CN106124832A - 一种元器件饱和电流的量测方法和量测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件失效分析技术领域，尤其涉及一种元器件饱和电流的量测方法和量测系统，该量测方法包括：提供一探针台，所述探针台包括吸附卡盘、电学监测仪以及多根探针；将一元器件放置于所述吸附卡盘上且与所述电学监测仪电连接；所述探针台利用一第一探针在所述元器件的栅极端施加一固定电压，并利用一第二探针和一第三探针在所述元器件的沟道两端施加可变电流；以及利用所述电学监测仪，对所述沟道两端的可变电流进行监测。

Description

一种元器件饱和电流的量测方法和量测系统
技术领域
本发明涉及半导体器件失效分析技术领域，尤其涉及一种元器件饱和电流的量测方法和量测系统。
背景技术
在半导体领域，对元器件做失效模式分析时，需要使用探针测试元器件电流特性，以量测出元器件的饱和电流。现有量测饱和电流的方法是使用三根探针分别接在元器件的Gate/Source/Drain（栅极/源极/漏极）三端，固定Source/Drain两端的电压，扫描Gate端的电压，同时侦测Drain端的电流，以得到Id­—Vg（漏极电流—栅极电压）曲线。当Gate端电压施加到工作电压时所得到的Drain端电流值，即为元器件的饱和电流。采用这种方法所得到的电流值，与实际施加在Source/Drain两端的电压值密切相关，而施加在Source/Drain两端的实际电压又与沟道电阻（Source/Drain两端电阻）和接触电阻（包含探针本身电阻以及探针与元器件的接触电阻）紧密相关。简而言之，即饱和电流值与沟道电阻与接触电阻密切相关。
通常，探针自身电阻大概在100欧姆左右，探针与元器件端口接触电阻约为数十欧姆，因为施加在元器件沟道两端的电压是一定的，根据欧姆定律，沟道电阻与接触电阻这两个电阻值越大，分压就越大，实际施加在Source/Drain两端的电压就越小，因此所测试出的饱和电流值就越小。特别是当元器件沟道电阻较小时（通常为100-1000 Ω），探针本身电阻值（100Ω）和接触电阻值相对沟道电阻值较大，因此对最终量测结果的影响更加明显，造成量测到的饱和电流值准确度差，影响对异常分析结果的误判，使得失效分析无法继续进行。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明旨在提供一种新的元器件饱和电流的量测方法和量测系统，可以保证量测结果的精确性，以保证失效分析顺利进行。
本发明解决上述技术问题的主要技术方案为：
一种元器件饱和电流的量测方法，其特征在于，包括：
提供一探针台，所述探针台包括吸附卡盘、电学监测仪以及多根探针；
将一元器件放置于所述吸附卡盘上且与所述电学监测仪电连接；
所述探针台利用一第一探针在所述元器件的栅极端施加一固定电压，并利用一第二探针和一第三探针在所述元器件的沟道两端施加可变电流；以及
利用所述电学监测仪，对所述沟道两端的可变电流进行监测。
优选的，上述的量测方法，其中，施加于所述栅极端的固定电压等于所述元器件的工作电压VGS，以将所述元器件的源极和漏极之间的沟道完全开启。
优选的，上述的量测方法，其中，所述探针台利用所述第二探针将所述元器件的源极端接地，并利用所述第三探针在所述元器件的漏极端施加可变电流。
优选的，上述的量测方法，其中，所述电学监测仪包括电压监测仪，与所述元器件的源极端和漏极端电连接，以侦测所述元器件的源极和漏极间形成的沟道两端的电压差。
优选的，上述的量测方法，其中，所述电学测量仪包括电流监测仪，通过所述第三探针与所述元器件的漏极端电连接，以实时侦测施加于所述漏极端的可变电流值。
优选的，上述的量测方法，其中，于所述元器件的沟道两端的电压差等于所述漏极端的工作电压时，所述电流监测仪读取所述漏极端的实时电流值ID，以作为所述元器件的饱和电流。
