)。如果無法在實驗室里得到可重復(fù)的數(shù)據(jù)，又如何發(fā)表研究成果呢?

　　再深入看幾個實際的例子。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被二氧化硅所阻擋，但是SOI器件有一個副作用，在氧化硅阻擋電流的同時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，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測得的電流會有一個明顯下降的趨勢，這是由于器件發(fā)熱造成的。而用超快速IV量測就可以得到器件沒有發(fā)熱時的本身特性，通過這個方法，我們就能夠準(zhǔn)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，隨著器件越做越小，簡單的把柵極氧化層做得更薄已經(jīng)無法滿足需求，這個時候就需要引入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，卻使得原來成熟的材料變得缺陷多多，載流子在運行的時候，就會被這些缺陷捕獲，這效應(yīng)被稱為電荷陷阱效應(yīng)。看幻燈右邊的兩張圖，給器件打2V的脈沖，在上升沿和下降沿分別測試IDS曲線，上面的圖兩條曲線幾乎重合，而下面的圖卻區(qū)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(nèi)，使得器件的特性發(fā)生了很大的變化。

　　接下來的例子是和場效應(yīng)管的可靠性有關(guān)的。目前發(fā)現(xiàn)的場效應(yīng)管的可靠性問題主要有兩個，一個是熱載流子GHCI，另一個是負(fù)偏壓高溫不穩(wěn)定性MBTI。熱載流子是比較傳統(tǒng)的可靠性測試項目，而MBTI同它相比有一些獨特的地方，對MBTI效應(yīng)來說，只要把施加在器件上的應(yīng)力祛除，器件的衰退就會發(fā)生迅速的恢復(fù)，恢復(fù)速度非?？觳⑶液蜏囟扔嘘P(guān)，在常溫下可以實現(xiàn)100%的恢復(fù)，如果測試的速度太慢，就無法準(zhǔn)確表征MBTI效應(yīng)。

　　PMU工作原理和基本操作方式

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

　　圖4 PMU連線方式

　　PMU架構(gòu)

　　一塊PMU由兩個獨立的通道組成，每個通道由一個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50MHz的脈沖發(fā)生器帶一個電壓示波器和一個電流示波器。PMU有非常廣闊的電壓和電流的測試和輸出范圍，每個PMU通道都可以連接一個4225RPM以提高其測試的準(zhǔn)確度。由于脈沖發(fā)生器和示波器都是內(nèi)置的，就不需要復(fù)雜的連線了，而且吉時利獨到的設(shè)計保證了PMU在高速測量下依然能夠得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可以說在速度和經(jīng)典之間找到了一個完美的平衡。

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

　　圖5 4225-PMU三種工作模式

　　通過這樣的設(shè)置，客戶可以在一個測試的設(shè)定下依次完成DVIC、CV及超快速IV的量測而不需要更換連線。從圖中可以看到，4200SMU可以測得非常準(zhǔn)，如果給4200SMU1秒鐘的時間，它能準(zhǔn)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(zhǔn)確的測量到pA級別的電流，同時PMU也能夠在納秒的級別進(jìn)行量測，也即是說PMU在速度和精度之間找到了最好的平衡點。

　　PMU的關(guān)鍵參數(shù)。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量測一個點，PMU內(nèi)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。