半導(dǎo)體特性分析儀和脈沖產(chǎn)生器測(cè)量電荷泵

電荷泵技術(shù)概述

　　電荷泵測(cè)量方法廣泛應(yīng)用于MOSFET元件的介面態(tài)密度測(cè)量。隨著高介電常數(shù)(高)閘極材料的發(fā)展，已證明電荷泵對(duì)高薄閘極薄膜中電荷陷阱現(xiàn)象的測(cè)量極為有效?？梢話?cǎi)用電荷泵測(cè)量方法來(lái)擷取介面陷阱密度，閘極漏電流的影響可以通過(guò)以下方法來(lái)解決：即測(cè)量較低頻率上的電荷泵電流并在更高頻率下獲得的測(cè)量結(jié)果中減去這一數(shù)據(jù)。

　　基本的電荷泵測(cè)量方法需要在測(cè)量底板電流的同時(shí)，向源極、漏極和基極都接地的電晶體的閘極施加一個(gè)幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)間和頻率固定的電壓脈衝。施加脈衝的掃描方式可以是幅值固定情況下的電壓基掃描，或是電壓基固定而讓幅值掃描。

　　在電壓基掃描模式下，脈衝的幅值和週期(寬度)固定，而讓脈衝的基礎(chǔ)電壓掃描(圖1a)。對(duì)應(yīng)每個(gè)基電壓，測(cè)量相應(yīng)的體電流并繪製出其隨基電壓變化的曲線。基于如下公式，可以獲得介面陷阱密度()隨能帶彎曲變化的函數(shù)關(guān)係：

　　圖1：電荷泵測(cè)量技術(shù)概述。

　　公式中，是測(cè)量到的電荷泵電流，是基本電子電荷，是面積，是頻率，是逆費(fèi)米能級(jí)(inversion Fermi level)和累積費(fèi)米能級(jí)(accumulation Fermi level)的差值。

　　固定電壓基、幅值掃描方法則是讓基電壓和脈衝頻率固定，而讓電壓幅值進(jìn)行步進(jìn)變化(圖1b)。所獲得的資訊類似于從電壓基掃描中擷取出的資訊。這些測(cè)量也可以在不同頻率下執(zhí)行，以獲得介面陷阱的頻率響應(yīng)特性。

　　圖2：DUT與4200-SCS和脈衝產(chǎn)生器的連接。

　　硬體設(shè)置

　　結(jié)合吉時(shí)利4200-SCS半導(dǎo)體特性測(cè)試系統(tǒng)和吉時(shí)利3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器，可以讓電荷泵測(cè)量和數(shù)據(jù)分析變得簡(jiǎn)單易行。借助簡(jiǎn)單的C編程經(jīng)GPIB，在4200-SCS上執(zhí)行吉時(shí)利互動(dòng)式平臺(tái)測(cè)試軟體(KITE)可以同時(shí)控制系統(tǒng)內(nèi)建的訊號(hào)源-測(cè)量單元(SMU)和外部?jī)x器。請(qǐng)參閱吉時(shí)利4200-SCS的參考手冊(cè)和吉時(shí)利應(yīng)用指南，以獲得關(guān)于使用4200-SCS和KTE交互軟體的指導(dǎo)。圖2a示出了在不使用開關(guān)陣列的情況下，4200-SCS的某個(gè)SMU和3402型脈衝產(chǎn)生器與待測(cè)元件(DUT)間的連接關(guān)係;在圖2b中，配置中包含了一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)陣列。下面將介紹如何利用吉時(shí)利4200-SCS和3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器執(zhí)行電荷泵測(cè)量。

　　吉時(shí)利配置程式(KCON)設(shè)置

　　KCON是通過(guò)GPIB通訊來(lái)控制4200-SCS的內(nèi)部硬體(SMU和前置放大器)和外部?jī)x器的軟體介面，第一步是向KCON輸入恰當(dāng)?shù)拿}衝產(chǎn)生器的型號(hào)編碼(必要時(shí)還需輸入開關(guān)陣列的型號(hào)編碼)。只需雙擊4200-SCS桌面上的KCON圖標(biāo)即可存取KCON。接著，從Tools選單中，選中Add external Instruments > Pulse Generator >Keithley 3401或3402 Pulse/Pattern Generator。圖3顯示出添加了該脈衝產(chǎn)生器后的KCON窗口。如果所採(cǎi)用的脈衝產(chǎn)生器的型號(hào)未包含在所支援的型號(hào)的列表中，則在KCON中應(yīng)該將其作為‘通用儀器(GPI)’而非‘脈衝產(chǎn)生器(GPU)’添加。添加脈衝產(chǎn)生器后，KCON可以為脈衝產(chǎn)生器分配一個(gè)儀器ID字符串。該ID字符串可以寫作PGUx或GPIxI，具體取決于脈衝產(chǎn)生器是以何種方式添加的(脈衝產(chǎn)生器單元或是通用儀器)，x可以是1～4之間的任何一個(gè)數(shù)字。該ID將作為電荷泵測(cè)量的一個(gè)輸入?yún)?shù)，為KITE軟體提供GPIB上的儀器類型及其地址。

　　圖3：KCON設(shè)置窗口。