优选的，上述的量测方法，其中，所述漏极端的工作电压VDS等于所述元器件的工作电压VGS减去所述元器件的夹断电压VGS(off)；
其中，所述夹断电压VGS(off)为施加于所述元器件的栅极端的电压使得所述源极和所述漏极之间的沟道消失的临界电压值，且所述夹断电压VGS(off)为一负值。
优选的，上述的量测方法，其中，所述电压监测仪通过一第四探针与所述元器件的源极端电连接；并且
所述源极端引出有多根引线，所述第四探针与所述第二探针分别连接至所述源极端相邻的两根引线。
优选的，上述的量测方法，其中，所述电压监测仪通过一第五探针与所述元器件的漏极端电连接；并且
所述漏极端引出有多根引线，所述第五探针与所述第三探针分别连接至所述漏极端相邻的两根引线。
优选的，上述的量测方法，其中，所述探针台为纳米探针台。
本发明还提供一种元器件饱和电流的量测系统，其特征在于，包括：
探针台，包括吸附卡盘、电学监测仪以及多根探针，所述吸附卡盘上放置有元器件；
其中，所述探针台的一第一探针与所述元器件的栅极电连接，以在所述栅极施加固定电压；以及一第二探针和一第三探针分别与所述元器件的源极和漏极电连接，以在所述源极和所述漏极间的沟道两端施加可变电流；并且
所述电学监测仪与所述元器件的源极和漏极电连接，以实时侦测所述沟道两端的电流值。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明的量测方法通过在元器件栅极施加一个与元器件工作时相同的电压，以将沟道开启；然后在沟道两端施加可变电流，并使用Nanoprober（纳米探针台）系统侦测沟道两端的电压差；当沟道两端的电压差达到漏极工作电压时，读取此时沟道上施加的电流值，即为元器件的饱和电流值。本发明将侦测电压的探针作为电压计使用，因在作为电压计使用时，探针本身的电阻值以及接触阻值几乎可以忽略不计，从而不会对量测结果产生影响，可以保证所得到的饱和电流值的数据精度良好。
附图说明
参考所附附图，以更加充分地描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明的元器件饱和电流的量测方法的步骤图；
图2为本发明一个优选实施例中元器件饱和电流的量测系统的俯视图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。当然除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明的元器件饱和电流的量测方法通过在元器件栅极（Gate）施加一个与元器件工作时相同的电压，以将元器件的源极（Source）和漏极（Drain）之间的沟道完全开启；然后在沟道两端施加可变电流，并使用纳米探针台（Nanoprober）侦测沟道两端的电压差；当沟道两端的电压差达到漏极工作电压时，读取此时沟道上施加的电流值，即为元器件的饱和电流值。
下面结合具体的实施例以及附图详细阐述本发明的量测方法和量测系统。
结合图1量测方法的步骤图和图2量测系统的俯视图所示，本发明的量测方法包括：
第一步，使用Nanoprober（纳米探针台，用于对半导体元器件（图中标号为1）进行电性参数量测）在元器件1的Gate端（图中标号为11）施加一个固定电压。该探针台（图2中以模块化的方式绘制出Nanoprober在本次量测操作中所使用到的零部件，其不应该视为对本发明的限制）上一体配置有吸附卡盘（图中标号为21）、电压监测组件（图中标号为22）、电流监测组件（图中标号为23）以及多根探针；其中第一探针241与元器件1的Gate端11电连接，探针台通过该第一探针241在Gate端11施加固定电压。优选的，该施加于Gate端11的固定电压等于元器件1的工作电压VGS。