超快速IV測試技術(shù)-半導(dǎo)體器件特性測試的變革

超快速IV測量技術(shù)是過去十年里吉時利推出的最具變革性的方法和儀器，吉時利一直以其高精度高品質(zhì)的SMU即原測試單元而著稱，吉時利的原測試單元在過去的三十年里一直被當(dāng)做直流伏安測試的標(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)獎獲得者所研究的石墨硒就是使用吉時利的原測試單元進(jìn)行量測的。

　　隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家和工程師發(fā)現(xiàn)越來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具有更快的測量速度，但是由于SMU在設(shè)計上的一些局限性，使得SMU無法提供非常快速的量測，于是基于超快速IV量測技術(shù)的PMU就應(yīng)運(yùn)而生。這里將介紹測試單元PUM和超快速IV量測技術(shù)給半導(dǎo)體器件特性分析帶來的革命性的變化。

　　圖1 量測技術(shù)時間精度對比

　　使用超快速IV量測的目的

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

　　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量速度，但相對于SMU，示波器的測量精度就慘不忍睹，事實(shí)上多數(shù)示波器只能測量電壓，而電壓的測量能準(zhǔn)確到一個毫伏就很好了。如果用示波器來測量電流通常有兩種方式，一個是使用電流探頭，另外一個是測量已知組織電阻兩端的電壓，這兩種方法都不能得到準(zhǔn)確的電流測量，而且連線也特別復(fù)雜。示波器在設(shè)計之初就沒有為精確的IV量測提供服務(wù)。

　　從另外一個角度來看待這個問題，精度和速度就像魚和熊掌永遠(yuǎn)不可兼得，精度需要犧牲速度來換取，反之亦然。另外，如果使用示波器來測量前面提到的器件的瞬態(tài)效應(yīng)還有另外一個問題，示波器沒有內(nèi)部的信號機(jī)理，脈沖發(fā)生器就是用來提供高速率的信號機(jī)理的，但是脈沖發(fā)生器只能提供信號機(jī)理，而不能進(jìn)行信號的測試，只有把脈沖發(fā)生器和示波器做在一個測試系統(tǒng)內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)SMU能實(shí)現(xiàn)的量測。

 圖2 4225-PM超快速測量模塊

　　事實(shí)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(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(fèi)的午餐，引入HIKI材料固然提高了柵極的控制力，卻使得原來成熟的材料變得缺陷多多，載流子在運(yùn)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)?？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?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(xiàng)目，而MBTI同它相比有一些獨(dú)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(dú)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(dú)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(dú)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(diǎn)。

　　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(diǎn)，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。PMU工作模式

　　PMU有三種基本的工作模式，分別是脈沖IV、瞬態(tài)IV和脈沖信號輸出。脈沖IV指的是用PMU模仿SMU的工作模式，即DC like的測試，PMU可以和SMU一樣進(jìn)行電壓掃描，多個PMU也可以進(jìn)行組合掃描，當(dāng)然和SMU不同的是PMU輸出的激勵信號不是直流的電壓偏置，而是一系列的脈沖信號;之前提到的脈沖掃描是脈沖的幅值和基準(zhǔn)電壓的掃描。另外一種有趣的模式是瞬態(tài)IV，我們更愿意稱之為波形抓取功能，有人會以為是一個示波器，它是像示波器一樣工作，不同的是PMU有一個內(nèi)部的脈沖發(fā)生器給器件提供激勵。另外PMU不僅能夠測量電壓波形，也能夠直接測量電流波形，因?yàn)镻MU內(nèi)置的是一個電流示波器加一個電壓示波器。最后，PMU不需要測量的時候可以輸出更加復(fù)雜的波形，例如三角波、鋸齒波、正玄波、白噪聲波等，PMU也可以當(dāng)成一個任意波形發(fā)生器來使用。

