I-V測量

要想成為主流測試技術(shù)，下一代超快I-V測試[7]系統(tǒng)必須具有很寬的源與測量動態(tài)量程。這意味著它們必須能夠提供對閃存器件進行特征分析所需的充足電壓，以及處理最新的CMOS[8]工藝所需的足夠低的電壓。例如，對于CMOS工藝中的一種嵌入式閃存——該閃存可能需要高達20V的電壓進行編程，但是CMOS工藝工作電壓為3V，因此所采用的測試系統(tǒng)必須能夠提供滿足兩種需求的電壓。它還需要有足夠?qū)挼碾娏髁砍烫幚碜钚碌墓に嚕凶銐蚩斓纳仙龝r間和足夠長的脈寬滿足各種應(yīng)用需求。它必須簡單易用，具有使系統(tǒng)能夠可靠提交精確測量結(jié)果的互連系統(tǒng)。

當前，超快I-V和測量功能正逐漸集成到參數(shù)分析儀中用于對越來越多的器件特征進行特征分析，尤其是負偏溫度不穩(wěn)定性（NBTI[9]）和正偏溫度不穩(wěn)定性（PBTI[10]）降低。超快I-V測量工具通過使研究人員快速一致地實現(xiàn)器件可靠性測量，提高了可靠性設(shè)計（DIR[11]）壽命測量的精度，而這種測量支持器件和電路設(shè)計的建模。

近來，有些研究人員被迫配置他們自己的超快BTI測試系統(tǒng)。這些內(nèi)部開發(fā)的系統(tǒng)通常包含脈沖發(fā)生器或任意波形發(fā)生器，以及配置了電流探頭或某種互阻抗放大器的示波器用于幫助測量低電流。盡管如果仔細選擇儀器和互連設(shè)備，我們可以構(gòu)建出適合非常特殊電氣條件需求的BTI系統(tǒng)，但是仍然存在幾個主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。

波形發(fā)生[12]。標準脈沖發(fā)生器和任意波形發(fā)生器的設(shè)計是在固定循環(huán)間隔上產(chǎn)生波形，而不是大多數(shù)可靠性測試（包括NBTI和PBTI測試）所需的Log（time）數(shù)。

測量定時與數(shù)據(jù)存儲。盡管示波器[13]經(jīng)過配置可以根據(jù)波形特征（例如下降沿）進行觸發(fā)，但是它們無法有選擇地保存波形的指定部分樣本。這樣它們就必須存儲很大的數(shù)據(jù)集進行后處理。只有那些最昂貴的示波器或者那些擴展了昂貴存儲器選件的示波器才能存儲足夠的數(shù)據(jù)彌補這些不足。

精度、準確性和靈敏度。偏溫不穩(wěn)定性是一種高動態(tài)的現(xiàn)象，需要靈敏而高速的測量才能進行準確的特征分析。假設(shè)所有其它因素不變，測量的物理原理在很大程度上決定了測量速度和靈敏度之間的關(guān)系。當進行亞毫秒級測量時，所有的噪聲源[14]都應(yīng)該考慮在內(nèi)；對于亞微秒級應(yīng)用，即使量子效應(yīng)也不能被忽略。示波器、電流探頭[15]和互阻抗放大器都有單獨定義的性能指標，它們不一定為協(xié)同工作進行了優(yōu)化。要想在高速情況下實現(xiàn)精密而準確的測量，我們通常很難以某種方式將這些部件組合起來實現(xiàn)具有很寬動態(tài)量程的最優(yōu)性能。

互連。內(nèi)部構(gòu)建的系統(tǒng)通常采用分路器和T型偏置器[16]，它們限制了測試系統(tǒng)配置的性能。例如，T型偏置器可能限制帶寬為100ns到10μs。盡管這適合于高速測量，但是它無法使得任何有效的預應(yīng)力（prestress）和后應(yīng)力（poststress）直流測量成為應(yīng)力測量序列的組成部分。它也無法在10ms到直流的中間時序范圍內(nèi)進行測量。

