CN106680686A - 一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法 - Google Patents

一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法，属于半导体器件电学特性测试领域，该方法包括对金属氧化物半导体场效应晶体管电学特性测试时的栅极激励信号(Vg)和示波器得到的响应信号(可对应换算为源漏电流Id)进行同步的步骤及测得的与源漏电流有关的响应信号去除噪声的步骤。本发明方法同步精度可达1‑2个皮秒；并且利用多点平均和平滑算法对所测得信号进行去除测试噪声处理，得到更准确的Id(MOSFET漏端电流)、Vg(MOSFET栅极电压)信号。本发明方法操作简单，精度高，效果显著，并且结合皮秒级超快速电学性能测试系统，为SHE(自热效应)、NBTI(负偏压温度不稳定性)、HCI(热载流子注入效应)等器件可靠性测试提供了强有力的支持。

Description

一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法
技术领域
本发明属于半导体器件电学参数提取领域，具体涉及一种提高金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)皮秒级Id-Vg转移特性测试精度的方法。
背景技术
按照摩尔定律，晶体管特征尺寸不断缩小，当缩小到纳米尺度后，栅介质厚度也逐渐减小到接近1nm，则会导致关态栅漏电流的增大，导致功耗密度增加、迁移率退化，造成器件性能恶化，传统的硅基场效应晶体管已经接近物理极限。实现器件进一步等比例缩小，则必须通过采用新的材料、工艺或新的器件结构来解决目前限制晶体管等比例缩小的因素，才能在器件特征尺寸缩小，提高集成度的同时，获取更好的器件性能。如已经应用广泛的high-k材料取代传统的SiO2作为栅介质层，还有采取措施提高沟道内载流子迁移率，如新的沟道材料，包括III-V族半导体、锗、石墨烯、各种纳米管、线等结构，弥补沟道高掺杂引起的库伦相互作用更显著及栅介质变薄引起的有效电场强度提高和界面散射增强等因素带来的迁移率退化。
而对于采取新技术的器件，也会带来一些其他可靠性问题，实际与半导体沟道内载流子被栅介质缺陷快速捕获的活动有关，如阈值电压不稳定、迁移率退化。而这些快速捕获活动通常时间都在微秒级以下，已有研究表明，栅叠层与沟道界面缺陷捕获释放载流子甚至快至十几皮秒。目前报道的最快的快速金属氧化物半导体场效应晶体管转移特性Id-Vg测试方法中上升下降沿为纳秒级，并不能完整反映载流子与缺陷之间的传输活动，因此有必要提出半导体器件皮秒级超快速电学特性测试系统及方法，并且在超快速测试中关键的就是保证测试精度，否则测试速度提高便变得没有意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，在已提出半导体器件皮秒级超快速电学特性测试系统的基础上，提供一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法，该方法包括对晶体管电学性能测试时的栅极电压激励信号和示波器得到的响应信号进行同步的步骤及对测得的与源漏电流有关的响应信号去除随机噪声的步骤；
所述同步具体为：在测试回路中用一个标准特征阻抗校准片代替待测MOSFET晶体管，测得两路脉冲信号：栅极电压激励脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号；利用示波器的两通道Delay测试功能测出两通道延时，并用Deskew功能进行延迟时间修正，使两通道信号高度同步；将标准特征阻抗校准片换为MOSFET晶体管，测得的栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏有关的响应信号则会同步；或者，在测试回路中用一个标准特征阻抗校准片代替待测MOSFET晶体管，测得两路脉冲信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号，将两路信号的邻近上升沿的1％-99％对应点对准，如50％点，从而计算得到两路信号延迟时差，再将标准特征阻抗校准片换为MOSFET晶体管，测得两路信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号，进行同样延时差的校准，实现信号同步；
所述去噪声具体为：对测试的栅极电压脉冲信号和示波器测得与源漏电流有关的响应信号，运用多点平均和平滑算法去除噪声。
进一步地，所述测试回路由脉冲发生器、宽频带放大及偏置电路、第一微波探针、第二微波探针、宽频带拾捡三通装置、直流电源和数字示波器组成；脉冲发生器输出的上升沿和下降沿都小于100ps的电压脉冲信号经过宽频带放大及偏置电路后，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脉冲信号；数字示波器的带宽和采样率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，所用通道最高采样率100GS/s,内插采样率最高5TS/s；直流电源通过宽频带拾捡三通装置施加电压信号，通过第二微波探针给MOSFET晶体管的漏极；与MOSFET晶体管的漏极电流对应的响应信号经过宽频带拾捡三通装置，输入数字示波器；同时栅极电压脉冲信号也输入至数字示波器作为背景信号。
