【技術(shù)大咖測(cè)試筆記系列】之八：低功率范圍內(nèi)的MOSFET表征

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(diǎn)編制準(zhǔn)確的報(bào)告時(shí)，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(gè)共同的問(wèn)題。當(dāng)需要證明能夠?qū)嶋H上以簡(jiǎn)便的、可重復(fù)的方式控制這些參數(shù)時(shí)，這個(gè)問(wèn)題會(huì)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)

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低電流范圍內(nèi)電氣表征的典型問(wèn)題是：必需確定低功率/低漏流MOSFET在不同條件下可實(shí)現(xiàn)的器件性能。

測(cè)量至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冏R(shí)別具體指標(biāo)(FoM)，而這些指標(biāo)會(huì)證實(shí)或否認(rèn)特定應(yīng)用內(nèi)的有效行為。例如，n型FETs要求評(píng)估不同源極、漏極和柵極電壓值上的打開(kāi)和關(guān)閉漏極電流。FoMs可能會(huì)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(shí)準(zhǔn)確地獲得電壓和電流測(cè)量，并與每個(gè)具體可變變量相關(guān)聯(lián)。

在實(shí)踐中，通過(guò)使用一定數(shù)量的源測(cè)量單元(SMUs)，也就是能夠在測(cè)量電流和電壓的同時(shí)提供電流或電壓的專門儀器，可以解決這個(gè)問(wèn)題。但實(shí)用的解決方案看上去準(zhǔn)備妥當(dāng)時(shí)，許多隱藏的“細(xì)節(jié)”可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題和誤導(dǎo)性結(jié)果，我們來(lái)看一下。

這些應(yīng)該自問(wèn)的關(guān)鍵問(wèn)題

越來(lái)越常見(jiàn)的是，工程師會(huì)落入忘了從整體上仔細(xì)查看測(cè)試系統(tǒng)的陷阱?；蛘吒靡稽c(diǎn)，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)?？吹?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/491602.html">示波器用戶忘了使用探頭到達(dá)特定測(cè)試點(diǎn)，來(lái)測(cè)量電路板。對(duì)那些被提醒考慮探頭對(duì)信號(hào)影響的工程師，他們一般仍會(huì)忘記探頭引線對(duì)測(cè)量的影響，以及與信號(hào)耦合有關(guān)的問(wèn)題。

“那么，這真有關(guān)系嗎?”他們會(huì)問(wèn)。遺憾的是，確實(shí)有關(guān)系，我們必需考慮這些影響。

對(duì)DC表征應(yīng)用，風(fēng)險(xiǎn)是類似的。即使我們使用復(fù)雜昂貴的探測(cè)站系統(tǒng)器件來(lái)完成物理探，SMUs仍須強(qiáng)制施加電壓、測(cè)量電流，通過(guò)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(cè)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?jiǎn)栆幌逻@個(gè)問(wèn)題。更重要的是，要確?；卮鹗钦_的。

CMOS制造中的精密測(cè)量，是說(shuō)明連接能力重要性的典型實(shí)例。事實(shí)上，連接能力意味著在測(cè)試系統(tǒng)中增加電容。由于當(dāng)今MOSFETs是在較寬的擴(kuò)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(duì)電容的影響。參數(shù)(自動(dòng)化)測(cè)試設(shè)備一般使用三同軸電纜連接，這是源測(cè)量測(cè)試單元與被測(cè)器件之間非常典型的低噪聲連接實(shí)例。三同軸電纜是一種特殊的同軸電纜，它通過(guò)一個(gè)額外的外部銅纜法拉第屏蔽層來(lái)絕緣傳導(dǎo)信號(hào)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(zhǎng)變得有意義時(shí)，電纜增加的電容仍會(huì)影響測(cè)量。

我們看一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，比如測(cè)試系統(tǒng)必須表征n-MOSFET晶體管。在這個(gè)應(yīng)用中，我們使用基于SMU的測(cè)試系統(tǒng)，追蹤所謂的I-V曲線，這有時(shí)也稱為“輸出特點(diǎn)” 或“傳遞特點(diǎn)”。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(shí)測(cè)量漏極電流(也使用SMU)。

通過(guò)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(shí)候體現(xiàn)線性度或進(jìn)入飽和行為，確定自熱效應(yīng)對(duì)這些參數(shù)和曲線可能會(huì)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(dòng)，根據(jù)多種條件修改其遷移性）的行為模型時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)會(huì)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(zhǎng)度對(duì)應(yīng)Force Hi和Sense Hi電纜長(zhǎng)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(jì)算出，用兩條三同軸電纜把SMU連接到器件端子上，長(zhǎng)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(cè)量弱電(一般在納安級(jí))的傳遞特點(diǎn)時(shí)沒(méi)有意義，因?yàn)殡娙蓦娎|負(fù)載會(huì)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(méi)有用，SMU只會(huì)產(chǎn)生有噪聲的振蕩讀數(shù)。

使用兩個(gè)SMU與使用兩個(gè)4211-SMU通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣測(cè)得的FET的Id-Vd曲線對(duì)比。

能夠確定測(cè)試電容是否影響測(cè)量正變得越來(lái)越關(guān)鍵。在這些情況下，吉時(shí)利應(yīng)用工程師可以提供寶貴的咨詢服務(wù)，確?？蛻舯苊庀葳濉Ｔ谠O(shè)置中有長(zhǎng)連接電纜時(shí)，或者在測(cè)量系統(tǒng)和DUT之間有開(kāi)關(guān)矩陣時(shí)，或者DUT或卡盤要求進(jìn)行納安級(jí)測(cè)量時(shí)，最好復(fù)核設(shè)置，尋求顧問(wèn)和建議。

為關(guān)鍵量程提供的最新解決方案
面對(duì)這些極具挑戰(zhàn)性的特殊情況，必需在測(cè)量中使用特定的SMUs模塊。吉時(shí)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(cè)試站、探頭、開(kāi)關(guān)矩陣或任何其他大型測(cè)試儀或復(fù)雜的測(cè)試儀。

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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(cè)量，即使是在長(zhǎng)線纜連接導(dǎo)致較高的測(cè)試連接電容時(shí)。

事實(shí)上，這些模塊可以供電并測(cè)量容性超過(guò)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(shí)利模塊會(huì)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(jìng)品在測(cè)量穩(wěn)定性劣化前只能容忍1,000 pF (微微法拉)，換句話說(shuō)，比吉時(shí)利模塊差1,000倍。

高阻抗應(yīng)用C-V測(cè)量

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總結(jié)

持續(xù)改進(jìn)測(cè)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(shí)現(xiàn)低接觸電阻、專門的形狀和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。GaN晶體管在未來(lái)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(guò)改善SMU耐受高電容的能力，提供更高的測(cè)量穩(wěn)定性，它們也克服了這些問(wèn)題。