測試控制與數(shù)據(jù)管理。傳統(tǒng)的示波器不支持數(shù)據(jù)流，因此必須等待測試結(jié)束后才能傳輸測試結(jié)果。當測試一結(jié)束時，大量的數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C上進行后期處理，它需要將復雜的波形解析為單個的測試結(jié)果，然后進一步減少進入實際測量的數(shù)據(jù)。

測試終端。由于從示波器傳輸數(shù)據(jù)之前無法分析測試結(jié)果，因此在測試開始之前必須確定測試持續(xù)的時間。這就使得我們不可能終止基于參數(shù)變換的測試，或者實時檢測出突發(fā)的故障。

自動化。晶圓級或晶匣級自動化測試需要控制測試儀器和晶圓探針臺，內(nèi)部構(gòu)建的測試系統(tǒng)通常無法做到。此外，融合一些高級功能（如條件測試終端）也會給運行這類系統(tǒng)所需的定制軟件增加很大的復雜性。

更多的通道數(shù)。即使內(nèi)部構(gòu)建的系統(tǒng)在開始安裝時工作良好，系統(tǒng)集成設(shè)計者也需要增加通道或測試系統(tǒng)的數(shù)量以滿足不斷發(fā)展的應(yīng)用需求，尤其定制系統(tǒng)的升級是極其復雜的。典型測試系統(tǒng)的維護問題，例如校準、操作和這些定制配置的關(guān)聯(lián)，也需要不相稱的大量技術(shù)資源，而這些資源常常供應(yīng)有限。

進行超快I-V測量需要產(chǎn)生高速脈沖波形[3]并在待測器件發(fā)生松弛之前測量產(chǎn)生的信號。

高速I-V測試的早期實現(xiàn)方式（通常稱之為脈沖式I-V測試系統(tǒng)）是針對諸如高k介質(zhì)和絕緣體上硅（SOI）恒溫測試[4]，或產(chǎn)生閃存器件特征分析所必需的短脈沖之類的應(yīng)用而開發(fā)的。脈沖式I-V測量技術(shù)是十分必要的，這是因為當采用傳統(tǒng)直流I-V測試方法時，它們的絕緣襯底使得SOI器件保留了測試信號自身產(chǎn)生的熱量，使測得的特征參數(shù)發(fā)生偏移；而采用脈沖式測試信號能夠最大限度減少這種影響。

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[5]、互連硬件和負責集成并控制儀器的軟件構(gòu)成。不幸的是，這些系統(tǒng)受延遲的影響，信號源和測量功能之間的協(xié)同非常復雜。根據(jù)儀器的質(zhì)量及其集成的情況，這種方式在產(chǎn)生的脈沖寬度及其占空比方面還有局限性。即時不管這些局限性，這些早期脈沖式I-V測試系統(tǒng)的用戶已開始尋求將其用于各種其它特征分析任務(wù)，包括非易失性存儲器測試、超快NBTI[6]可靠性測試和很多其它應(yīng)用。但是，由于這些系統(tǒng)動態(tài)量程有限，它們?nèi)匀槐Ａ袅艘恍┨厥獾募夹g(shù)。

最新一代的參數(shù)分析儀可以通過配置最大限度減少或消除很多與內(nèi)部構(gòu)建的BTI特征分析系統(tǒng)相關(guān)的缺陷。它們不是采用分離的脈沖或波形發(fā)生器與示波器，而是將這些功能組合在支持緊密時序協(xié)同的高速源與測量模塊中。由于這些模塊與參數(shù)分析儀[17]完全集成在一起，所以它們可以利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和自動測試功能。機架式系統(tǒng)只需添加更多的模塊即可增加高速通道的數(shù)量，升級也很容易。

最新一代的參數(shù)分析儀能夠在同一個測試序列中集成超快I-V、直流I-V和C-V測量功能。這種功能對于越來越多的涉及到多種測量類型的應(yīng)用是十分可貴的，例如電荷泵[18]（CP），它通常需要在提供一個柵電壓的同時測量直流襯底電流，或者分析光伏（太陽能）電池[19]的電氣特征，其中通常要測量電流電容與加載的直流電壓之間的函數(shù)關(guān)系。

