DE102005024030B4

DE102005024030B4 - Verfahren zum Testen von Halbleiterstrukturen

Info

Publication number: DE102005024030B4
Application number: DE200510024030
Authority: DE
Inventors: Gunter Prof. Dr. Ebest; Falk Dipl.-Ing. Korndörfer; Boris Dipl.-Ing. Kuschel
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: DE102005024030A1

Abstract

Verfahren zum Testen von Halbleiterstrukturen mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung von Rechteckimpulsen der Impulsdauer t_p, an dessen Ausgang mittels einer ersten Übertragungsleitung (6) ein Prüfling (7) angeschlossen ist und der mit einem aus einem Widerstand (31) und einem ersten steuerbaren Schalter (32) bestehenden Zweig (3) zur Reflexionsunterdrückung versehen ist, der Impulsgenerator aus einer zweiten Übertragungsleitung (4) mit einer die maximale Impulsdauer t_p_max bestimmenden Länge, die über einen Vorwiderstand (2) an eine Gleichspannungsquelle (1) angeschlossen ist, und einem den Ausgang des Impulsgenerators bildenden zweiten steuerbaren Schalter (5) besteht, so daß die Impedanzen der ersten (6) und der zweiten (4) Übertragungsleitung die Systemimpedanz bilden und der Widerstand (31) des Reflexionsunterdrückungszweiges (3) den gleichen Wert wie die Systemimpedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Schalter (3, 5) in der Weise erfolgt, daß zur Aufladung der zweiten Übertragungsleitung (4) der erste (32) und der zweite (5) Schalter geöffnet sind, zur Impulserzeugung und -auskopplung...

