CN106646174B - 一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，该系统包括数据反馈与处理器、波形处理器、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晶体管的漏极施加阶梯变化的电压波形，并在每个阶梯电平中给晶体管的栅极施加一个脉冲电压信号，来进行一次晶体管转移特性测试，从而在100nS内测出晶体管的三维电学特性(IDS‑VGS‑VDS)、转移特性(IDS‑VGS)和输出特性(IDS‑VDS)。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

一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统
技术领域
本发明属于金属氧化物半导体场效应晶体管电学特性测试与参数提取技术领域，具体涉及一种在极短时间(1nS)内对高性能晶体管器件进行一次电学测试，并且在100nS内测出晶体管的三维电学特性(ID-VGS-VDS)、转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)的高速测试系统。
背景技术
半导体技术按照摩尔定律不断发展，集成电路的集成度每两年翻一倍，场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)的特征栅极长度不断缩小，从微米级到亚微米级直至目前的14nm技术。MOSFET特征栅极长度不断缩小的同时，为了不断提升器件性能，MOSFET等效氧化层厚度随之降低，沟道的掺杂浓度随之增加，但是在90nm技术节点之后，此两种方法都难以为继。根据国际半导体技术路线图的规划，CMOS工艺技术的发展主要分为三个大方向：新型栅极材料、新型沟道材料以及新型器件结构。无论是晶体管应力技术、High-k/Metal gate工艺以及多栅极晶体管，这些具有变革意义的新技术从实验室里的研究走向生产线的应用往往需要经历约12-15年的实验与测试时间。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IDS与栅极电压VGS的转移特性曲线或漏极电流IDS与漏极电压VDS的输出特性曲线，通常都需要大约几秒钟。
随着MOSFET特征栅极长度不断缩小，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。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IDS-VGS测试方法中上升下降沿为几纳秒，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，提供一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，通过给晶体管的漏极施加阶梯变化的电压波形，同时在每个阶梯电平中给晶体管的栅极施加一个脉冲电压信号，来进行一次晶体管转移特性测试，从而在100nS内测出晶体管的三维电学特性(IDS-VGS-VDS)、转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，该系统包括数据反馈与处理器、波形处理器、宽频带拾捡三通装置、第一微波探针和第二微波探针；波形处理器的第一通道产生上升沿和下降沿均小于100pS的脉冲电压波形作为栅极电压信号，通过第一微波探针加载在待测MOSFET晶体管的栅极上；波形处理器的第二通道产生阶梯变化的电压波形作为漏极电压信号，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和数据反馈与处理器。所述数据反馈与处理器结合系统总延时确定栅极电压信号、漏极电压信号和漏电流信号的对应关系，即得到晶体管的三维电学特性(ID-VGS-VDS)、转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)曲线。
进一步地，所述数据反馈与处理器对波形处理器和波形处理器同步触发；数据反馈与处理器通过栅极电压信号、漏极电压信号和漏电流信号的反馈，结合系统总延时自行调节波形处理器第一通道和第二通道输出信号和波形处理器采集信号的时钟同步。
进一步地，所述栅极电压信号的单个脉冲周期和漏极电压信号的每个阶梯电平的时间长度保持一致。
进一步地，所述波形处理器在漏极电压信号的每个阶梯电平时间内，产生一个上升沿和下降沿均小于100pS的脉冲电压波形加载至晶体管栅极上，对晶体管进行一次转移特性(IDS-VGS)测试，根据输出特性(IDS-VDS)的测试精度确定转移特性(IDS-VGS)的测试次数。
进一步地，所述数据反馈与处理器对每次转移特性(IDS-VGS)测试结果列表插值，得到晶体管的三维电学特性(IDS-VGS-VDS)，并从三维电学特性(IDS-VGS-VDS)中截取得到晶体管的转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)。
进一步地，所述波形处理器与第一微波探针和第二微波探针之间的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了在极短时间(100nS)内完成晶体管的三维电学特性(ID-VGS-VDS)、转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)的测试，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的电压脉冲信号，通过第二微波探针在MOSFET晶体管的漏极加载阶梯变化的电压波形信号，在每个阶梯电压完成一次晶体管转移特性测试。数据反馈与处理器将每次转移特性测试结果进行列表插值得到三维电学特性(IDS-VGS-VDS)，并可直接从三维电学特性中获取转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)。
附图说明
图1为本发明高速三维电学特性测试系统的结构示意图。
图2为本发明高速三维电学特性测试系统波形处理器第一通道输出的栅极电压信号的波形示意图。
图3为本发明高速三维电学特性测试系统波形处理器第二通道输出的漏极电压信号的波形示意图。
图4为本发明高速三维电学特性测试系统MOSFET晶体管的三维(IDS-VGS-VDS)电学特性测试结果示意图。
图5为本发明高速三维电学特性测试系统MOSFET晶体管的转移特性(IDS-VGS)测试结果示意图。
