下一代超快直流電流-電壓（I-V）測量技術(shù)

　　與直流電流-電壓(I-V)和電容-電壓(C-V)測量一樣，是否能夠進(jìn)行超快I-V測量對于從事新材料、器件或工藝研發(fā)特征分析實(shí)驗室的所有人都變得十分必要。進(jìn)行超快I-V測量需要產(chǎn)生高速脈沖波形，并且在待測器件可能發(fā)生松弛之前測量產(chǎn)生的信號。

　　早期實(shí)現(xiàn)的高速I-V測試，通常是指脈沖式I-V測試系統(tǒng)，是針對某些特定應(yīng)用而開發(fā)的，例如高k介質(zhì)的特征分析和絕緣體上硅(SOI)恒溫測試，或者生成Flash存儲器特征分析所需的短脈沖。采用脈沖式I-V測量技術(shù)是必需的，因為當(dāng)采用傳統(tǒng)直流I-V技術(shù)進(jìn)行測試時，它們的絕緣襯底使得SOI器件保持了測試信號自身產(chǎn)生的熱量，使測得的特征曲線發(fā)生偏斜;采用脈沖式測試信號能夠?qū)⑦@種影響降至最小。

　　過去，高速脈沖/測量測試系統(tǒng)通常由脈沖發(fā)生器、多通道示波器、互連硬件以及用于集成和控制儀器的軟件構(gòu)成。不幸的是，這些系統(tǒng)由于存在延遲問題，使得信號源和測量函數(shù)之間的協(xié)同變得非常復(fù)雜。根據(jù)儀器的質(zhì)量以及它們集成的情況，這種方式還可能會限制脈沖的寬度及其占空比。即便有這些限制，這些早期脈沖式I-V測試系統(tǒng)的用戶已經(jīng)開始想辦法將其用于其它一些特征分析工作，包括非易失性存儲器測試、超快NBTI可靠性測試和很多其它應(yīng)用。不過，考慮到這些系統(tǒng)的動態(tài)量程有限，但是它們?nèi)匀槐Ａ袅艘恍I(yè)技術(shù)。

　　為了成為主流測試技術(shù)，下一代超快I-V測試系統(tǒng)必須能夠提供很寬的信號源和動態(tài)量程。這意味著它們必須能夠提供Flash存儲器特征分析所需的充足電壓，以及測量最新CMOS工藝所需的足夠低的電壓。例如，對于CMOS工藝下的嵌入式Flash器件，這種Flash器件可能需要高達(dá)20V的編程電壓，但是CMOS工藝的工作電壓是3V，因此所使用的測試系統(tǒng)必須能夠提供所需的兩種電壓。它還要能夠提供足夠?qū)挼碾娏鞣秶蕴幚碜钚碌墓に?，以及足夠快的上升時間和足夠長的脈沖寬度以滿足多種應(yīng)用的需求。它必須簡單易用，具有能夠使系統(tǒng)可靠提交精確測量結(jié)果的互連系統(tǒng)。

　　當(dāng)前，超快I-V源和測量功能正被集成到參數(shù)式分析儀中，用于對越來越多的器件特性進(jìn)行特征分析，尤其是負(fù)偏溫不穩(wěn)定性(NBTI)和正偏溫不穩(wěn)定性(PBTI)退化。超快I-V測量工具通過使研究人員能夠快速而一致地進(jìn)行這類器件可靠性測量，提高了設(shè)計內(nèi)可靠性(DIR)壽命測量精度，其支持器件和電路設(shè)計建模。

　　近來，某些研究人員被迫配置他們自己的超快BTI測試系統(tǒng)。這些自己內(nèi)部開發(fā)的系統(tǒng)通常包含一臺脈沖發(fā)生器或任意波形發(fā)生器，和一臺配備了電流探針或某種類型互阻抗放大器的示波器，用于測量低電流。雖然經(jīng)過仔細(xì)選擇儀器和互連電路，完全可能構(gòu)建一個BTI系統(tǒng)，去滿足特定電氣條件下的測量需求，但是其仍然具有多個關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)：