一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法，该方法包括以下步骤：
(1)在测试回路中用一个标准特征阻抗校准片代替待测MOSFET晶体管，测得两路脉冲信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号，对两路信号进行延时修正，使两路信号同步；
(2)将标准特征阻抗校准片换为MOSFET晶体管，测得两路信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号，在步骤1的基础上，该两路信号已经同步；
(3)对步骤2得到的两路信号进行去噪声处理；
(4)将步骤3中已去除环境和系统噪声的两路信号，按照基尔霍夫定律对应换算成Id(MOSFET源漏电流)、Vd(MOSFET漏级电压)、Vg(MOSFET栅极电压)，最终得到固定Vd下的MOSFET转移特性曲线Id-Vg。
本发明的有益效果是：本发明方法实施简单，且在校准片上具有标准特征阻抗的金属条阻抗精确度高，且适合不同针距的GSG探针，最终信号同步精度达到示波器最短采样间隔，并去除测试中引入的随机噪声和环境噪声，得到更准确的栅极电压脉冲信号和源漏电流信号，则最终可以得到正确的晶体管转移特性曲线Id-Vg。
附图说明
图1为一种优选的半导体器件电学特性测试回路结构示意图；
图2为本发明的信号同步方法示意图,(a)为测试回路中用校准片且未进行延时校正之前的波形示意图,此时两通道信号的延时为a；(b)为在(a)的基础上进行延时校正的信号示意图；(c)为在用校准片进行延时校正之后，将回路中的具有标准特征阻抗的校准片替换为待测的MOSFET晶体管后所测得的信号波形图；
图3为本发明的处理信号中噪声的效果示意图，(a)为带有噪声的信号，(b)为噪声处理后的信号。
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。
图1为一种半导体器件电学特性测试回路的示意图，测试回路由脉冲发生器101、宽频带放大及偏置电路105、第一微波探针107、第二微波探针108、宽频带拾捡三通装置106、直流电源102和数字示波器104组成；脉冲发生器101输出的上升沿和下降沿都小于100ps的电压脉冲信号经过宽频带放大及偏置电路105后，通过第一微波探针107在待测MOSFET晶体管103的栅极上加载栅极电压脉冲信号109；数字示波器104的带宽和采样率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，所用通道最高采样率100GS/s,内插采样率最高5TS/s，栅极电压脉冲信号的上升沿、下降沿时间以及占空比都是可调的；直流电源102通过宽频带拾捡三通装置106施加电压信号，通过第二微波探针108给MOSFET晶体管103的漏极；与MOS晶体管103的漏极电流对应的响应信号110经过宽频带拾捡三通装置106后得到信号111，将该信号111输入数字示波器104；同时栅极电压脉冲信号109也输入至数字示波器104作为背景信号。整个系统中建立公共地112。
图1中，到达数字示波器104的有两路信号：栅极电压脉冲信号109和与漏极电流有关的信号111。为了精确测得晶体管Id-Vg转移特性曲线，必须保证两路信号都去除了非器件响应因素引入的测试噪声及保证两路信号的高度同步。栅极电压脉冲信号109和与漏极电流有关的信号111所经过的路径不同，存在一定的时间延时。为了精确的得到两路信号的延时，在回路中用一个标准特征阻抗的校准片代替器件MOSFET103，此时两路信号均为标准脉冲信号，利用数字示波器104中Delay测试功能测试两路信号的延时差，如图2，并用数字示波器104的Deskew功能进行延时校正后，将标准特征阻抗的校准片换为待测器件MOSFET103，此时再测得的两路信号：栅极电压脉冲信号109和与漏极对应的信号111便可同步，数字示波器最高采样率1TS/s(每秒采样1T数据点),则同步精度可达1-2个皮秒级别。亦或在用标准特征阻抗校准片代替MOSFET103情况下，测得的两路信号：栅极电压脉冲信号109和与漏极电流有关的响应信号111，存在一定延时差，将该两路信号邻近上升沿的1％-99％对应点对准，如50％点，计算出延时差，如图2，进而再将标准特征阻抗校准片替换成待测MOSFET103后，对测得的两路信号：栅极电压脉冲信号109和与漏电流有关的响应信号111进行同样的延时平移，进行对准。每次更改栅极电压脉冲信号时，均先用此标准特征阻抗的校准片进行延时校正，以便将两路信号进行高精确度的同步。图3给出了利用多点平均和平滑算法对所测的栅极电压脉冲信号和与源漏电流有关的相应信号进行噪声处理的结果示意图。