图6为本发明高速三维电学特性测试系统MOSFET晶体管的输出特性(IDS-VDS)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，一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，该系统包括数据反馈与处理器101、波形处理器102、宽频带拾捡三通装置109、第一微波探针104和第二微波探针107。波形处理器102的第一通道产生上升沿和下降沿均小于100pS的脉冲电压波形作为栅极电压信号103，通过第一微波探针104加载在待测MOSFET晶体管105的栅极上；波形处理器102的第二通道产生阶梯变化的电压波形作为漏极电压信号108，在待测MOSFET晶体管105的漏极上加载漏极电压信号108；在保证高频信号完整性的同时，宽频带拾捡三通装置109通过第二微波探针107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110，无失真地传输至波形处理器102和数据反馈与处理器101。波形处理器102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103的上升沿和下降沿时间以及占空比均可调，漏极电压信号108每个阶梯电压的时间长度可调。数据反馈与处理器101结合系统总延时确定栅极电压信号103、漏极电压信号108和漏电流信号110的对应关系，即得到晶体管的三维电学特性(IDS-VGS-VDS)、转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)曲线。为了减少系统噪声，在整个系统中建立公共地106。
图2给出波形处理器102的第一通道输出的栅极电压信号103的波形示意图。栅极电压信号103为脉冲波形，脉冲的上升和下降沿小于100pS；脉冲的高电平值由MOSFET晶体管105的栅极工作电压决定。图3给出波形处理器102的第二通道输出的漏极电压信号108的波形示意图。漏极电压信号108为阶梯电压的变化波形，阶梯电压的最大值由MOSFET晶体管105的漏极工作电压决定，根据本实例中所需的输出特性(IDS-VDS)测试精度(每间隔0.01V的VDS记录一个IDS)，将阶梯电压的最大值进行等分即为每个阶梯的电平值。栅极电压信号103中单个脉冲的周期与漏极电压信号108中每个阶梯电平的时间长度保持一致，均为1nS。
图4给出了本发明的高速三维电学特性测试系统测得的晶体管三维(IDS-VGS-VDS)电学特性测试结果示意图。测试的MOSFET晶体管105为HfO2/SiO2(2nm/1nm)nMOSFET，沟道长度为0.1μm，栅极宽度为30μm。给器件的栅极施加如图2所示的脉冲电压波形信号，低电压为0V，高电压为1V，脉冲周期为1nS。给器件的漏极施加如图3所示的阶梯电压波形信号，最低电压为0V，最高电压为0.5V，每个阶梯变化0.01V，每个阶梯电平的时间长度为1nS。使用本发明设计的系统进行测试，数据反馈与处理器经过反馈和计算后得到晶体管三维(IDS-VGS-VDS)电学特性曲线如图4所示。向数据反馈与处理器输入漏极电压信号范围内的任意值，就可以得到该漏极偏置电压下的晶体管转移特性(IDS-VGS)曲线,如图5所示为漏极偏置电压VDS＝100mV和VDS＝400mV时的晶体管转移特性(IDS-VGS)曲线。向数据反馈与处理器输入栅极电压信号范围内的任意值，就可以得到该栅极偏置电压下的晶体管的输出特性(IDS-VDS)曲线,如图6所示为栅极偏置电压VGS＝600mV的晶体管的转移特性(IDS-VDS)曲线。
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 (4)

1.一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，其特征在于：该系统包括数据反馈与处理器(101)、波形处理器(102)、宽频带拾捡三通装置(109)、第一微波探针(104)和第二微波探针(107)；波形处理器(102)的第一通道产生上升沿和下降沿均小于100pS的脉冲电压波形作为栅极电压信号(103)，通过第一微波探针(104)加载在待测MOSFET晶体管(105)的栅极上；波形处理器(102)的第二通道产生阶梯变化的电压波形作为漏极电压信号(108)；所述栅极电压信号(103)的单个脉冲周期和漏极电压信号(108)的每个阶梯电平的时间长度保持一致；宽频带拾捡三通装置(109)通过第二微波探针(107)在待测MOSFET晶体管(105)的漏极上加载漏极电压信号(108)，并采集MOSFET晶体管(105)的漏电流信号(110)，将采集的漏电流信号(110)传输至波形处理器(102)和数据反馈与处理器(101)；数据反馈与处理器(101)结合系统总延时确定栅极电压信号(103)、漏极电压信号(108)和漏电流信号(110)的对应关系；波形处理器(102)在漏极电压信号(108)的每个阶梯电平时间内，利用栅极电压信号(103)对晶体管进行一次转移特性(IDS-VGS)测试，根据输出特性(IDS-VDS)的测试精度确定转移特性(IDS-VGS)的测试次数；对每次转移特性(IDS-VGS)测试结果列表插值，得到晶体管的三维电学特性(IDS-VGS-VDS)，并从三维电学特性(IDS-VGS-VDS)中截取得到晶体管的转移特性(IDS-VGS)和输出特性(IDS-VDS)曲线。
2.根据权利要求1所述的一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，其特征在于：所述数据反馈与处理器(101)通过栅极电压信号(103)、漏极电压信号(108)和漏电流信号(110)的反馈，结合系统总延时自行调节波形处理器(102)第一通道和第二通道输出信号和波形处理器(102)采集信号的时钟同步。
3.根据权利要求1所述的一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，其特征在于：所述波形处理器(102)与第一微波探针(104)和第二微波探针(107)之间的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。
4.根据权利要求1所述的一种应用于晶体管的高速三维电学特性测试系统，其特征在于：在整个系统中建立公共地(106)。
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