　　看一個波形抓取時機(jī)的例子，用一個PMU測試一個場效應(yīng)管，PMU的通道1連接到場效應(yīng)管的gate，通道2連接到場效應(yīng)管的dran，通道1和通道2同時向場效應(yīng)管打出一個脈沖信號，當(dāng)VG和VD的脈沖到達(dá)場效應(yīng)管后，就會激勵出ID和IG的脈沖。我們用兩個通道的電壓和電流示波器來抓取這四個脈沖信號，IG的脈沖波形有一個明顯的凸起，可以猜測一下這是由于什么原因造成的。我們知道在一個電容器的兩端發(fā)生電壓變化時就會產(chǎn)生充電或放電的電流，電流等于電容乘以Dl/Dt。注意圖中的波形，上升沿和下降沿的時間分別是100納秒，而D-outside可以看出一個電容，就形成了看到的IG脈沖波形，對于dran端，DX電容比D-outside小很多，但還是能夠看到一個小小的凸起。

　　波形抓取可以說是脈沖IV的基礎(chǔ)，所謂脈沖IV就是根據(jù)需求打一系列波形到待測器件上，然后測試激勵出來的電流波形，測試的核心思想是在一個預(yù)先設(shè)定的測量窗口內(nèi)，將測到的所有電流點(diǎn)取平均。舉一個例子，如果脈沖寬度是100納秒，測量窗口預(yù)設(shè)為75%到90%，則測量就會在75納秒到90納秒內(nèi)完成。之前提到測量的間隔是5納秒，那么在75納秒到90納秒之間有5個點(diǎn)，這5個點(diǎn)的電流取平均就是我們要測試的目標(biāo)電流，而客戶需要定義的是這一系列脈沖信號的參數(shù)，比如脈沖寬度、上升沿下降沿的時間、脈沖的幅值和基準(zhǔn)電壓等。

　　最后看一下作為脈沖發(fā)生器PMU可以做什么。首先PMU可以輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號，其次PMU可以用一種second mode方式產(chǎn)生多階脈沖信號，最后PMU可以產(chǎn)生任意波形，可以在前兩種信號形式下進(jìn)行任意量測。

　　問答選編

　　問：此測試技術(shù)的誤差一般會有多大?

　　答：誤差和測量的速度有關(guān)，假設(shè)你希望測量在100ns內(nèi)完成，精度為50uA，如果測量在1ms內(nèi)完成，則精度可以到pA量級。

　　問：能介紹一下這里所說的變革與之前的主要差異在哪里嗎?

　　答：以前的測試是用直流的SMU中的儀表進(jìn)行量程的，而PMU則是用內(nèi)置的示波器和脈沖發(fā)生器完成的。

　　問：超快速IV測試的超快速反映在哪些指標(biāo)上?

　　答：最快的脈沖是20ns，采樣率是200MS/S也就是5ns一個測試點(diǎn)。

　　問：超快速IV測試的輸出結(jié)果有幾種形式? 能和PC相連嗎?

　　答：PMU是吉時利4200-SCS的一塊插卡，你必須有一臺4200-SCS才能進(jìn)行超快速IV量測。

　　問：納米管的IV特性如何進(jìn)行測量?需要什么樣的儀器?

　　答：您需要一臺4200半導(dǎo)體測試儀，用4200內(nèi)部的SMU進(jìn)行直流IV的測試，用4200內(nèi)部的CVU進(jìn)行CV的量測，內(nèi)部的PMU進(jìn)行超快速IV量測。

　　問：采用超快速IV測試會有什么優(yōu)勢?

　　答：采用超快速IV測試會解決在超快速測量下保持相當(dāng)好的精度，在很多瞬態(tài)測試中有著尖端需求。

　　問：DDR3的測試還需要配置哪些附屬設(shè)備?

　　答：DDR3的測試通常不需要使用PMU這樣的儀器，您只需要一個脈沖發(fā)生器對DDR3進(jìn)行擦寫，然后用SMU進(jìn)行量測。

　　問：有車載產(chǎn)品的信號調(diào)理的實(shí)例嗎?

