超快速IV测试技术简介-半导体器件特性测试的变革

超快速IV测量技术是过去十年里吉时利推出的最具变革性的方法和仪器，吉时利一直以其高精度高品质的SMU即原测试单元而著称，吉时利的原测试单元在过去的三十年里一直被当做直流伏安测试的标准，一些著名的产品例如236、237、240、2600、4200都被广泛应用于半导体、光电、光伏、纳米材料等行业，如2010年诺贝尔物理学奖获得者所研究的石墨硒就是使用吉时利的原测试单元进行量测的。

　　随着科学的发展，科学家和工程师发现越来越多的器件具有瞬态效应，例如功率的瞬态效应会在1微秒内完成，这些瞬态效应往往瞬态即逝，难以捕捉。为了研究这些效应就需要SMU具有更快的测量速度，但是由于SMU在设计上的一些局限性，使得SMU无法提供非常快速的量测，于是基于超快速IV量测技术的PMU就应运而生。这里将介绍测试单元PUM和超快速IV量测技术给半导体器件特性分析带来的革命性的变化。

　　图1 量测技术时间精度对比

　　使用超快速IV量测的目的

　　SMU即原测试单元由四个部分组成：电压源、电流源、电压表和电流表，SMU可以输出电压测量电流，也可以输出电流测量电压。需要强调的是，SMU内部集成的四个仪表都是直流的高精度仪表，吉时利最高精度的SMU可以分辨0.01fA的电流和1µV的电压。为了得到如此高的测量精度，SMU使用的AV转换是积分模式的，如果您使用过SMU，您一定知道SMU是需要积分概念的，积分时间的单位是PLC，一个PLC等于20个毫秒，要得到准确的测量结果，就需要在至少一个PLC内做积分，这样看来SMU是一个测得准但测得很慢的仪器。

　　另外一种使用AD转换模式的仪器是数字示波器。数字示波器使用的AD转换是差分模式，这种模式可以提供非常高的测量速度，但相对于SMU，示波器的测量精度就惨不忍睹，事实上多数示波器只能测量电压，而电压的测量能准确到一个毫伏就很好了。如果用示波器来测量电流通常有两种方式，一个是使用电流探头，另外一个是测量已知组织电阻两端的电压，这两种方法都不能得到准确的电流测量，而且连线也特别复杂。示波器在设计之初就没有为精确的IV量测提供服务。

　　从另外一个角度来看待这个问题，精度和速度就像鱼和熊掌永远不可兼得，精度需要牺牲速度来换取，反之亦然。另外，如果使用示波器来测量前面提到的器件的瞬态效应还有另外一个问题，示波器没有内部的信号机理，脉冲发生器就是用来提供高速率的信号机理的，但是脉冲发生器只能提供信号机理，而不能进行信号的测试，只有把脉冲发生器和示波器做在一个测试系统内，才能实现SMU能实现的量测。

图2 4225-PM超快速测量模块

事实上吉时利有很多客户在很久前就向我们提出了准确表征器件瞬态效应的要求，如同幻灯片所示，这些要求曾经是让客户抓狂的事情，SMU可以给他们提供足够的精度和方便的测试设定，但却无法提供足够的速度。正如之前提到的，SMU的量测都是在1毫秒以后完成的，而这里所列的事情在1毫秒以内早已完成，也曾经有一些动手能力很强的客户，他们试着用脉冲发生器和示波器搭建超快速IV量测系统，但这样的系统往往连线非常复杂，而且往往得不到准确和可重复的数据。如果无法在实验室里得到可重复的数据，又如何发表研究成果呢?

　　再深入看几个实际的例子。这里所示的是一种SOI器件，我们知道MOS衬底是硅，SOI的衬底则是硅的氧化物。之所以用硅的氧化物作为衬底就是为了降低功耗，因为氧化硅的绝缘性比硅要好很多，从衬底流走的电流都会被二氧化硅所阻挡，但是SOI器件有一个副作用，在氧化硅阻挡电流的同时也阻挡了热量的散发。栅极通常都是二氧化硅，如果衬底也是二氧化硅的话，就好像在热天下面垫毛毯上面盖棉被，而SOI工艺通常被用在高功率器件上，这样功率大产生的热量就更多。从图上可以看到，用SMU测得的电流会有一个明显下降的趋势，这是由于器件发热造成的。而用超快速IV量测就可以得到器件没有发热时的本身特性，通过这个方法，我们就能够准确评估器件发了多少热量，以及发热对器件的影响到底有多大。

　　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，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。