-
QUERVERWEISE
-
Die
Anmeldung beansprucht die Priorität und Vorteile der
koreanischen Patentanmeldung
Nr. 10-2006-0083179 , die am 30. August 2006 angemeldet
wurde, wobei deren gesamter Inhalt durch Referenz miteinbezogen
ist.
-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen von Leckstrom in Halbleiterbauteilen.
-
HINTERGRUND
-
In
einem Verfahren nach dem Stand der Technik wird zum Messen des Leckstroms
einer P-N-Sperrschicht die Größe einer
Teststruktur basierend auf der Stromempfindlichkeit der Messausstattung
bestimmt. Um im Allgemeinen Leckstrom mit der bestehenden Messausstattung
exakt zu messen, sollte eine P-N-Sperrschicht
so ausgelegt sein, dass ein Leckstrom von über 10–12A
vorliegt.
-
Wenn
man in Betracht zieht, das ein allgemeiner Leckstrom einer P-N-Sperrschicht 10–18A/μm2~10–15/μm2 beträgt, ist
eine große
Teststruktur erforderlich.
-
Dies
bedeutet, um einen Leckstrom bezüglich
eines kleinen bestimmten Bauteils messen zu können, sollten Tausende bis
Zehntausende dieser Bauteile in Form eines Feldes ausgebildet sein.
-
In
der Folge hat das Messverfahren des Leckstroms nach dem Stand der
Technik das Problem, dass eine große Teststruktur erforderlich
ist, um einen Leckstrom exakt zu messen. Weiterhin wird der Leckstrom eines
aktuell in Gebrauch befindlichen Bauteils in Form eines Feldes gemessen,
anstatt direkt gemessen zu werden, und die Messung wird anhand eines
Durchschnittswerts des Feldes geschätzt.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur direkten Messung eines Leckstroms eines
Halbleiterbauteils bereitzustellen.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Messen eines Leckstroms,
die in der Lage sind, die Größe einer
Teststruktur zu minimieren.
-
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen
eines Leckstroms eines Halbleiterbauteils mit einem ersten Ende
und einem zweiten Ende vorgesehen. Die Vorrichtung kann einen Kondensator
enthalten, bei dem ein Ende mit einem Ende eines Halbleiterbauteils
verbunden ist; und einen MOSFET-Transistor mit einem Drain-Knoten,
wobei ein Gate-Knoten für
die Verbindung mit dem ersten Ende des Halbleiterbauteils ausgebildet
ist, und Source- und Substratknoten ausgebildet sind, um mit dem zweiten
Ende des Halbleiterbauteils verbunden zu werden und Energie aufzunehmen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen,
das in einer Vorrichtung zum Messen eines Leckstroms eines Halbleiterbauteils
mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende eingesetzt wird. Die
Vorrichtung kann einen Kondensator enthalten, bei dem ein Ende mit
dem ersten Ende des Halbleiterbauteils verbunden ist; und einen
MOSFET-Testtransistor mit einem Drain-Knoten, wobei ein Gate-Knoten für die Verbindung
mit dem ersten Ende des Halbleiterbauteils ausgebildet ist, und
Source- und Substratknoten ausgebildet sind, um mit dem zweiten
Ende des Halbleiterbauteils verbunden zu werden und Energie aufzunehmen.
Das Verfahren kann beinhalten, dass am Source-Knoten Strom angelegt
wird; dass die Spannung am Source-Knoten über die Zeit gemessen wird;
und dass ein Leckstrom des Halbleiterbauteils gemessen wird, indem
die Spannung am Source-Knoten über
die Zeit angelegt wird, wobei die Formel gilt:
wobei Id der Leckstrom des
Messziels, Cr die Kapazität
des Kondensators, Vs(t) die Spannung an dem Source-Knoten über die
Zeit und Cdgo die Überlappkapazität von Drain
und Gate ist.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
obigen und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden durch die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, in denen:
-
1 eine
beispielhafte Schaltung einer Vorrichtung zum Messen eines Leckstroms
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
2 einen
beispielhaften Graphen darstellt, der die Spannungs- und Stromeigenschaften
eines Metalloxidhalbleiterfeldeffekt-Transistors-(MOSFET)-Transistors,
und ein Stromsättigungsgebiet
des MOSFET unter Messbedingungen gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
-
3 einen
beispielhaften Graphen zeigt, der einen Anstieg der Spannungen über die
Zeit anzeigt, wenn sich ein Leckstrom einer Diode verändert; und
-
4 einen
beispielhaften Schaltplan einer Vorrichtung zum Messen eines Leckstroms
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Im
Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung detailliert mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben.
