超快速IV測試技術(shù)簡介-半導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做直流伏安測試的標準，一些著名的產(chǎn)品例如236、237、240、2600、4200都被廣泛應(yīng)用于半導體、光電、光伏、納米材料等行業(yè)，如2010年諾貝爾物理學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行量測的。

　　隨著科學的發(fā)展，科學家和工程師發(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?？焖俚牧繙y，于是基于超快速IV量測技術(shù)的PMU就應(yīng)運而生。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，事實上多數(shù)示波器只能測量電壓，而電壓的測量能準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確的電流測量，而且連線也特別復雜。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)部的信號機理，脈沖發(fā)生器就是用來提供高速率的信號機理的，但是脈沖發(fā)生器只能提供信號機理，而不能進行信號的測試，只有把脈沖發(fā)生器和示波器做在一個測試系統(tǒng)內(nèi)，才能實現(xiàn)SMU能實現(xiàn)的量測。

 
圖2 4225-PM超快速測量模塊

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(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(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，恢復速度非?？觳⑶液蜏囟扔嘘P(guān)，在常溫下可以實現(xiàn)100%的恢復，如果測試的速度太慢，就無法準確表征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(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(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，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(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，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(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。
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一樣進行電壓掃描，多個PMU也可以進行組合掃描，當然和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，因為PMU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也可以當成一個任意波形發(fā)生器來使用。

　　看一個波形抓取時機的例子，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VG和VD的脈沖到達場效應(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，這5個點的電流取平均就是我們要測試的目標電流，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可以輸出一個標準的脈沖信號，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上?

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

　　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才能進行超快速IV量測。

　　問：納米管的IV特性如何進行測量?需要什么樣的儀器?

　　答：您需要一臺4200半導體測試儀，用4200內(nèi)部的SMU進行直流IV的測試，用4200內(nèi)部的CVU進行CV的量測，內(nèi)部的PMU進行超快速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進行擦寫，然后用SMU進行量測。

　　問：有車載產(chǎn)品的信號調(diào)理的實例嗎?

　　答：為進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是針對半導體特性分析領(lǐng)域的產(chǎn)品，您可以進一步關(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?

　　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，實現(xiàn)近段接地。

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

　　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)是否具有獨特創(chuàng)新優(yōu)勢?

　　答：PMU是第一個能實現(xiàn)在ns級別下進行準確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：要解決接地點問題，多點共地，消除接地點的電位差，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：任何半導體器件，都可能需要直流IV、超快速IV以及CV，4200-SCS半導體參數(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。