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超快速IV测试技术-半导体器件特性测试的变革

来源:    作者:     发布时间:2015-04-19 06:36:00     点击数:

  

  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电感生产,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电感器有什么用常需要进行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p插件电感A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内工字电感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。PMU工作模式

  PMU有三种基本的工作模式,分别是脉冲IV、瞬态IV和脉冲信号输出。脉冲IV指的是用PMU模仿SMU的工作模式,即DC like的测试,PMU可以和SMU一样进行电压扫描,多个PMU也可以进行组合扫描,当然和SMU不同的是PMU输出的激励信号不是直流的电压偏置,而是一系列的脉冲信号;之前提到的脉冲扫描是脉冲的幅值和基准电压的扫描。另外一种有趣的模式是瞬态IV,我们更愿意称之为波形抓取功能,有扁平型电感人会以为是一个示波器,它是像示波器一样工作,不同的是PMU有一个内部的脉冲发生器给器件提供激励。另外PMU不仅能够测量电压波形,也能够直接测量电流波形,因为PMU内置的是一个电流示波器加一个电压示波器。最后,PMU不需要测量的时候可以输出更加复杂的波形,例如三角波、锯齿波、正玄波、白噪声波等,PMU也可以当成一个任意波形发生器来使用。 1

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