中心議題：

• 討論精確測量功率MOSFET的導通電阻

解決方案：

• 采用相鄰晶粒方法
• FEA輔助確定RDS(on)測量值

電阻值的測量通常比較簡(jiǎn)單。但是，對于非常小阻值的測量，我們必須謹慎對待我們所做的假定。對于特定的幾何形狀，如電線(xiàn)，Kelvin方法是非常精確的?？梢允褂妙?lèi)似的方法來(lái)測量均勻樣本的體電阻率和面電阻率，但是所使用的公式不同。在這些情況下，必須考慮探針間距和樣本厚度。僅僅運用Kelvin法本身無(wú)法保證精度。如果布局和連接數發(fā)生變化，就很難精確地預測非均勻幾何形狀的電阻。

MOSFET最重要的特性之一就是漏極到源極的導通電阻（RDS(on)）。在封裝完成之后測量RDS(on)很簡(jiǎn)單，但是以晶圓形式測量該值更具有其優(yōu)勢。

晶圓級測量

為了保證Kelvin阻值測量的精度，需要考慮幾項重要的因素：(1)待測器件（DUT）的幾何形狀；(2)到器件的接線(xiàn)；(3)材料的邊界；(4)各種材料（包括接線(xiàn)）的體電阻率。

一種測量RDS(on)的典型方法是在卡盤(pán)（Chuck）和接觸晶圓頂部的探針之間產(chǎn)生電流。另一種方法是在晶圓的背面使用探針來(lái)代替卡盤(pán)。這種方法可以精確到2.5mΩ。

一種較大的誤差來(lái)源于晶圓和卡盤(pán)之間的接觸（如圖1所示）。因為卡盤(pán)上以及晶圓背面粗糙不平，所以只有在個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行電氣連接。晶圓和卡盤(pán)之間的接觸電阻的數值足以給RDS(on)的測量引入較大的誤差。僅僅重新放置卡盤(pán)上晶圓的位置就會(huì )改變接觸區域并影響RDS(on)的測量結果。
另一種測量偏差來(lái)源是探針的布局。如果移動(dòng)了強制電流探針，電流的分布模式將發(fā)生變化。這會(huì )改變電壓梯度模式，而且會(huì )改變電壓檢測探針處的電壓。

相鄰晶粒方法

需要的設備包括：(1)帶有6個(gè)可用探針的探針臺；(2)電壓計；(3)電流源。將晶圓和導電的卡盤(pán)隔離開(kāi)這一點(diǎn)非常重要。如果晶圓與卡盤(pán)存在接觸，那么這種接觸將造成電流以平行于基底的方式流動(dòng)，改變了測量結果?？梢杂靡粡埣垖⒕A和卡盤(pán)隔離開(kāi)。

到漏極的連接是通過(guò)在待測器件的另一側使用相鄰的完全相同的器件來(lái)實(shí)現的。內部晶圓結構要比晶圓和卡盤(pán)之間的連接牢固得多。因此，相鄰晶粒方法要比傳統的RDS(on)測量方法精確得多。

圖2顯示了測量的結構。3個(gè)MOSFET和6個(gè)探針均在圖中顯示出來(lái)，電接觸則示意性地畫(huà)出。中間的MOSFET是待測器件。
所顯示的極性屬于N溝道MOSFET。漏極電流受限于探針的電流傳輸能力。左側的MOSFET的作用是在待測器件的漏極側施加電流。待測器件右側的MOSFET用于測量漏極電壓。

在MOSFET中，如果柵極開(kāi)啟，而且漏極到源極之間沒(méi)有電流，那么漏極和源極的電壓相等。這種方法就利用這個(gè)原理來(lái)測量探針D上的漏極電壓。

柵極偏壓被連接在探針C和E之間。如果連接在探針B和E之間，那么探針B和源極焊盤(pán)之間的電壓降會(huì )降低待測器件上的實(shí)際柵極電壓。因為在RDS(on)測量過(guò)程中沒(méi)有電流通過(guò)，所以探針C上不存在電壓降。

相鄰晶粒方法確實(shí)需要右側的MOSFET（在探針D和F之間）處于工作狀態(tài)。如果這個(gè)晶粒上的柵極和源極被短路，那么測量結果可能不正確。

RDS(on)的取值是通過(guò)計算Vdc/IAB得到的，但是也可以得到更加精確的RDS(on)取值。
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FEA輔助確定RDS(on)測量值

盡管相鄰晶粒法很精確，但是它并不能給出RDS(on)完全精確的測量值。為了得到僅由有源區貢獻的RDS(on)，可以將測量結果與仿真進(jìn)行對比。

有限元分析（FEA）軟件可以用來(lái)為測量結構建模。一旦建立了有源區電阻和RDS(on)測量值之間的關(guān)系，就可以根據測量結果確定有源區的電阻。

仿真模型是3個(gè)MOSFET和晶圓的一部分的三維表示。

在有限元模型中，有源區電阻是已知的。FEA軟件用來(lái)對測試結構建模并計算RDS(on)測量結果。

仿真過(guò)程進(jìn)行兩次，使用兩個(gè)不同的有源區電阻值來(lái)計算結果。因為響應的線(xiàn)性相當好，所以電阻值是任意選取的。對每種晶粒的尺寸，這種仿真只需要進(jìn)行一次。

利用仿真測量結果和實(shí)際有源區的電阻之間的關(guān)系，可以得到一個(gè)公式，用來(lái)根據相鄰晶粒方法的測量值計算有源區電阻。

相鄰晶粒方法

有幾項因素會(huì )給測量引入誤差。最重要的因素是探針的位置以及基底的電阻率。

從仿真結果可以看出，有些因素對測量結果的影響非常小?；椎暮穸韧ǔＪ?00μm。厚度從175μm變化到225μm只會(huì )給RDS(on)帶來(lái)1%的誤差（仿真的測量結果）。同樣，背墊金屬表面電阻的變化對結果的影響也不會(huì )超過(guò)1%。仿真得到的一項驚人的結果表明，頂部金屬厚度和電阻率對結果的影響也可以忽略不計。

基底電阻率的變化會(huì )給RDS(on)測量結果帶來(lái)線(xiàn)性響應。圖3顯示了遠遠超出實(shí)際基底正常分布的基底電阻率。這樣做是為了顯示響應是線(xiàn)性的。
探針在待測器件上的擺放位置必須保持一致。探針位置的變化會(huì )造成測量結果的變化。待測器件左側和右側器件上探針的位置（見(jiàn)圖2中的A和D）也會(huì )影響測量結果，但是影響沒(méi)有前者大。造成這種測量誤差的原因在于頂部金屬的表面電阻大于0。

將探針B或C從源極焊盤(pán)中心向邊緣移動(dòng)會(huì )導致較大的誤差。圖4顯示了移動(dòng)探針B或C所產(chǎn)生的誤差。每條線(xiàn)表示RDS(on) 2%的誤差。在繪制這張圖時(shí)，使用了5μm×5μm的網(wǎng)格。每次只移動(dòng)一個(gè)探針的位置。
相鄰晶粒方法是一種成本低廉、精確地以晶圓形式測量MOSFET有源區的RDS(on)的方法。它在檢測不同批次晶圓的差別方面非常有用。