【導讀】半導體行業(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)結構導致了新的顛覆性小型低功率電子器件的產(chǎn)生。
半導體行業(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)結構導致了新的顛覆性小型低功率電子器件的產(chǎn)生。
在為半導體器件電氣特點(diǎn)編制準確的報告時(shí)，比如特殊的NANO-FETs，業(yè)內的科研人員、科學(xué)家和工程師都面臨著(zhù)一個(gè)共同的問(wèn)題。當需要證明能夠實(shí)際上以簡(jiǎn)便的、可重復的方式控制這些參數時(shí)，這個(gè)問(wèn)題會(huì )變得更糟。
從觸摸屏顯示器控制的4200A電氣參數表征系統
低電流范圍內電氣表征的典型問(wèn)題是：必需確定低功率/低漏流MOSFET在不同條件下可實(shí)現的器件性能。
測量至關(guān)重要，因為它們識別具體指標(FoM)，而這些指標會(huì )證實(shí)或否認特定應用內的有效行為。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(kāi)和關(guān)閉漏極電流。FoMs可能會(huì )在不同應用間變化，但獲得指標的方式基本相同：提供精確受控的以一定方式變化的電壓或電流，同時(shí)準確地獲得電壓和電流測量，并與每個(gè)具體可變變量相關(guān)聯(lián)。
在實(shí)踐中，通過(guò)使用一定數量的源測量單元(SMUs)，也就是能夠在測量電流和電壓的同時(shí)提供電流或電壓的專(zhuān)門(mén)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備妥當時(shí)，許多隱藏的“細節”可能會(huì )導致問(wèn)題和誤導性結果，我們來(lái)看一下。
這些應該自問(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查看測試系統的陷阱?；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)?？吹绞静ㄆ饔脩?hù)忘了使用探頭到達特定測試點(diǎn)，來(lái)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(huì )忘記探頭引線(xiàn)對測量的影響，以及與信號耦合有關(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DC表征應用，風(fēng)險是類(lèi)似的。即使我們使用復雜昂貴的探測站系統器件來(lái)完成物理探，SMUs仍須強制施加電壓、測量電流，通過(guò)電纜連接到探頭卡上。這是否意味著(zhù)我們應該認為電纜可能影響我們的測量結果呢？
不管答案是什么，重要的是在繼續處理前你都要自己?jiǎn)?wèn)一下這個(gè)問(wèn)題。更重要的是，要確?；卮鹗钦_的。
CMOS制造中的精密測量，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(zhù)在測試系統中增加電容。由于當今MOSFETs是在較寬的擴展頻率范圍內表征的，因此必須認真考慮增加的電容導致的任何影響。
我們先看一下連接對電容的影響。參數(自動(dòng)化)測試設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(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(cháng)變得有意義時(shí)，電纜增加的電容仍會(huì )影響測量。
我們看一個(gè)實(shí)際應用，比如測試系統必須表征n-MOSFET晶體管。在這個(gè)應用中，我們使用基于SMU的測試系統，追蹤所謂的I-V曲線(xiàn)，這有時(shí)也稱(chēng)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)測量漏極電流(也使用SMU)。
通過(guò)這些曲線(xiàn)，我們可以采集有用的數據，精確建立晶體管傳導力激活和去激活模型，分析這些特征什么時(shí)候體現線(xiàn)性度或進(jìn)入飽和行為，確定自熱效應對這些參數和曲線(xiàn)可能會(huì )產(chǎn)生多大的位移。
當表征需要建立載流子、電子或孔眼（在狀態(tài)之間跳動(dòng)，根據多種條件修改其遷移性）的行為模型時(shí)，測量系統會(huì )以四線(xiàn)(或遠程傳感)配置連接DUT，并使用三同軸電纜。
看一下四線(xiàn)配置的三同軸電纜連接，總長(cháng)度對應Force Hi和Sense Hi電纜長(cháng)度之和。根據三同軸電纜的電容/米(pF/m)指標，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(cháng)度為20米(10米+ 10米)，保護電容約為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(diǎn)時(shí)沒(méi)有意義，因為電容電纜負載會(huì )導致振蕩。SMU不僅要有靈敏度，還必須能夠保持電纜負載導致的有效電容，或者把SMU連接到DUT的任何引線(xiàn)的負載。
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。
使用兩個(gè)SMU與使用兩個(gè)4211-SMU通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣測得的FET的Id-Vd曲線(xiàn)對比。
能夠確定測試電容是否影響測量正變得越來(lái)越關(guān)鍵。在這些情況下，吉時(shí)利應用工程師可以提供寶貴的咨詢(xún)服務(wù)，確?？蛻?hù)避免陷阱。在設置中有長(cháng)連接電纜時(shí)，或者在測量系統和DUT之間有開(kāi)關(guān)矩陣時(shí)，或者DUT或卡盤(pán)要求進(jìn)行納安級測量時(shí)，最好復核設置，尋求顧問(wèn)和建議。
為關(guān)鍵量程提供的最新解決方案
面對這些極具挑戰性的特殊情況，必需在測量中使用特定的SMUs模塊。吉時(shí)利推出了一種專(zhuān)用版SMU，可以用于類(lèi)似4200A-SCS參數分析儀的參數分析系統中。
SMUs特別適合連接LCD測試站、探頭、開(kāi)關(guān)矩陣或任何其他大型測試儀或復雜的測試儀。
4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU(選配4200-PA前置放大器)支持穩定的弱電測量，即使是在長(cháng)線(xiàn)纜連接導致較高的測試連接電容時(shí)。
事實(shí)上，這些模塊可以供電并測量容性超過(guò)當今1,000倍的系統。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 )穩定在1 μF (微法拉)的負載電容上。相比之下，最大負載電容競品在測量穩定性劣化前只能容忍1,000 pF (微微法拉)，換句話(huà)說(shuō)，比吉時(shí)利模塊差1,000倍。
高阻抗應用C-V測量
總結
持續改進(jìn)測量技術(shù)必不可少，以?xún)?yōu)化半導體材料，在集成晶體管中實(shí)現低接觸電阻、專(zhuān)門(mén)的形狀和獨特的結構。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構緊密相關(guān)。一方面，柵極寬度結構中的電容較低，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，提供更高的測量穩定性，它們也克服了這些問(wèn)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(jiǎn)便的測試、測量和監測解決方案，解決各種問(wèn)題，釋放洞察力，推動(dòng)創(chuàng )新能力。70多年來(lái)，泰克一直走在數字時(shí)代前沿。
（來(lái)源：泰克科技）
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