Claims (3)

1.一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法，其特征在于，该方法包括对金属氧化物半导体场效应晶体管电学特性测试时施加的栅极电压激励信号和示波器得到的响应信号进行同步的步骤及对测得的与晶体管源漏电流有关的响应信号去除噪声的步骤；
所述同步具体为：在测试回路中用一个标准特征阻抗校准片代替待测MOSFET晶体管，测得两路脉冲信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号；利用示波器的两通道Delay测试功能测出两通道延时，并用Deskew功能进行延迟时间修正，使两通道信号高度同步；将标准特征阻抗校准片换为待测MOSFET晶体管，测得的栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号则会同步；或者，在测试回路中用一个标准特征阻抗校准片代替待测MOSFET晶体管，测得两路脉冲信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号，将两路信号的邻近上升沿的1％-99％对应点对准，从而计算得到延迟时差，再将标准特征阻抗校准片换为MOSFET晶体管，测得两路信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号，进行同样延时差的校准，实现信号同步；
所述去噪声具体为：对测试的栅极电压脉冲信号和示波器测得与源漏电流有关的响应信号，运用多点平均和平滑算法去除环境随机噪声。
2.根据权利要求1所述的一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法，其特征在于，所述测试回路由脉冲发生器(101)、宽频带放大及偏置电路(105)、第一微波探针(107)、第二微波探针(108)、宽频带拾捡三通装置(106)、直流电源(102)和数字示波器(104)组成；脉冲发生器(101)输出的上升沿和下降沿都小于100ps的电压脉冲信号经过宽频带放大及偏置电路(105)后，通过第一微波探针(107)在待测MOSFET晶体管(103)的栅极上加载栅极电压脉冲信号(109)；数字示波器(104)的带宽和采样率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，所用通道最高采样率100GS/s,内插采样率最高5TS/s；直流电源(102)通过宽频带拾捡三通装置(106)施加电压信号，通过第二微波探针(108)给MOSFET晶体管(103)的漏极；与MOS晶体管(103)的漏极电流对应的响应信号(110)经过宽频带拾捡三通装置(106)，输入数字示波器(104)；同时栅极电压脉冲信号(109)也输入至数字示波器(104)作为背景信号。
3.一种提高半导体器件皮秒级超快速电学特性测试精度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在测试回路中用一个标准特征阻抗校准片代替待测MOSFET晶体管，测得两路脉冲信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号，对两路信号进行延时修正，使两路信号同步。
(2)将标准特征阻抗校准片换为MOSFET晶体管，测得两路信号：栅极电压脉冲信号和示波器测得的与源漏电流有关的响应信号。
(3)对步骤2得到的两路信号进行去噪声处理。
(4)将步骤3中已去除环境和系统噪声的两路信号，按照基尔霍夫定律对应换算成Id(MOSFET源漏电流)、Vd(MOSFET漏极电压)、Vg(MOSFET栅极电压)，最终得到固定Vd下的MOSFET转移特性曲线Id-Vg。
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