-
1 zeigt
eine beispielhafte Schaltung einer Vorrichtung zum Messen eines
Leckstroms gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
Im
Folgenden wird auf 1 Bezug genommen. Die Schaltung
kann eine Diode D1, einen Metalloxidhalbleiterfeldeffekt-(MOSFET)-Transistor
T1 und einen Kondensator Cr enthalten. Die Schaltung kann auch elektrische
Anschlüsse
oder Verbindungspunkte für
Masse und verschiedene Spannungen enthalten. Die Diode D1 ist ein
Halbleiterbauteil mit einem P-N-Sperrschichtgebiet,
und im P-N-Sperrschichtgebiet kann ein Leckstrom Id vorliegen, der
basierend an der Schaltung gemessen wird.
-
Der
MOSFET-Transistor T1 und der Kondensator Cr sind gestaltet, um den
Leckstrom Id der Diode D1 in der Schaltung zu messen. Der Kondensator
Cr kann auch als Referenzkondensator bezeichnet werden.
-
Hier
bezieht sich der Leckstrom Id auf einen Strom, der durch das P-N-Sperrschichtgebiet
fließt,
wenn eine Spannung in Sperrrichtung am P-N-Sperrschichtgebiet der
Diode D1 ausgebildet ist.
-
Die
Diode D1 kann zwei Enden zum Verbinden der Diode D1 mit anderen
Bauelementen in der Schaltung aufweisen. Zum Beispiel ist ein Ende
der Diode D1 in der Regel mit dem Referenzkondensator Cr und einem
Floating Gate-Knoten des MOSFET-Transistors
T1 verbunden, und das andere Ende ist mit einem Source-Knoten des
MOSFET-Transistors T1 verbunden.
-
Der
MOSFET-Transistor T1 wird als Source-Folger-MOSFET-Transistor betrieben.
Um eine Spannungsänderung
zwischen dem Floating Gate-Knoten und einer Substratwanne zu beseitigen,
wird der Source-Knoten in der Regel mit einem Substratknoten verbunden.
Ein Drain-Knoten des MOSFET-Transistors T1 wird mit Masse verbunden.
Weiterhin wird ein Knoten des Referenzkondensators Cr auch mit Masse
verbunden.
-
Was
die an den Floating Gate-Knoten angelegte Spannung Vfg angeht, können die
Floating Gate-Spannung Vfg und die Source-Spannung Vs beide in einem 0V-Zustand
sein, ohne dass Spannung angelegt ist, da ein natürlicher
Leckstrom auftreten kann, selbst wenn die Diode D1 in Sperrrichtung
gepolt ist.
-
In
diesem Zustand, wenn ein Strom Is (nicht gezeigt) an den Source-Knoten
angelegt wird, um in einem Sättigungsgebiet
betrieben zu werden, wird eine gewisse Spannung zwischen dem Floating
Gate-Knoten und dem Source-Knoten gemäß den Source-Folger-Eigenschaften
ausgebildet. Gleichzeitig wird an einem Source-Anschluss eine anfängliche
Source-Spannung Vs ausgebildet.
-
Eine
Spannung Vd (nicht dargestellt) an der Diode D1 basiert auf der
Spannung, die zwischen dem Floating Gate-Knoten und dem Source-Knoten
angelegt wird. Dies bedeutet, dass die Floating Gate-Spannung Vfg
und die Source-Spannung Vs auch gleichförmig als inverse Spannungen
an die Diode D1 angelegt werden.
-
2 zeigt
einen beispielhaften Graphen, der die Spannungs- und Stromeigenschaften eines MOSFET-Transistors
und ein Stromsättigungsgebiet
des MOSFET-Transistors unter Messbedingungen gemäß der vorliegenden Erfindung
angibt. Die Messung kann unter einer Bedingung durchgeführt werden,
dass der MOSFET-Transistor in dem Sättigungsgebiet betrieben wird,
nämlich
unter der Bedingung von Is-Strom im Sättigungsgebiet.
-
In 2 ist
Idrain ein Drain-Strom des MOSFET-Transistors und Vds ist die Spannung
zwischen dem Source-Knoten und dem Drain-Knoten. Vgs ist die Spannung
zwischen dem Source-Knoten und dem Gate-Knoten.
-
Wie
in 2 gezeigt, obwohl die Spannung Vds zwischen dem
Source- und Drain-Knoten steigt, wenn der Leckstrom Is gleichförmig ist
(d.h., konstant oder unverändert),
ist die Spannung zwischen dem Gate- und Source-Knoten im Sättigungsgebiet
gleichförmig.
-
Dementsprechend,
wenn die Spannung Vs des Source-Knotens ansteigt, steigt die Spannung
Vfg des Floating Gate-Knotens auch an, um den gleichen Strom zu
erhalten. Diese Eigenschaften werden als Source-Folger-Eigenschaften
bezeichnet.
