超快速IV測試技術簡介-半導體器件特性測試的變革

超快速IV測量技術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，一些著名的產品例如236、237、240、2600、4200都被廣泛應用于半導體、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，例如功率的瞬態(tài)效應會在1微秒內完成，這些瞬態(tài)效應往往瞬態(tài)即逝，難以捕捉。為了研究這些效應就需要SMU具有更快的測量速度，但是由于SMU在設計上的一些局限性，使得SMU無法提供非?？焖俚牧繙y，于是基于超快速IV量測技術的PMU就應運而生。這里將介紹測試單元PUM和超快速IV量測技術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。需要強調的是，SMU內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果，就需要在至少一個PLC內做積分，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轉換模式的儀器是數字示波器。數字示波器使用的AD轉換是差分模式，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。示波器在設計之初就沒有為精確的IV量測提供服務。

　　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)效應還有另外一個問題，示波器沒有內部的信號機理，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，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)效應的要求，如同幻燈片所示，這些要求曾經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據。如果無法在實驗室里得到可重復的數據，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。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。