【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體行業(yè)一直在尋找新型特殊材料、介電解決方案和新型器件形狀,以進(jìn)一步、再進(jìn)一步縮小器件尺寸。例如,2D材料的橫向和縱向異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了新的顛覆性小型低功率電子器件的產(chǎn)生。
半導(dǎo)體行業(yè)一直在尋找新型特殊材料、介電解決方案和新型器件形狀,以進(jìn)一步、再進(jìn)一步縮小器件尺寸。例如,2D材料的橫向和縱向異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了新的顛覆性小型低功率電子器件的產(chǎn)生。
在為半導(dǎo)體器件電氣特點編制準(zhǔn)確的報告時,比如特殊的NANO-FETs,業(yè)內(nèi)的科研人員、科學(xué)家和工程師都面臨著一個共同的問題。當(dāng)需要證明能夠?qū)嶋H上以簡便的、可重復(fù)的方式控制這些參數(shù)時,這個問題會變得更糟。
從觸摸屏顯示器控制的4200A電氣參數(shù)表征系統(tǒng)
低電流范圍內(nèi)電氣表征的典型問題是:必需確定低功率/低漏流MOSFET在不同條件下可實現(xiàn)的器件性能。
測量至關(guān)重要,因為它們識別具體指標(biāo)(FoM),而這些指標(biāo)會證實或否認(rèn)特定應(yīng)用內(nèi)的有效行為。例如,n型FETs要求評估不同源極、漏極和柵極電壓值上的打開和關(guān)閉漏極電流。FoMs可能會在不同應(yīng)用間變化,但獲得指標(biāo)的方式基本相同:提供精確受控的以一定方式變化的電壓或電流,同時準(zhǔn)確地獲得電壓和電流測量,并與每個具體可變變量相關(guān)聯(lián)。
在實踐中,通過使用一定數(shù)量的源測量單元(SMUs),也就是能夠在測量電流和電壓的同時提供電流或電壓的專門儀器,可以解決這個問題。但實用的解決方案看上去準(zhǔn)備妥當(dāng)時,許多隱藏的“細(xì)節(jié)”可能會導(dǎo)致問題和誤導(dǎo)性結(jié)果,我們來看一下。
這些應(yīng)該自問的關(guān)鍵問題
越來越常見的是,工程師會落入忘了從整體上仔細(xì)查看測試系統(tǒng)的陷阱?;蛘吒靡稽c,他們清楚地看到自己的器件,他們清楚地看到自己的儀器,但看不到兩者之間的東西。例如,我經(jīng)常看到示波器用戶忘了使用探頭到達(dá)特定測試點,來測量電路板。對那些被提醒考慮探頭對信號影響的工程師,他們一般仍會忘記探頭引線對測量的影響,以及與信號耦合有關(guān)的問題。
“那么,這真有關(guān)系嗎?”他們會問。遺憾的是,確實有關(guān)系,我們必需考慮這些影響。
對DC表征應(yīng)用,風(fēng)險是類似的。即使我們使用復(fù)雜昂貴的探測站系統(tǒng)器件來完成物理探,SMUs仍須強制施加電壓、測量電流,通過電纜連接到探頭卡上。這是否意味著我們應(yīng)該認(rèn)為電纜可能影響我們的測量結(jié)果呢?