　　波形發(fā)生。標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器和任意波形發(fā)生器以固定的循環(huán)時間間隔產(chǎn)生波形，而不是大多數(shù)可靠性測試所需的Log(time)標(biāo)度，包括NBTI和PBTI測試。

　　測量時間和數(shù)據(jù)存儲器。盡管示波器經(jīng)過配置可以根據(jù)波形特征(例如下降沿)進(jìn)行觸發(fā)，但是它們無法針對波形的特定部分有選擇地存儲樣本。這就需要保存很大的數(shù)據(jù)集進(jìn)行后處理。只有最昂貴的示波器或者那些具有存儲器擴(kuò)展功能的示波器，才能保存足夠多的數(shù)據(jù)彌補(bǔ)這些缺陷。

　　準(zhǔn)確性、精度和靈敏度。偏溫不穩(wěn)定性是一種高度動態(tài)的現(xiàn)象，需要靈敏、高速的測量操作才能進(jìn)行準(zhǔn)確的特征分析。假設(shè)所有其它因素都保持不變，測量的物理過程在很大程度上決定了測量速度和靈敏度之間的關(guān)系。當(dāng)進(jìn)行亞毫秒級測量時，必須把所有的噪聲源考慮在內(nèi);對于亞微秒級應(yīng)用，連量子效應(yīng)也不能被忽略。示波器、電流探針和互阻抗放大器都有各自特定的性能指標(biāo)，它們不一定會針對協(xié)同工作而進(jìn)行優(yōu)化。我們很難在很寬的動態(tài)量程上，按照一種能夠提供最佳性能的方式將這些部件組合起來，以實(shí)現(xiàn)高速下的精確測量。

　　互連。自建的系統(tǒng)通常采用分線器和T型頭，它們都會限制測試配置的性能。例如，T型頭會限制帶寬為100ns到10μs。盡管這適合進(jìn)行高速測量，但是它無法在應(yīng)力測量序列中進(jìn)行任何有效的預(yù)應(yīng)力和后應(yīng)力直流測量。它也無法在10μs到直流的中間時序范圍內(nèi)進(jìn)行測量。

　　測試控制與數(shù)據(jù)管理。傳統(tǒng)的示波器不支持?jǐn)?shù)據(jù)流，因此必須等到測試結(jié)束后才能傳輸結(jié)果。當(dāng)測試結(jié)束時，大量的數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C(jī)上進(jìn)行后處理，需要將復(fù)雜的波形解析為單個的測試結(jié)果，然后才能進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際的測量。

　　測試終止。既然測試結(jié)果要等到從示波器上傳輸回數(shù)據(jù)之后才能進(jìn)行分析，那么測試持續(xù)時間在測試開始之前就確定了。這使得我們不可能根據(jù)參數(shù)偏移情況或者實(shí)時檢測到的災(zāi)難性故障終止測試過程。

　　自動化。晶圓級或晶匣級自動測試需要同時控制測試儀器和晶圓探針臺，自建的系統(tǒng)通常無法做到。此外，合成一些高級的功能，例如帶條件的測試終止，將會大大增加運(yùn)行這類系統(tǒng)所需的定制軟件的復(fù)雜性。

　　更多的通道數(shù)。 即使自建的系統(tǒng)最初安裝時運(yùn)行很好，系統(tǒng)集成者也可能需要增加通道或者測試系統(tǒng)的數(shù)量以滿足應(yīng)用的發(fā)展需求，這時定制系統(tǒng)的升級是極其復(fù)雜的。典型的測試系統(tǒng)維護(hù)問題，例如校準(zhǔn)、操作和這些自定義設(shè)置的關(guān)聯(lián)，也需要大量的技術(shù)資源，而這些資源通常都是有限的。

　　最新的參數(shù)分析儀經(jīng)過配置可以最大限度減少或者消除很多與自建的BTI特征分析系統(tǒng)相關(guān)的缺陷問題。與單獨(dú)的脈沖或波形發(fā)生器以及示波器不同，它們能夠?qū)⑦@些功能集成在高速源測量模塊中實(shí)現(xiàn)緊湊的時序協(xié)同。由于這些模塊與參數(shù)分析儀完全集成，它們能夠利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和自動測量功能。機(jī)架式系統(tǒng)在增加高速通道的數(shù)量時也比較容易，只需添加更多的模塊即可。