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Prüfung von Halbleiterstrukturen auf Spannungsfestigkeit bzw. Durchbruchverhalten. Die Erfindung wird angewendet zur Prüfung von isolierten Strukturen wie Leiterbahnen integrierter Schaltkreise oder Schutzstrukturen gegen elektrostatische Entladungen unter Anwendung des Verfahrens der Zeitbereichsreflektometrie zur Systembeschreibung und Meßauswertung.
Es ist bekannt, durch den Anschluß an einen Impulsgenerator die zu testende Struktur mit Impulsen großer Flankensteilheit zu beaufschlagen, so daß Ströme im Ampere-Bereich während einer kurzen Zeit in den Prüfling fließen können. Auf diese Weise wird eine elektrostatische Entladung nachgebildet. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere Impulsgeneratoren nach dem Prinzip der Entladung einer aufgeladenen Übertragungsleitung (Transmission Line Pulse – TLP) die Anforderungen in besonders vorteilhafter Weise erfüllen. Eine derartige Lösung ist aus dem US-Patent 5,519,327 bekannt. Allerdings ist es allen Testanordnungen gemein, daß bei Fehlanpassung zwischen der Systemimpedanz und der Impedanz des Prüflings der Impuls am Eingang des Prüflings reflektiert und in Folge dessen die in der Testanordnung nicht absorbierte Reflexion den Prüfling mit zusätzlicher Energie beaufschlagt. Zur Unterdrückung von Reflexionen sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Gebräuchlich ist beispielsweise, den Ausgang des Impulsgenerators mit einem Dämpfungsglied zu versehen. Eine derartige Lösung ist aus der DE 197 39 923 C2 bekannt, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gepulsten Hochstrombelastung integrierter Schaltungen und Strukturen beschreibt. Die Impulserzeugung kann mittels eines koaxialen Relais oder eines Festkörperschalters reproduzierbar durch Entladung einer aufgeladenen Koaxialleitung mit definiertem Wellenwiderstand erfolgen. Zur Bedämpfung von Mehrfachreflexionen wird ein koaxiales Dämpfungsglied mit ausreichender Spannungsfestigkeit in die Impulsleitung integriert. Die Leitung wird beim Einsatz des Generators quellseitig abgeschlossen. Damit werden aber nicht nur die Reflexionen sondern auch die generierten Impulse gedämpft, so daß die Spannung im Impulsgenerator entsprechend erhöht werden muß. Eine weitere bekannte Variante zur Unterdrückung von Reflexionen benutzt eine mit einem Widerstand in Reihe geschaltete Diode zur Absorption der reflektierten Welle. Eine solche Lösung ist aus der US-Patentschrift 5,675,260 bekannt, die ein Elektrostatisches Testsystem und -verfahren beschreibt. Das bekannte Testsystem umfaßt einen Impulsgenerator, der aus einer Übertragungsleitung mit für die Dauer des zu erzeugenden Impulses charakteristischer Länge und einer über einen Widerstand an die Übertragungsleitung legbaren Gleichspannungsquelle besteht, wobei die Entladung der aufgeladenen Übertragungsleitung über eine zweite Übertragungsleitung in die Teststruktur erfolgt. Zur wechselseitigen Verbindung der Speicherübertragungsleitung mit der Gleichspannungsquelle einerseits und der Teststruktur andererseits dient ein Wechselschalter. Parallel zur Teststruktur sind diverse Auswertungs- und Meßeinrichtungen geschaltet. Zur Unterdrückung von Reflexionen dient eine aus einem Widerstand und einer Diode bestehende Reihenschaltung, welche die Speicherübertragungsleitung abschließt. Wegen der erforderlichen hohen Schaltgeschwindigkeit werden Schottky-Dioden eingesetzt, die allerdings hinsichtlich der Spannungsfestigkeit schnell an Grenzen stoßen. Zudem können nur Reflexionen einer Polarität absorbiert werden. Aus dem Stand der Technik, auf den das US-Patent 5,266,894 aufbaut, ist eine Schaltung zur richtungs- und polaritätsunabhängigen Absorption von Reflexionen aufgrund von Fehlanpassungen zwischen den Impedanzen eines Prüflings und der Schaltung zur Impulserzeugung in Form eines mit einem Schalter versehenen seriellen Widerstands bekannt. Der Absorptionszweig ist parallel zum Ausgang des Impulsgenerators geschaltet. Der den Prüfling beaufschlagende Ausgangsimpuls wird mittels einer Übertragungsleitung ausgekoppelt, so daß die Impedanz des Absorptionszweiges die Fehlanpassung zwischen der Impedanz des Ausgangspuffers des Prüflings und der Impedanz der Übertragungsleitung ausgleichen muß. Der Impulsgenerator besteht aus einer nicht näher erläuterten Treiberschaltung und einer Stromversorgungseinheit, die über einen steuerbaren Schalter an die Übertragungsleitung angeschlossen ist. Sowohl der Schalter des Absorptionszweiges als auch der Stromversorgungsausgangsschalter verfügen über Steuereingänge, die an eine Schaltersteuereinheit zur zeitrichtigen Betätigung der Schalter angeschlossen sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung der Unterdrückung von Reflexionswellen beliebiger Richtung und Polarität im Zusammenhang mit der Prüfung von Halbleiterstrukturen auf Spannungsfestigkeit bzw. Durchbruchverhalten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem gemäß der Lehre des Hauptanspruchs ein Impulsgenerator zur Erzeugung von Rechteckimpulsen der Impulsdauer t_p, an dessen Ausgang mittels einer ersten Übertragungsleitung ein Prüfling angeschlossen ist und der mit einem aus einem Widerstand und einem ersten steuerbaren Schalter bestehenden Zweig zur Reflexionsunterdrückung versehen ist, aus einer zweiten Übertragungsleitung mit einer die maximale Impulsdauer t_p_max bestimmenden Länge, die über einen Vorwiderstand an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und einem den Ausgang des Impulsgenerators bildenden zweiten steuerbaren Schalter besteht, so daß die Impedanzen der ersten und der zweiten Übertragungsleitung die Systemimpedanz bilden und der Widerstand des Reflexionsunterdrückungszweiges den gleichen Wert wie die Systemimpedanz aufweist, betrieben wird, indem zur Aufladung der zweiten Übertragungsleitung der erste und der zweite Schalter geöffnet sind, zur Impulserzeugung und -auskopplung der zweite Schalter geschlossen wird und zur Absorption von Reflexionswellen, die in Folge einer Fehlanpassung zwischen Prüflings- und Systemimpedanz entstehen, der zweite Schalter geschlossen bleibt und der erste Schalter geschlossen wird, bevor die reflektierte Welle die zweite Übertragungsleitung passiert hat. Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Impulsdauer des Generatorausgangsimpulses durch aufeinander bezogene Bestimmung der Schließzeitpunkte des ersten und des zweiten Schalters auf einen beliebigen Wert t_p ≤ t_p_max gesteuert werden kann, so daß ein gleichzeitiges Schließen beider Schalter eine Impulsbreite t_p = ½t_p_max bewirkt, ein Schließen des ersten Schalters vor Schließen des zweiten Schalters indes zu einer Impulsbreite t_p < ½t_p_max und ein Schließen des ersten Schalters nach Schließen des zweiten Schalters zu einer Impulsbreite ½t_p_max < t_p ≤ t_p_max führt. Die Erfindung zeichnet sich durch die vollständige, d.h. polaritäts- und richtungsunabhängige Absorption von Reflexionswellen aus, die durch Fehlanpassung der Impedanzen des Impulsgenerators und des Prüflings entstehen. Es genügt im Fall der Anpassung eine bezogen auf die Ausgangsspannung doppelt so große Vorladespannung, da die generierten Impulse nicht bedämpft werden. Mittels zeitlich genauer Ansteuerung der Schalter können beliebig kurze Impulse ohne Veränderung oder Austausch der Übertragungsleitung realisiert werden.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt in
1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines „constant impedance TLP"-Systems und
2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eines „constant current TLP"-Systems.
1 zeigt eine Gleichspannungsquelle 1 mit einem Vorwiderstand 2. Parallel hierzu ist ein Absorptionszweig 3 mit einem Absorptionswiderstand 31 und einem steuerbaren Schalter 32 geschaltet. Der Steuereingang des Schalters 32 ist an eine Zeitsteuereinrich tung 9 angeschlossen. Der Ausgangsknoten der Spannungsquelle 1, 2 ist an eine Übertragungsleitung 4 angeschlossen, die den Ausgangsknoten der Spannungsquelle 1, 2 mit einem weiteren steuerbaren Schalter 5 verbindet. Der Steuereingang des Schalters 5 ist an die Zeitsteuereinrichtung 9 angeschlossen. An die Ausgangsklemme des Schalters 5 ist über eine weitere Übertragungsleitung 6 der Prüfling 7 angeschlossen. An der Ausgangsklemme des Schalters 5 wird mittels eines Oszilloskopes 8 das Systemverhalten in Form von Spannungsverläufen nach dem bekannten Verfahren der Zeitbereichsreflektometrie erfaßt. Gleichzeitig werden die derart erfaßten Signalverläufe mittels der Zeitsteuereinrichtung 9 verarbeitet, um die Schaltzeitpunkte der steuerbaren Schalter 3 und 5 zu generieren. Anstatt einer Regelung der Schaltzeitpunkte der steuerbaren Schalter 3 und 5 können die Schaltzeitpunkte aus den wegen der definierten Länge der Übertragungsleitungen 4 und 6 bekannten Impulslaufzeiten von einer als Ablaufsteuerung ausgebildeten Zeitsteuereinrichtung 9 vorgegeben werden. Als steuerbare Schalter 3 und 5 werden vorzugsweise Festkörperschalter verwendet. Die Übertragungsleitung 4 wird bei geöffnetem Schalter 5 mittels der Gleichspannungsquelle 1 über den Vorwiderstand 2 aufgeladen. Durch Schließen des Schalters 5 wird ein rechteckförmiger Impuls generiert, wobei die größte realisierbare Impulsbreite mit der Länge der Übertragungsleitung 4 definiert ist. Die Schließzeit des Schalters 5 ist im allgemeinen größer als die Impulsdauer. Mittels der Übertragungsleitung 6 wird der Impuls dem Prüfling 7 zugeführt. Damit ist die Systemimpedanz durch die Impedanzen der Übertragungsleitungen 4 und 6 bestimmt. Ist die Systemimpedanz verschieden von der Impedanz des Prüflings 7, wird der generierte Impuls reflektiert. Bevor wegen der Reflexion zusätzlich Energie in den Prüfling 7 eingetragen wird, wird der Schalter 32 geschlossen bevor die reflektierte Welle die zweite Übertragungsleitung 4 passiert hat, d.h. die Aufladeseite erreicht und derart der Widerstand 31 die Reflexion absorbiert, da der Wert des Widerstands 31 der Systemimpedanz entspricht. Die Absorption ist unabhängig von Dauer und Polarität der Reflexion immer vollständig. Neben der Absorption von Reflexionen dient der Absorptionszweig 3 der Einstellung der Impulsbreite, indem der Schalter 32 in Abhängigkeit vom Schließzeitpunkt des Schalters 5 geschlossen wird. Werden beide Schalter 5 und 32 gleichzeitig geschlossen, ergibt sich eine Impulsbreite t_p = ½t_p_max. Bei Schließen des Schalters 32 vor dem Schließzeitpunkt des Schalters 5 wird die Impulsbreite t_p < ½t_p_max, bei Schließen des Schalters 5 vor dem Schließzeitpunkt des Schalters 32 wird die Impulsbreite ½t_p_max < t_p ≤ t_p_max. Damit sind grundsätzlich beliebig kurze Impulse realisierbar, solange die Länge der zwei ten Übertragungsleitung 6 so bemessen ist, daß eine zeitrichtige Schaltersteuerung vorgenommen werden kann.
Durch Veränderung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wie in 2 dargestellt wird aus dem „constant impedance TLP"-System ein „constant current TLP"-System, indem vor dem Prüfling 7 ein Serienwiderstand 71 eingefügt wird. Das Verhalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hinsichtlich Aufladung der Übertragungsleitung 4, Impulsgenerierung und Schaltersteuerung bleibt indes unverändert. Das Oszilloskop 8 ist parallel zum Prüfling 7 angeordnet. Der eingeprägte Strom wird entweder von einem seriell zum Prüfling 7 angeordneten Strommesser 81 gemessen oder mittels des Oszilloskops 8 aus der über dem Serienwiderstand 71 abfallenden Spannung abgeleitet.

