超快速IV測試技術-半導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毫秒以內早已完成，也曾經(jīng)有一些動手能力很強的客戶，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)往往連線非常復雜，而且往往得不到準確和可重復的數(shù)據(jù)。如果無法在實驗室里得到可重復的數(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，這效應被稱為電荷陷阱效應?？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，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，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管的可靠性有關的。目前發(fā)現(xiàn)的場效應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效應來說，只要把施加在器件上的應力祛除，器件的衰退就會發(fā)生迅速的恢復，恢復速度非?？觳⑶液蜏囟扔嘘P，在常溫下可以實現(xiàn)100%的恢復，如果測試的速度太慢，就無法準確表征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;另外一個是遠端的測試附件4225RPM。

　　圖4 PMU連線方式

　　PMU架構

　　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了，而且吉時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(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、藍色和綠色代表CV、DCIV以及超快速IV。由于超快速IV本質上是一種高頻測試，所以將PMU連接到線上的時候就需要注意高頻信號的保護，需要特別注意。由于一個半導體器件經(jīng)常需要進行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色的多功能Cable，能夠同時為這三種測試服務。

　　圖5 4225-PMU三種工作模式

　　通過這樣的設置，客戶可以在一個測試的設定下依次完成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，如果給4200SMU1秒鐘的時間，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PMU也能夠在納秒的級別進行量測，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。