-
Die
inverse Spannung Vd, die an die Diode D1 angelegt wird, verursacht
den Leckstrom Id der Diode D1. Der Stromfluss kann durch die folgende
Gleichung ausgedrückt
werden:
wobei
Vfg(t) eine Spannung des Floating Gate-Knotens ist, Cdgo eine Überlappkapazität der Gate-
und Drain-Knoten, Csgo eine Überlappkapazität der Floating-
und Source-Knoten, und Cbgo eine Überlappkapazität des Floating
Gate-Knotens und des Substrats ist. Da der Drain-Knoten mit Masse
gekoppelt ist, hat Vdrain den Wert 0V.
-
Falls
der MOSFET-Transistor einen p-Kanal einer N-Wanne hat, ist die Floating
Gate-Spannung Vfg niedriger als die Source-Spannung Vs, so dass Löcher in
den Floating Gate-Knoten injiziert werden und Elektronen von dem
Floating Gate-Knoten entladen werden, d.h. unterschiedliche leitfähige Typen
von Verunreinigungsionen in die beiden Enden der P-N-Sperrschicht
injiziert werden. So erhöht
sich im Laufe der Zeit die Floating Gate-Spannung Vfg weiter.
-
Dementsprechend
erhöht
sich auch die Source-Spannung Vs, um einen gleichförmigen Strom
beizubehalten. Somit ist die an die Diode D1 angelegte Spannung
gleichförmig,
während
die Spannung zwischen den Drain- und Source-Knoten durch den Leckstrom
Id der Diode D1 auf Grund der Menge der eingeführten elektrischen Ladungen
ansteigt.
-
Wenn
in der Gleichung (1) nach der Zeit 't' differenziert
wird, wird die folgende Gleichung (2) erhalten.
-
-
In
der Gleichung (1) ist gemäß den Source-Folger-Eigenschaften, wie
erläutert,
Vfg(t) – Vs(t)
= constant, und so gilt Vfg(t) = Vs(t) + constant, und somit wird
bei der Differentiation die Gleichung (2) erhalten.
-
In
der Gleichung (2) kann, da Cr und Cdgo bereits bekannte Werte sind,
der Leckstrom Id an der Diode D1 bestimmt werden, indem ein Gleichstrom
an den Source-Anschluss angelegt wird und eine Steigung der Source-Spannung
Vs in einem Zeitbereich gemessen wird.
-
Die
Zunahme des Stroms Is, der an den Source-Knoten angelegt wird, erhöht Vfg – Vs, d.h.,
die an die Diode D1 angelegte Spannung, so dass der Leckstrom Id
entsprechend der Spannung nach Gleichung (2) gemessen werden kann.
-
3 ist
ein Graph, der eine Steigung von Vs über die Zeit darstellt, wenn
sich ein Leckstrom einer Diode verändert. Wie in 3 gezeigt,
ist der Leckstrom Id auch gleichförmig, da die an die Diode D1
angelegte Spannung gleichförmig
ist, wodurch sich eine lineare Steigung ergibt.
-
Tabelle
1 zeigt einen Vergleich zwischen dem Leckstrom Id der Diode D1,
der nach einer Bauteilsimulation berechnet wurde, und Ergebnissen,
die auf Basis der Gleichung (2) berechnet wurden. [Tabelle 1]
| Fälle | Cr
(fF) | Cdgo
(fF) | dVs/dt | Id
mit Simulation | Berechneter
ID |
| Fall
1 | 1,922 | 0,339 | 0,04695 | 1,0623·10–16 | 1,061539·10–16 |
| Fall
2 | 1,922 | 0,339 | 0,738 | 1,671·10–15 | 1,668618·10–15 |
-
Wie
in Tabelle 1 gezeigt, beträgt
ein Fehler zwischen dem Leckstrom Id der Diode D1 entsprechend den
gemessenen Ergebnissen der Simulation und dem nach der Gleichung
(2) berechneten Leckstrom Id weniger als 1%. Obwohl die Pegel des
Leckstroms im Bereich zwischen 10–16–10–15 liegen,
kann ein solcher Leckstrom einfach durch bestehende Messausstattung
auf der Basis von Gleichung (2) gemessen werden, da die bei der
Berechnung von Gleichung (2) zu messenden Spannungspegel einfach
durch bestehende Messausstattung gemessen werden können. Somit
kann eine Feldstruktur der Diode D1 nicht erforderlich sein.
-
4 zeigt
eine beispielhafte Schaltung zum Messen eines Leckstroms gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Schaltung kann zum Messen des Leckstroms des P-N-Sperrschichtgebiets
in einem MOSFET-Transistor verwendet werden. