CN106054054A - 一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试系统 - Google Patents

一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统。该系统包括波形处理器、宽频带电压放大器、宽频带电压偏置器、宽频带拾捡三通装置、第一微波探针和第二微波探针。本发明的创新在于通过给电子器件施加皮秒级的脉冲序列波形，使电子器件处于类似CPU的真实工作环境中，测试出CPU中的电子器件在实际开关速度(100pS级别)下的电学特性。本发明系统可适用于以硅、锗、Ⅲ‑Ⅴ族化合物为载流子沟道的高性能平面晶体管，以及鳍式立体栅极、环栅(GAA)结构场效应晶体管的电学特性研究。

Description

一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试系统
技术领域
本发明属于半导体器件电学参数提取领域，具体涉及一种在极短时间(100pS)，对高性能电子器件尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)器件ID-VG的测试方法。
背景技术
过去几十年中，随着CMOS集成电路技术的发展，电路中的最核心单元-金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)的尺寸遵从摩尔定律逐步减小，从几微米(μm)缩短至14nm，晶体管器件密度和性能不断提高。随着栅极长度不断缩小，氧化层厚度不断减薄，器件结深减小，阈值电压减小，MOSFET晶体管器件的性能会因为迁移率退化、静态功耗以及关态漏电流等因素而有所下降，传统的硅基场效应晶体管已接近其工作原理的物理极限。解决短沟道效应的方法是采用具有极高载流子迁移率材料作为新的沟道材料，主要包括Ge、Ⅲ-Ⅴ族半导体等。另一种方法是用新的绝缘体超薄体材料或用立体器件结构来取代传统的体硅器件，如绝缘体上硅(SOI)；以及双栅、三栅(FinFETs)、围栅(GAA)立体器件和纳米线晶体管等等。
随着器件尺寸的不断减小，晶体管栅极氧化层电电场不断增加，半导体中位于栅介质氧化层与沟道界面处的载流子会在强电场作用下加速到具有极高动能。这些载流子会破坏器件结构，影响器件特性，因此正确提取晶体管的电学参数十分重要。
采用传统的直流电流电压测试方法获得MOSFET晶体管漏极电流Id与栅极电压Vg的输出转移特性曲线，通常需要大约几秒钟。已有研究表明栅叠层与沟道界面缺陷捕获释放载流子时间甚至快至十几皮秒。目前报道的最快的快速ID-VG测试方法中上升下降沿为为几纳秒，并不能完整反映载流子与缺陷之间的传输运动。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试系统，通过给器件的栅极施加伪随机二进制码波形，使器件处于类似CPU的真实工作环境中，测试出CPU中实际开关速度(100pS级别)的器件转移特性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，该系统包括波形处理器、宽频带电压放大器、宽频带电压偏置器、宽频带拾捡三通装置、第一微波探针和第二微波探针；波形处理器产生上升沿和下降沿均小于100pS的电压脉冲波形或伪随机二进制码序列电压波形的电压信号，由输出通道依次传输至宽频带电压放大器和宽频带电压偏置器后，通过第一微波探针在待测MOSFET晶体管的栅极上加载栅极电压信号，栅极电压信号的上升沿和下降沿时间以及占空比均可调；宽频带拾捡三通装置通过第二微波探针在待测MOSFET晶体管的漏极上加载漏极电压信号；在保证高频信号完整性的同时，宽频带拾捡三通装置通过第二微波探针在待测MOSFET晶体管的漏极上采集MOSFET晶体管的漏电流信号，无失真地传输至波形处理器的输入通道，根据系统总延时确定栅极电压信号和漏电流信号的对应关系，即得到ID-VG关系曲线。
进一步地，所述第二微波探针为能够自动散热的“地-信号-地”微波探针，在一侧的“地-信号”终端之间接有50Ω电阻。
进一步地，该系统还包括三通道直流电源，三通道直流电源的第一通道和第二通道分别为宽频带电压放大器提供正直流电压和负直流电压；第三通道为宽频带电压偏置器提供直流工作电压，直流工作电压的大小由MOSFET晶体管的栅极工作电压决定。
进一步地，该系统还包括直流电源，其输出的直流电压的大小由MOSFET晶体管的漏极工作电压决定。
进一步地，所述的宽频带电压放大器、宽频带电压偏置器、宽频带拾捡三通装置的极限带宽需保证信号传输的完整性。
进一步地，波形处理器与第一微波探针和第二微波探针之间传输线缆为毫米波电缆，其极限带宽需保证信号传输的完整性。
进一步地，为了减少系统噪声，在整个系统中建立公共地。
本发明的有益技术效果是：本发明的创新在于为测试出CPU中实际开关速度(100pS级别)的器件转移特性，通过第一微波探针在MOSFET晶体管的栅极加载上升沿和下降沿均小于100pS的电压脉冲波形或伪随机二进制码序列电压波形的电压信号，使器件处于类似CPU的真实工作环境中。宽频带拾捡三通装置通过第二微波探针在待测MOSFET晶体管的漏极上加载漏极电压信号；在保证高频信号完整性的同时，宽频带拾捡三通装置通过第二微波探针在待测MOSFET晶体管漏极上采集MOSFET晶体管的漏电流信号。
附图说明
图1为本发明超快速电学性能测试系统的结构示意图。
图2为本发明超快速电学性能测试系统计算漏极电流的等效电路图。
图3为本发明超快速电学性能测试系统波形处理器输出的伪随机二进制序列PRBS15波形。