需要注意，在元器件栅极端施加的电压决定着元器件源漏极之间的导电沟道，例如以N沟道增强型的元器件1为例，当在栅极端11施加的电压为该元器件1的正常工作电压VGS时，元器件1的源极（图中标号为12）和漏极（图中标号为13）之间的导电沟道最宽，也即源漏极之间的沟道完全开启。因为不同型号的元器件，其工作电压（此处指代使得源漏极之间沟道完全开启的电压）会受到生产条件差异的影响，因此此处无法定量地说明该施加于Gate端11的固定电压（也即VGS）具体为多大（例如可为3V/5V/8V等等），只要保证该固定电压的电压值能将元器件1的源漏极之间的沟道完全开启即可。
第二步，选取元器件1的源极端12上相邻两根引线（元器件1的源极端12引出有多根引线，用以电性连接）121和122，使用探针台的第二探针242将源极端12的引线121接地（也即第二探针242的一端与源极端12的引线121电连接，另一端接地）；第四探针244将源极端12的引线122连接至探针台的电压监测组件22，电压监测组件22通过第四探针244侦测源极端12的电压值。
第三步，选取元器件1的漏极端13上相邻两根引线（与源极端12类似，元器件1的漏极端13同样引出有多根引线，用以电性连接）131和132，使用探针台的第三探针243通过引线131在漏极端13施加可变电流（该可变电流例如可从零开始逐步增大）；第五探针245将漏极端13的引线132连接至电压监测组件22，电压监测组件22通过第五探针245侦测漏极端13的电压值。由于该电压监测组件22同时与元器件1的源极端12和漏极端13电连接，因此可以侦测源极12和漏极13间形成的沟道两端的电压差。
第四步，元器件1的漏极端13的引线131还通过第三探针243与探针台的电流监测组件23电连接，该电流监测组件23用以实时侦测施加于漏极端13的可变电流的电流值大小。当电压监测组件22通过第四探针244和第五探针245侦测到源极12和漏极13间形成的沟道两端的电压差达到漏极端13的工作电压（记为VDS）时，该电流监测组件23读取此时施加于漏极端13的可变电流的电流值大小ID，此时读取到的漏极端13的电流值ID即为元器件1的饱和电流值。
需要注意的是，漏极端13的工作电压VDS等于元器件1的工作电压（即步骤一中所述的VGS）减去元器件1的夹断电压（记为VGS(off) ）；其中，夹断电压VGS(off)为施加于元器件1的栅极端11的电压使得源极12和漏极13之间的沟道消失的临界电压值，因本实施例以N沟道增强型的元器件1为例，因此该夹断电压VGS(off)为一负值。也即随着施加于元器件1的漏极端13的可变电流逐步增大（通过电流监测组件23实时侦测该可变电流的电流值大小），漏极13与源极12之间的电压差（通过电压监测组件22实时侦测该电压差值）也即元器件1的沟道两端的电压差（因本实施例中将源极端12接地，因此该沟道两端的电压差实际上也是漏极端13上的电压值）也逐步增大，当这一电压值增大到漏极端13的工作电压（VDS）时，电流监测组件23上实时侦测到的电流值（ID）即为元器件1的饱和电流值。
在本实施例中，与元器件1的源极端12和漏极端13连接的用以侦测电压的第四探针244和第五探针245作为电压计使用，而在作为电压计使用时，探针本身的电阻值以及接触阻值（背景技术中分析的严重影响元器件的饱和电流值的量测精度的两个参数）几乎可以忽略不计，从而可以保证在此方法下量测到的饱和电流值的准确性。
本发明的元器件饱和电流的量测系统，参考图2，包括探针台（包括吸附卡盘21、电压监测组件22、电流监测组件23以及多根探针）；元器件1，放置于吸附卡盘21上；其中，探针台的一第一探针241与元器件1的栅极11电连接，以在栅极11施加固定电压；一第二探针242和一第三探针243分别与元器件1的源极12和漏极13电连接，以在源极12和漏极13间的沟道两端施加可变电流；并且电压监测组件22和电流监测组件23分别对应地与源极12和漏极13电连接，以实时侦测沟道两端的电压值和电流值。因本发明的元器件饱和电流的量测系统基于上述的量测方法，其原理和工作过程与上述的量测方法一致，因此此处不再赘述。