　　最新的參數(shù)分析儀能夠?qū)⒊霫-V、直流I-V和C-V測量功能集成到同一個測試序列中。這種功能對于越來越多的涉及多種測量類型的應(yīng)用來說是非常有用的，例如電荷泵(CP)，它通常需要產(chǎn)生一個柵電壓脈沖，同時測量直流襯底電流;或者判斷光伏電池的電氣特征，通常需要測量電流和電容與所加載直流電壓的函數(shù)關(guān)系。

　　吉時利的4200-SCS半導(dǎo)體特征分析系統(tǒng)(如圖1所示)始終支持精確的直流I-V測量(采用集成的SMU)和C-V測量(采用可選的C-V模塊)。采用最新推出的4225-PMU超快I-V模塊和4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)，可以增加超高速源和測量功能，構(gòu)建針對新興實(shí)驗室應(yīng)用而優(yōu)化的測量系統(tǒng)，例如超快通用I-V測量;脈沖式I-V和瞬態(tài)I-V測量;Flash、PCRAM和其它一些非易失性存儲器測試;中等功率器件的恒溫測試;縮放CMOS工藝的材料測試，例如高k介質(zhì);以及NBTI/PBTI可靠性測試。(圖2將很多這類新興的應(yīng)用映射到4200的直流I-V和超快I-V源與測量范圍內(nèi)。)

　　注意傳統(tǒng)的SMU設(shè)計如何能夠提供并測量高達(dá)1A和低至1pA左右的電流。盡管通過增加遠(yuǎn)程前置放大器能夠解析低至0.1fA的信號，但是這些僅支持直流I-V測試配置的最佳速度是10毫秒左右。相比之下，超快I-V方案能夠進(jìn)行最快10ns的測量，這對于涉及器件恢復(fù)特征分析的應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。特別針對超快I-V測試而設(shè)計的可選遠(yuǎn)程放大器，將這類新型解決方案的電流分辨率向下擴(kuò)展到了幾十皮安，僅僅稍高于待測器件產(chǎn)生的約翰遜噪聲施加的限制。將超快I-V源和測量儀器與遠(yuǎn)程放大器集成在一起的系統(tǒng)，在單個機(jī)架內(nèi)支持比以往任何時候都更廣泛的特征分析應(yīng)用，包括測試相變存儲器、單脈沖電荷俘獲/高k介質(zhì)測試、LDMOS或砷化鎵中等功率放大器的特征分析、SOI恒溫測試、超快負(fù)偏溫不穩(wěn)定性(NBTI)測試、基于電荷的電容測量(CBCM)、MEM電容測試和越來越多的其它一些測試。

　　圖3給出了支持日益增長的超快I-V測試應(yīng)用的四種掃描類型：瞬態(tài)I-V掃描，其中電壓和/或電流被連續(xù)數(shù)字化;快速脈沖式I-V，其中電壓和/或電流在脈沖穩(wěn)定后被采樣;濾波式脈沖，其中包括要產(chǎn)生一個可變的脈沖電壓，同時利用直流SMU測量產(chǎn)生的電流;脈沖應(yīng)力/直流測量，其中施加電壓脈沖，然后接一次直流SMU測量。除了這些傳統(tǒng)的掃描類型，4225-PMU還具有完整的任意波形發(fā)生功能，以及分段式ARB模式，能夠方便地創(chuàng)建、保存和產(chǎn)生最多由2048條用戶自定義線段組成的波形。每條線段可以有不同的持續(xù)時間，從而具有極大波形生成靈活性。

　　本文小結(jié)

　　隨著新型器件和測試應(yīng)用的出現(xiàn)以及半導(dǎo)體實(shí)驗室研究人員需求的不斷發(fā)展，超高速源/測量功能將變得越來越重要。采用具有適應(yīng)這些變化需求靈活性的高性價比測試系統(tǒng)，研究人員既能夠延續(xù)之前的工作，同時又能夠跟上測量技術(shù)發(fā)展的趨勢。