图4为本发明超快速电学性能测试系统的测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本实施例一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试系统，包括波形处理器101、宽频带电压放大器102、宽频带电压偏置器103、宽频带拾捡三通装置108、第一微波探针104、第二微波探针113。波形处理器101产生上升沿和下降沿均小于100pS的电压脉冲波形或伪随机二进制码序列电压波形的电压信号110，由输出通道依次传输至宽频带电压放大器102和宽频带电压偏置器103后，通过第一微波探针104在待测MOSFET晶体管105的栅极上加载栅极电压信号110；波形处理器101的带宽和采样率设置满足在皮秒级快速上升或下降沿采集到足够多的数据点的要求，栅极电压信号110的上升沿和下降沿时间以及占空比均可调。宽频带拾捡三通装置108通过第二微波探针113在待测MOSFET晶体管105的漏极上加载漏极电压信号111；在保证高频信号完整性的同时，宽频带拾捡三通装置108通过第二微波探针113在待测MOSFET晶体管105的漏极上采集MOSFET晶体管105的漏电流信号112，无失真地传输至波形处理器101的输入通道；根据系统总延时确定栅极电压信号110和漏电流信号112的对应关系，即得到ID-VG关系曲线。
本实施例中，该系统还包括三通道直流电源107以及直流电源109，三通道直流电源107的第一通道和第二通道分别为宽频带电压放大器102提供+8V的直流电压和-5V的直流电压，第三通道为宽频带电压偏置器103提供直流工作电压，直流工作电压的大小由MOSFET晶体管105的栅极工作电压决定。宽频带拾捡三通装置108在待测MOSFET晶体管105的漏极上加载的漏极电压信号111由直流电源109输出提供；直流电源109其输出的直流电压的大小由MOSFET晶体管105的漏极工作电压决定。为了减少系统噪声，在整个系统中建立公共地106。
图2给出测试系统中计算漏极电流Id的等效电路图。其中V1是MOSFET晶体管漏极的电压，R1、R2、R3是宽频带拾捡三通装置的电阻，V2是波形处理器上显示的电压值。为了保证信号的完整性，波形处理器内接有50Ω的电阻。根据基尔霍夫电压电流定律，可以将波形处理器上显示的电压转化为对应的MOSFET晶体管漏极电流。
图4给出了本发明的快速测试系统与普通阻抗分析仪测试的结果对比。测试的MOSFET晶体管105为HfO2/SiO2(2nm/1nm)nMOSFET，栅长为0.18μm，栅宽为10μm。给器件的栅极施加如图3所示的伪随机二进制码序列PRBS15，低电压为0V，高电压为2V。PRBS15序列是长度为215-1bit，2Gs/s个样点的随机序列，用以模拟MOSFET在真实工作条件下的随机逻辑环境。使用本发明设计的系统进行测试，经过计算得到的ID-VG转移特性曲线如图4圆形曲线所示，图4正方形曲线是使用常规的阻抗参数分析仪测试到的ID-VG转移特性曲线。显然，本发明的快速测试系统与常规的阻抗参数分析仪的测试结果高度吻合，说明本发明的快速测试系统准确有效。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，其特征在于：该系统包括波形处理器(101)、宽频带电压放大器(102)、宽频带电压偏置器(103)、宽频带拾捡三通装置(108)、第一微波探针(104)和第二微波探针(113)等；波形处理器(101)产生上升沿和下降沿均小于(100)pS的电压脉冲波形或伪随机二进制码序列电压波形的电压信号，由输出通道依次传输至宽频带电压放大器(102)和宽频带电压偏置器(103)后，通过第一微波探针(104)在待测MOSFET晶体管(105)的栅极上加载栅极电压信号(110)，栅极电压信号(110)的上升沿和下降沿时间以及占空比均可调；宽频带拾捡三通装置(108)通过第二微波探针(113)在待测MOSFET晶体管(105)的漏极上加载漏极电压信号(111)，并采集MOSFET晶体管(105)的漏电流信号(112)，将采集的漏电流信号(112)传输至波形处理器(101)的输入通道；根据系统总延时确定栅极电压信号(110)和漏电流信号(112)的对应关系，即得到ID-VG关系曲线。
2.根据权利要求1所述的一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，其特征在于：所述第二微波探针(113)为能够自动散热的“地-信号-地”微波探针，在一侧的“地-信号”终端之间接有50Ω电阻。
3.根据权利要求1所述的一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，其特征在于：该系统还包括三通道直流电源(107)，三通道直流电源(107)的第一通道和第二通道分别为宽频带电压放大器(102)提供正直流电压和负直流电压；第三通道为宽频带电压偏置器(103)提供直流工作电压，直流工作电压的大小由MOSFET晶体管(105)的栅极工作电压决定。
4.根据权利要求1所述的一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，其特征在于：该系统还包括直流电源(109)，其输出的直流电压的大小由MOSFET晶体管(105)的漏极工作电压决定。
5.根据权利要求1所述的一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，其特征在于：所述的宽频带电压放大器(102)、宽频带电压偏置器(103)、宽频带拾捡三通装置(108)的极限带宽需保证信号传输的完整性。
6.根据权利要求1所述的一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，其特征在于：波形处理器(101)与第一微波探针(104)和第二微波探针(113)之间传输线缆为毫米波电缆，其极限带宽需保证信号传输的完整性。
7.根据权利要求1所述的一种应用于半导体器件的皮秒级超快速电学特性测试的系统，其特征在于：在整个系统中建立公共地(106)。
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