Claims

Verfahren zum Testen von Halbleiterstrukturen mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung von Rechteckimpulsen der Impulsdauer t_p, an dessen Ausgang mittels einer ersten Übertragungsleitung (6) ein Prüfling (7) angeschlossen ist und der mit einem aus einem Widerstand (31) und einem ersten steuerbaren Schalter (32) bestehenden Zweig (3) zur Reflexionsunterdrückung versehen ist, der Impulsgenerator aus einer zweiten Übertragungsleitung (4) mit einer die maximale Impulsdauer t_p_max bestimmenden Länge, die über einen Vorwiderstand (2) an eine Gleichspannungsquelle (1) angeschlossen ist, und einem den Ausgang des Impulsgenerators bildenden zweiten steuerbaren Schalter (5) besteht, so daß die Impedanzen der ersten (6) und der zweiten (4) Übertragungsleitung die Systemimpedanz bilden und der Widerstand (31) des Reflexionsunterdrückungszweiges (3) den gleichen Wert wie die Systemimpedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Schalter (3, 5) in der Weise erfolgt, daß zur Aufladung der zweiten Übertragungsleitung (4) der erste (32) und der zweite (5) Schalter geöffnet sind, zur Impulserzeugung und -auskopplung der zweite Schalter (5) geschlossen wird und zur Absorption von bei Fehlanpassungen zwischen Prüflings- und Systemimpedanz entstehenden Reflexionswellen der zweite Schalter (5) geschlossen bleibt und der erste Schalter (32) geschlossen wird, bevor die reflektierte Welle die zweite Übertragungsleitung (4) passiert hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer des Generatorausgangsimpulses durch aufeinander bezogene Bestimmung der Schließzeitpunkte des ersten und des zweiten Schalters auf einen beliebigen Wert t_p ≤ t_p_max gesteuert wird.