CN103792473A - 一种栅极开启电压的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种栅极开启电压的测量方法，该测量方法通过在执行跨导法测量开启电压前，先利用一个比较子程序将小于参考值的漏源电流滤除。籍此，杜绝了因小电流波动引起的跨导返回异常值问题，从而提高了跨导法测量开启电压的准确度。同时本发明的方法还具有应用范围广、调校简单、执行效率高等特点。

Description

一种栅极开启电压的测量方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件参数的测量方法，具体地说，是一种栅极开启电压的测量方法。

背景技术

在金属氧化物半导体(MOS)器件生产过程中，对MOS管器件的参数测量是十分有必要的。尤其是在MOS管被制作完成后，需要测量得到该MOS管器件的栅极开启电压(Vt)，以此判断MOS管的工作性能是否达到厂商要求。

对于开启电压Vt的测量，往往需要通过测量漏源电流ID来得到。请参见图1，图1是一种理想的MOS管器件的漏源电流ID与栅极电压Vg之间的关系曲线图。如图1所示，理想器件的漏源电流ID是栅极电压Vg的单调递增函数，在Vg小于开启电压Vt的区间内，漏源电流ID随栅极电压Vg的增加迅速增大；当MOS器件进入饱和区后，及Vg>Vt时，ID随Vg的增加上升缓慢。根据上述关系，只需知道ID-Vg曲线100上斜率最大的点，就能计算出MOS管器件的栅极开启电压Vt。

跨导法测量Vt，就是依赖上述原理进行开启电压测量的一种常用方法。该方法是在栅极上加上一个扫描电压使硅表面反型，然后在漏源极间加一定电压，使源漏之间有电流通过。在测试过程中，在栅极上扫描电压的同时进行源漏电流的测试，然后逐个比较每一步栅压变化所对应的源漏电流变化率（即跨导）的大小。沿最大跨导点做一漏源电流曲线的切线，切线与栅电压的交点记为Vintercept，则开启电压Vt=Vintercept-1/2Vd，其中Vd为漏极电压。

然而现有的跨导法测量Vt的过程中，存在如下的问题：由于原机测试Vt为节省测试时间，对跨导比较方式为后一个跨导与前一个跨导作比较，当跨导值降低则返回此时栅端电压值做计算，而不是扫整个栅端所有电压范围取最大跨导点。这样会导致原机测跨导法测试，如果在栅端电压较小时，电流存在波动，会返回异常值。请参见图2，图2是现有的跨导法测量Vt时，产生的跨导波动曲线。如图2所示，对于ID曲线，在栅极电压Vg较小的区间内，漏源电流存在波动，该电流波动可能由MOS管中的寄生器件等因素引起引起，带来的影响是，对于该处的跨导而言，其前一个值可能小于后一个值，此时的跨导曲线Vgm中会产生图示中圈线1所示的跨导异常值，使得跨导法在该点出就返回计算，得到错误的Vt值。

因此，有必要对现有的跨导法测Vt的方法提出改进，以克服上述的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种跨导法测量栅极开启电压的方法，该测量方法可以避免漏源电流ID处于小电流值时，因波动引起的测量异常，从而改善现有技术中的弊端，实现精准且简单的跨导法测开启电压。

根据本发明的目的提出的一种栅极开启电压测量方法，包括步骤：

1）提供待测MOS晶体管；

2）对所述MOS晶体管的栅极施加扫描电压，并测量该MOS晶体管的源漏极电流，得到漏源电流-栅极电压曲线；

3）将测量得到的源漏电流与一参考值比较，如果该源漏电流大于所述参考值，执行步骤4），如果该源漏电流小于所述参考值，返回步骤2)；

4）利用跨导法，在所述漏源电流-栅极电压曲线上测量并得到开启电压。

优选的，所述步骤2）中，测量漏源极电流之前，还包括对漏源极施加一工作电压。

优选的，所述步骤3）中的参考值为10nA～20nA。

优选的，所述步骤4）中的跨导法，包括步骤：

4.1）对漏源电流-栅极电压曲线上以选定步长求跨导，并将前一个步长上的跨导值与后一个步长上的跨导值比较；

4.2）当步骤4.1）中的比较结果为前一个步长上的跨导值大于后一个步长上的跨导值时，将该前一个步长上的跨导值返回为最大跨导点；

4.3）以该最大跨导点对应的漏源电流-栅极电压曲线上的点做切线，计算得到开启电压。

优选的，所述步骤2）中的对栅极施加扫描电压是通过测试探针实现的。

上述的栅极开启电压测量方法，通过在对漏源电流-栅极电压曲线求跨导之前，先对漏源电流与一参考值做比较，将小于该参考值的所有漏源电流过滤，从而避免小电流情况下因波动产生的跨导异常问题，提高了跨导法求开启电压的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种理想的MOS管器件的漏源电流ID与栅极电压Vg之间的关系曲线图；