吉時利[20]的4200-SCS半導體[21]特征分析系統(tǒng)（如概述圖所示）長期以來始終支持精密直流I-V測量（利用集成的SMU）和C-V測量（利用可選的C-V模塊）。利用最近推出的4225-PMU[22]超快I-V模塊和4225-RPM[23]遠程放大器/開關(guān)，用戶可以增加超高速源和測量功能，所構(gòu)建的系統(tǒng)也針對新興的實驗室應(yīng)用進行了優(yōu)化，例如超快通用I-V測量；脈沖式I-V和瞬態(tài)I-V測量；閃存、PCRAM和其它非易失性測試；中等尺寸功率器件的恒溫測試；縮放CMOS的材料測試，例如高k介質(zhì)；NBTI/PBTI可靠性測試。（圖2給出了很多這類新興應(yīng)用映射到4200的直流I-V和超快I-V源與測量范圍內(nèi)的情形。）

概述圖：4200-SCS參數(shù)分析儀與超快I-V工具

圖2各種吉時利直流與脈沖I-V測量儀器的電流測量與時間關(guān)系的對比

SOI恒溫、約翰遜噪聲極限（環(huán)境）、4210-MMPC[24]線纜減少了傳輸線的影響、時間（秒）

超快I-V源和測量技術(shù)隨著越來越多傳統(tǒng)直流I-V測量功能的消失而迅速發(fā)展。注意到，傳統(tǒng)SMU設(shè)計[25]能夠提供和測量最高約1A的電流，最低約1皮安的電流。盡管增加遠程前置放大器后最低可以解析0.1fA的電流信號，但是這些只支持直流I-V測量的系統(tǒng)配置最佳速度僅為10毫秒。相比之下，超快I-V測量方案能夠進行最快10ns的測量，這對于涉及器件恢復時間特征分析的應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。專門針對超快I-V測試而設(shè)計的可選的遠程放大器將這些新型測量方案的電流分辨率向下擴展到幾十皮安，僅僅稍高于待測器件產(chǎn)生的約翰遜噪聲[26]決定的極限值。在單個機架內(nèi)集成了超快I-V源和測量儀器與遠程放大器的系統(tǒng)支持的特征分析應(yīng)用比以往任何時候都更加寬泛，包括相變存儲器器件測試、單脈沖電荷俘獲/高k介質(zhì)測試、LDMOS或砷化鎵中功率放大器器件特征分析、SOI恒溫測試、超快負偏溫不穩(wěn)定性（NBTI）測試、基于電荷的電容測量（CBCM[27]）、MEMS電容測試和越來越多的其它一些測試。

圖3給出了支持越來越多的超快I-V應(yīng)用的四種掃描類型：瞬態(tài)I-V掃描，其中對電壓和電流進行了連續(xù)數(shù)字化；快速脈沖式I-V測試，其中是在脈沖穩(wěn)定之后對電壓和/電流進行了采樣；濾波式脈沖，其中產(chǎn)生一個變化的脈沖電壓同時用一臺直流SMU測量產(chǎn)生的電流；脈沖應(yīng)力/直流測量，其中產(chǎn)生脈沖式電壓，緊接著直流SMU測量。除了這些傳統(tǒng)的掃描類型，4225-PMU[28]還具有完整的任意波形發(fā)生功能以及Segment ARB?模式，能夠十分方便地構(gòu)建、存儲和產(chǎn)生最多包含2048條用戶自定義線段的波形。每條線段可以有不同的持續(xù)時間，這一特性使其具有出色的波形發(fā)生靈活性。

瞬態(tài)I-V、快速脈沖I-V、脈沖發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、濾波脈沖、脈沖應(yīng)力/測量直流

隨著新型器件與測試應(yīng)用的出現(xiàn)以及半導體實驗研究需求的不斷發(fā)展，超高速源/測量功能將變得越來越重要。能夠適應(yīng)這些變化的需求，具有良好性價比和靈活性的測試系統(tǒng)不但可使研究人員延續(xù)以前的工作，而且可以跟上測量技術(shù)的發(fā)展。2100433B