超快速IV测试技术-半导体器件特性测试的变革

　　事实上吉时利有很多客户在很久前就向我们提出了准确表征器件瞬态效应的要求，如同幻灯片所示，这些要求曾经是让客户抓狂的事情，SMU可以给他们提供足够的精度和方便的测试设定，但却无法提供足够的速度。正如之前提到的，SMU的量测都是在1毫秒以后完成的，而这里所列的事情在1毫秒以内早已完成，也曾经有一些动手能力很强的客户，他们试着用脉冲发生器和示波器搭建超快速IV量测系统，但这样的系统往往连线非常复杂，而且往往得不到准确和可重复的数据。如果无法在实验室里得到可重复的数据，又如何发表研究成果呢?

　　再深入看几个实际的例子。这里所示的是一种SOI器件，我们知道MOS衬底是硅，SOI的衬底则是硅的氧化物。之所以用硅的氧化物作为衬底就是为了降低功耗，因为氧化硅的绝缘性比硅要好很多，从衬底流走的电流都会被二氧化硅所阻挡，但是SOI器件有一个副作用，在氧化硅阻挡电流的同时也阻挡了热量的散发。栅极通常都是二氧化硅，如果衬底也是二氧化硅的话，就好像在热天下面垫毛毯上面盖棉被，而SOI工艺通常被用在高功率器件上，这样功率大产生的热量就更多。从图上可以看到，用SMU测得的电流会有一个明显下降的趋势，这是由于器件发热造成的。而用超快速IV量测就可以得到器件没有发热时的本身特性，通过这个方法，我们就能够准确评估器件发了多少热量，以及发热对器件的影响到底有多大。

　　图3 4225-PMU连接电路图

　　另外一个例子是HIKI材料。栅极电容大小决定了栅极对沟道的控制能力，随着器件越做越小，简单的把栅极氧化层做得更薄已经无法满足需求，这个时候就需要引入HIKI材料。所谓HIKI通常指在硅的氧化物里再掺加一些别的元素，以提高材料的界电常数。但世界上没有免费的午餐，引入HIKI材料固然提高了栅极的控制力，却使得原来成熟的材料变得缺陷多多，载流子在运行的时候，就会被这些缺陷捕获，这效应被称为电荷陷阱效应。看幻灯右边的两张图，给器件打2V的脉冲，在上升沿和下降沿分别测试IDS曲线，上面的图两条曲线几乎重合，而下面的图却区别明显，这是因为脉冲宽度不同。下面图的脉冲宽度是5微秒，而正是5微秒的等待使一些载流在被捕获到栅极内，使得器件的特性发生了很大的变化。

　　接下来的例子是和场效应管的可靠性有关的。目前发现的场效应管的可靠性问题主要有两个，一个是热载流子GHCI，另一个是负偏压高温不稳定性MBTI。热载流子是比较传统的可靠性测试项目，而MBTI同它相比有一些独特的地方，对MBTI效应来说，只要把施加在器件上的应力祛除，器件的衰退就会发生迅速的恢复，恢复速度非常快并且和温度有关，在常温下可以实现100%的恢复，如果测试的速度太慢，就无法准确表征MBTI效应。

　　PMU工作原理和基本操作方式

　　PMU是Pulse Measure Unit的简称，即脉冲测试单元，这是吉时利仪器2011年才推出的产品。PMU由两个部分组成，一个是插在4200主机箱里的4225PMU插卡，每块PMU插卡有两个完全独立的通道;另外一个是远端的测试附件4225RPM。

　　图4 PMU连线方式

　　PMU架构

　　一块PMU由两个独立的通道组成，每个通道由一个50MHz的脉冲发生器，一组采样率为200M的测试单元和电压测试单元组成，可以理解为一个50MHz的脉冲发生器带一个电压示波器和一个电流示波器。PMU有非常广阔的电压和电流的测试和输出范围，每个PMU通道都可以连接一个4225RPM以提高其测试的准确度。由于脉冲发生器和示波器都是内置的，就不需要复杂的连线了，而且吉时利独到的设计保证了PMU在高速测量下依然能够得到准确的数据，可以说在速度和经典之间找到了一个完美的平衡。

　　PRM可以用来提高PMU测试的准确度，它还有另外一个功能，可以用来做DCIV、IV和超快速IV之间的切换，在RPM上有一个多色的LED灯，分别用红色、蓝色和绿色代表CV、DCIV以及超快速IV。由于超快速IV本质上是一种高频测试，所以将PMU连接到线上的时候就需要注意高频信号的保护，需要特别注意。由于一个半导体器件经常需要进行DCIV、CV及超快速IV三种量测，而这三种量测所需的连线各有不同，这需要用户在这三种连线间进行切换。在推出PMU的时候，吉时利就注意到了这个问题，如图右面所示，在RPM输入端黑色的电线是SMU，红色的电线是CVU，白色的电线是PMU，在RPM的输出端是特别的蓝色的多功能Cable，能够同时为这三种测试服务。

　　图5 4225-PMU三种工作模式

　　通过这样的设置，客户可以在一个测试的设定下依次完成DVIC、CV及超快速IV的量测而不需要更换连线。从图中可以看到，4200SMU可以测得非常准，如果给4200SMU1秒钟的时间，它能准确的测量出0.1fA的电流，但是4200SMU最快的测量也需要10毫秒才能完成。再看PMU，如果给PMU10毫秒，它能准确的测量到pA级别的电流，同时PMU也能够在纳秒的级别进行量测，也即是说PMU在速度和精度之间找到了最好的平衡点。

　　PMU的关键参数。PMU最大的电压和电流分别是40V和0.8A，电流和电压的精度分别是0.5%+800pA和0.25%+10mV，采样率是每5ns量测一个点，PMU内部脉冲发生器可以产生50MHz的激励信号，最小的脉冲宽度是20ns。