图2是现有的跨导法测量Vt时，产生的跨导波动曲线；

图3给出了本发明的栅极开启电压测量方法的步骤示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有的跨导法测量栅极开启电压中，当栅极施加的扫描电压较小时，漏源端的输出电流也比较小，此时，电流容易产生波动。这种波动导致的结果是在计算跨导时，在波动处的跨导会发生前一个跨导大于后一个跨导的情况，这样在计算机处理时，就会认为此处的跨导已经达到最大值因而返回一个错误的跨导，从而引起对开启电压计算的错误。

针对上述问题，本发明对现有的跨导法测量Vt进行改进，将漏源电流处于小电流波动区间范围内的一段通过一个滤值参考值进行过滤，使得只有当漏源电流值大于该参考值时，再进行跨导法计算开启电压。这样一来，就避免了因漏源电流的波动引起的跨导返回异常值问题，从而提高了跨导法测量开启电压的准确性。

具体地，本发明的技术方案请参考图3，图3给出了本发明的栅极开启电压测量方法的步骤示意图，如图所示，本发明的栅极开启电压测量方法包括步骤：

S11：提供待测MOS晶体管；

S12：对所述MOS晶体管的栅极施加扫描电压，并测量该MOS晶体管的源漏极电流，绘制漏源电流-栅极电压曲线；

S13：将测量得到的源漏电流与一参考值比较，如果该源漏电流大于所述参考值，执行步骤S14，如果该源漏电流小于所述参考值，返回步骤S12；

S14：利用跨导法，在所述漏源电流-栅极电压曲线上测量并得到开启电压。

下面，将以具体实施方式对本发明的技术方案做详细描述。

首先，执行步骤S11，提供一个待测MOS晶体管，该待测MOS晶体管可以是设置在衬底上未经封装的器件，也可以是已经封装，由电极引脚对栅极、源极和漏极进行电信号的输入和输出的器件。对于MOS晶体管器件来说，由于不同的MOS器件在制作时，受到工艺和环境条件的影响，因此其费米能级、杂质浓度、栅氧厚度等参数都会不同。因此一般每个MOS管都会有自己的开启电压Vt值。对于使用端的客户来说，知道MOS管的开启电压就能判定每个MOS管的工作性能，因此开启电压的测量显得尤为重要。

在未封装的MOS器件实施例中，该MOS器件位于一片晶圆衬底上。执行步骤S12时，需要将该晶圆置于测量机台的测试平台上。通过若干个测试探针，直接与MOS器件的源极/漏极、栅极和衬底进行电接触。利用与栅极接触的探针对栅极施加一扫描电压Vg，该扫描电压Vg比如是0.1V至10V区间内变化的正弦波电压、方波电压或其它形式的周期性振荡变化的电压。将源极和衬底接地或者施加一个非零偏压，并在漏极上施加一个大于源极处的电压，使漏源之间有一个工作电压。一般地，该工作电压应该选用直流电压供电。

当所述栅极以及源漏极之间都加上电压后，源漏极之间产生源漏电源ID。通过测试探针测量对应栅极电压下的源漏电流。通过选定一定步长下栅极电压，得到一组对应的漏源电流，从而可以绘制出源漏电流-栅极电压的变化曲线。上述的测量可以通过人工计量，即当栅极上施加的扫面电压变化时，通过人工选定的点测量得到对应数量的漏源电流。也可以通过软件对栅极电压处于变化状态下的自动计量，得到一组漏源电流的值，然后再通过软件绘制出漏源电流-栅极电压的变化曲线。

而在MOS晶体管处于封装器件中的实施例中，则利用测试探针通过封装器件的测试引脚对MOS晶体管施加相应的电压和测量相应的电流。

对于上述方法中的测试装置，一般选用具有电磁噪声屏蔽能力的装置。这样当MOS晶体管进行测量时，所述测试装置内部的MOS晶体管不会受到外界噪声的影响。

开始绘制漏源电流-栅极电压曲线时，则执行步骤S13。需要对漏源电流的大小进行判断。实现该步骤的具体方案，可以通过软件，编制一个用来比较的子程序模块，通过设定一个用以衡量电流大小的参考值，对漏源电流-栅极电压曲线中小于该参考值的电流，则不执行其它操作，即仍然执行步骤S12；而对漏源电流-栅极电压曲线中大于该参考值的电流，则开始执行步骤S14，即开始对漏源电流求跨导，同时比较前后两个跨导的大小，直到找到最大的跨导点。