综上所述，本发明通过在元器件栅极施加一个与元器件工作时相同的电压，以将元器件的源极和漏极间的沟道完全开启；然后在沟道两端施加可变电流，并使用Nanoprober系统侦测沟道两端的电压差；当沟道两端的电压差达到漏极工作电压时，读取此时沟道上施加的电流值，即为元器件的饱和电流值。本发明将连接在元器件的沟道两端用以侦测电压的探针作为电压计使用，因在作为电压计使用时，探针本身的电阻值以及接触阻值几乎可以忽略不计，从而不会对量测结果产生影响，可以保证所得到的饱和电流值的数据精度良好。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (11)

1.一种元器件饱和电流的量测方法，其特征在于，包括：
提供一探针台，所述探针台包括吸附卡盘、电学监测仪以及多根探针；
将一元器件放置于所述吸附卡盘上且与所述电学监测仪电连接；
所述探针台利用一第一探针在所述元器件的栅极端施加一固定电压，并利用一第二探针和一第三探针在所述元器件的沟道两端施加可变电流；以及
利用所述电学监测仪，对所述沟道两端的可变电流进行监测。
2.如权利要求1所述的量测方法，其特征在于，施加于所述栅极端的固定电压等于所述元器件的工作电压VGS，以将所述元器件的源极和漏极之间的沟道完全开启。
3.如权利要求2所述的量测方法，其特征在于，所述探针台利用所述第二探针将所述元器件的源极端接地，并利用所述第三探针在所述元器件的漏极端施加可变电流。
4.如权利要求3所述的量测方法，其特征在于，所述电学监测仪包括电压监测组件，与所述元器件的源极端和漏极端电连接，以侦测所述元器件的源极和漏极间形成的沟道两端的电压差。
5.如权利要求4所述的量测方法，其特征在于，所述电学测量仪包括电流监测组件，通过所述第三探针与所述元器件的漏极端电连接，以实时侦测施加于所述漏极端的可变电流值。
6.如权利要求5所述的量测方法，其特征在于，于所述元器件的沟道两端的电压差等于所述漏极端的工作电压时，所述电流监测组件读取所述漏极端的实时电流值ID，以作为所述元器件的饱和电流。
7.如权利要求6所述的量测方法，其特征在于，所述漏极端的工作电压VDS等于所述元器件的工作电压VGS减去所述元器件的夹断电压VGS(off)；
其中，所述夹断电压VGS(off)为施加于所述元器件的栅极端的电压使得所述源极和所述漏极之间的沟道消失的临界电压值，且所述夹断电压VGS(off)为一负值。
8.如权利要求4所述的量测方法，其特征在于，所述电压监测组件通过一第四探针与所述元器件的源极端电连接；并且
所述源极端引出有多根引线，所述第四探针与所述第二探针分别连接至所述源极端相邻的两根引线。
9.如权利要求4所述的量测方法，其特征在于，所述电压监测组件通过一第五探针与所述元器件的漏极端电连接；并且
所述漏极端引出有多根引线，所述第五探针与所述第三探针分别连接至所述漏极端相邻的两根引线。
10.一种元器件饱和电流的量测系统，其特征在于，包括：
探针台，包括吸附卡盘、电学监测仪以及多根探针，所述吸附卡盘上放置有元器件；
其中，所述探针台的一第一探针与所述元器件的栅极电连接，以在所述栅极施加固定电压；一第二探针和一第三探针分别与所述元器件的源极和漏极电连接，以在所述源极和所述漏极间的沟道两端施加可变电流；并且
所述电学监测仪与所述元器件的源极和漏极电连接，以实时侦测所述沟道两端的电流值。
11.如权利要求10所述的量测系统，其特征在于，所述探针台为纳米探针台。
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