不管答案是什么,重要的是在繼續(xù)處理前你都要自己問一下這個問題。更重要的是,要確保回答是正確的。
CMOS制造中的精密測量,是說明連接能力重要性的典型實例。事實上,連接能力意味著在測試系統(tǒng)中增加電容。由于當(dāng)今MOSFETs是在較寬的擴展頻率范圍內(nèi)表征的,因此必須認(rèn)真考慮增加的電容導(dǎo)致的任何影響。
我們先看一下連接對電容的影響。參數(shù)(自動化)測試設(shè)備一般使用三同軸電纜連接,這是源測量測試單元與被測器件之間非常典型的低噪聲連接實例。三同軸電纜是一種特殊的同軸電纜,它通過一個額外的外部銅纜法拉第屏蔽層來絕緣傳導(dǎo)信號的部分。即使法拉第屏蔽層降低了電纜的分布式電容,但在電纜總長變得有意義時,電纜增加的電容仍會影響測量。
我們看一個實際應(yīng)用,比如測試系統(tǒng)必須表征n-MOSFET晶體管。在這個應(yīng)用中,我們使用基于SMU的測試系統(tǒng),追蹤所謂的I-V曲線,這有時也稱為“輸出特點” 或“傳遞特點”。我們把柵極電壓編程為前向和后向掃描(如前所述,使用SMU),同時測量漏極電流(也使用SMU)。
通過這些曲線,我們可以采集有用的數(shù)據(jù),精確建立晶體管傳導(dǎo)力激活和去激活模型,分析這些特征什么時候體現(xiàn)線性度或進(jìn)入飽和行為,確定自熱效應(yīng)對這些參數(shù)和曲線可能會產(chǎn)生多大的位移。
當(dāng)表征需要建立載流子、電子或孔眼(在狀態(tài)之間跳動,根據(jù)多種條件修改其遷移性)的行為模型時,測量系統(tǒng)會以四線(或遠(yuǎn)程傳感)配置連接DUT,并使用三同軸電纜。
看一下四線配置的三同軸電纜連接,總長度對應(yīng)Force Hi和Sense Hi電纜長度之和。根據(jù)三同軸電纜的電容/米(pF/m)指標(biāo),我們可以計算出,用兩條三同軸電纜把SMU連接到器件端子上,長度為20米(10米+ 10米),保護(hù)電容約為2 nF,屏蔽電容約為6 nF。
在這些情況下,SMU的靈敏度在測量弱電(一般在納安級)的傳遞特點時沒有意義,因為電容電纜負(fù)載會導(dǎo)致振蕩。SMU不僅要有靈敏度,還必須能夠保持電纜負(fù)載導(dǎo)致的有效電容,或者把SMU連接到DUT的任何引線的負(fù)載。
否則,靈敏度就沒有用,SMU只會產(chǎn)生有噪聲的振蕩讀數(shù)。
使用兩個SMU與使用兩個4211-SMU通過開關(guān)矩陣測得的FET的Id-Vd曲線對比。
能夠確定測試電容是否影響測量正變得越來越關(guān)鍵。在這些情況下,吉時利應(yīng)用工程師可以提供寶貴的咨詢服務(wù),確??蛻舯苊庀葳?。在設(shè)置中有長連接電纜時,或者在測量系統(tǒng)和DUT之間有開關(guān)矩陣時,或者DUT或卡盤要求進(jìn)行納安級測量時,最好復(fù)核設(shè)置,尋求顧問和建議。
為關(guān)鍵量程提供的最新解決方案
面對這些極具挑戰(zhàn)性的特殊情況,必需在測量中使用特定的SMUs模塊。吉時利推出了一種專用版SMU,可以用于類似4200A-SCS參數(shù)分析儀的參數(shù)分析系統(tǒng)中。
SMUs特別適合連接LCD測試站、探頭、開關(guān)矩陣或任何其他大型測試儀或復(fù)雜的測試儀。
4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU(選配4200-PA前置放大器)支持穩(wěn)定的弱電測量,即使是在長線纜連接導(dǎo)致較高的測試連接電容時。
事實上,這些模塊可以供電并測量容性超過當(dāng)今1,000倍的系統(tǒng)。例如,如果電流電平為1 ~ 100 pA (微微安),那么最新的吉時利模塊會穩(wěn)定在1 μF (微法拉)的負(fù)載電容上。相比之下,最大負(fù)載電容競品在測量穩(wěn)定性劣化前只能容忍1,000 pF (微微法拉),換句話說,比吉時利模塊差1,000倍。
高阻抗應(yīng)用C-V測量
總結(jié)
持續(xù)改進(jìn)測量技術(shù)必不可少,以優(yōu)化半導(dǎo)體材料,在集成晶體管中實現(xiàn)低接觸電阻、專門的形狀和獨特的結(jié)構(gòu)。GaN晶體管在未來功率電子中的成功,與鑄造工藝中采用的納米結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。一方面,柵極寬度結(jié)構(gòu)中的電容較低,所以要考慮任何其他有意義的電容影響,比如電纜和連接產(chǎn)生的電容。另一方面,通過改善SMU耐受高電容的能力,提供更高的測量穩(wěn)定性,它們也克服了這些問題。
關(guān)于泰克科技
泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案,解決各種問題,釋放洞察力,推動創(chuàng)新能力。70多年來,泰克一直走在數(shù)字時代前沿。
(來源:泰克科技)
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