这样一来，对于小电流处的漏源电流，由于有上述步骤的存在，可以进行过滤，即不用对这个范围内的漏源电流进行跨导的计算和比较。从而使得跨导法的测量结果不受小电流波动的影响。

对于该参考值的设定，需要视不同的MOS管器件而定。由于工艺条件的不同，制作出来的MOS管器件通常会存在不同的寄生器件，这些不同的寄生器件对小电流处的影响也不同。一般将该参考值设定在10nA-20nA之间，当参考值位于这个范围内时，基本可以保证存在波动的小电流被滤除。当然该参考值也可以设置成更大的值，只要满足在最大跨导点之下即可。

对于将该步骤S13设置成独立的子程序模块，可以将该子程序模块添加到子程序库中，这样一来，所有调用程序都可以用到此功能，应用范围广。另外如果对于不同的MOS管器件需要修改该参考值的数值时，也可以直接在该子程序中修改即可，使得不同MOS管器件的测量调整过程简单，效率高。

开始执行步骤S14时，漏源电流的大小已经被调校在大于参考值之上，因此对于该部分的漏源电流，可以使用跨导法进行开启电压Vt的测量。具体的跨导法包括如下步骤：

S4.1对漏源电流-栅极电压曲线上以选定步长求跨导，并将前一个步长上的跨导值与后一个步长上的跨导值比较；

S4.2当步骤S4.1中的比较结果为前一个步长上的跨导值大于后一个步长上的跨导值时，将该前一个步长上的跨导值返回为最大跨导点；

S4.3以该最大跨导点对应的漏源电流-栅极电压曲线上的点做切线，计算得到开启电压。

对于步骤S4.3中的计算，是通过公式：Vt=Vintercept-1/2Vd得到，公式中，Vt为开启电压，Vintercept为最大跨导点处漏源电流-栅极电压曲线的切线，切线与栅极电压的交点值，Vd为漏极电压。

此时计算得到的最大跨导点，可以保证在电流变化率最大的位置处，如图2中的圈线2所示。因此得到的开启电压Vt也可以保证为MOS管的实际开启电压。

综上所述，本发明提出了一种栅极开启电压的测量方法，该测量方法通过在执行跨导法测量开启电压前，先利用一个比较子程序将小于参考值的漏源电流滤除。如此一来，杜绝了因小电流波动引起的跨导返回异常值问题，从而提高了跨导法测量开启电压的准确度。同时本发明的方法还具有应用范围广、调校简单、执行效率高等特点。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种栅极开启电压的测量方法，其特征在于，该方法包括步骤：

1）提供待测MOS晶体管；

2）对所述MOS晶体管的栅极施加扫描电压，并测量该MOS晶体管的源漏极电流，绘制漏源电流-栅极电压曲线；

3）将测量得到的源漏电流与一参考值比较，如果该源漏电流大于所述参考值，执行步骤4），如果该源漏电流小于所述参考值，返回步骤2)；

4）利用跨导法，在所述漏源电流-栅极电压曲线上测量并得到开启电压。

2.如权利要求1所述的栅极开启电压的测量方法，其特征在于：所述步骤2）中，测量漏源极电流之前，还包括对漏源极施加一工作电压。

3.如权利要求1所述的栅极开启电压的测量方法，其特征在于：所述步骤3）中的参考值为10nA～20nA。

4.如权利要求1所述的栅极开启电压的测量方法，其特征在于：所述步骤4）中的跨导法，包括步骤：

4.1）对漏源电流-栅极电压曲线上以选定步长求跨导，并将前一个步长上的跨导值与后一个步长上的跨导值比较；

4.2）当步骤4.1）中的比较结果为前一个步长上的跨导值大于后一个步长上的跨导值时，将该前一个步长上的跨导值返回为最大跨导点；

4.3）以该最大跨导点对应的漏源电流-栅极电压曲线上的点做切线，计算得到开启电压。

5.如权利要求1所述的栅极开启电压的测量方法，其特征在于：所述步骤2）中的对栅极施加扫描电压是通过测试探针实现的。

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