　　答：為進(jìn)一步了解您的測試需求，我們需要了解您提到的車載產(chǎn)品的應(yīng)用需求。PMU是針對半導(dǎo)體特性分析領(lǐng)域的產(chǎn)品，您可以進(jìn)一步關(guān)注keithley精密電子市場相關(guān)的測試儀表。

　　問：超快速IV測試需要考慮器件的熱效應(yīng)或熱阻的影響嗎?

　　答：我們可以提供100ns內(nèi)的IV量測，如果您的器件的自熱在100ns后才會發(fā)生，那么就能得到一組沒有自熱效應(yīng)的曲線。

　　問：常規(guī)的IV特性測試和頻響測試有何異同點(diǎn)?

　　答：常規(guī)的IV特性是直流下的特性，也就是說SMU施加的應(yīng)力會一直加載在器件上，而SMU完成量測通常要幾個毫秒，這種應(yīng)力的施加會使得器件發(fā)生一些反應(yīng)，而超快速IV量測則可以在ns級別完成測試。

　　問：Model4225-PMU模塊的探頭有幾種類性? 有探針的嗎?

　　答：我們針對Cascade和Suss的探針臺有兩款專門的探針組，分別是4210-MMPC-C和4210-MMPC-S。對于別的探針臺我們提供一組特別的Y-Cable，實(shí)現(xiàn)近段接地。

　　問：Model4225-PMU電壓和電流地測量精度有多高? 重復(fù)性如何?

　　答：根據(jù)不同的測量速度有不同的精度，100ns脈沖下完成的測試，精度為50uA，而1ms下的脈沖精度則可以提高到800pA

　　問：吉時利儀器超快速IV測試技術(shù)是否具有獨(dú)特創(chuàng)新優(yōu)勢?

　　答：PMU是第一個能實(shí)現(xiàn)在ns級別下進(jìn)行準(zhǔn)確IV量測的儀器，PMU將電流示波器、電壓示波器以及一個脈沖發(fā)生器整合在一個儀表內(nèi)，這樣的設(shè)計在過去是沒有的。

　　問：目前照明用LED的結(jié)溫測試多用恒流脈沖測試其正向壓降得出，請介紹一下超快速IV測試技術(shù)在這方面的應(yīng)用。

　　答：LED的結(jié)溫測試是keithley的典型應(yīng)用之一，PMU產(chǎn)生的是電壓脈沖，你可以關(guān)注keithley 2600系列源表，還有2651A的產(chǎn)品在LED節(jié)溫測試的應(yīng)用。

　　問：超快速IV特性具體內(nèi)涵是什么? 對器件特性的了解有何好處?

　　答：如果您想測試的器件有瞬態(tài)效應(yīng)，例如自發(fā)熱效應(yīng)、電荷捕獲效應(yīng)等，就會需要超快速IV量測了。

　　問：如何避免地線所形成的回路電流對測量的影響?

　　答：要解決接地點(diǎn)問題，多點(diǎn)共地，消除接地點(diǎn)的電位差，可以避免地線形成回路電流。

　　問：Model4225-PMU Ultra-Fast IV模塊和哪那些測試設(shè)備一起使用?

　　答：任何半導(dǎo)體器件，都可能需要直流IV、超快速IV以及CV，4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)測試儀就可以完成這三種測試。

　　問：DDR3測試主要包括哪些內(nèi)容?Model4225-PMU Ultra-Fast IV模塊能完成嗎?

　　答：DDR3并不是PMU的目標(biāo)應(yīng)用，通常DDR值需要脈沖發(fā)生器和SMU就可以測試了。

　　問：4200-SCS自身電源對信號采集有干擾嗎?

　　答：4200的電源是來自于建筑物的電網(wǎng)，如果電網(wǎng)的接地有問題，就有可能會對測試產(chǎn)生影響。

　　問：超快速IV特性能捕捉瞬態(tài)波形并存儲么?

　　答：可以，這是PMU的一種工作模式，也就是波形抓取。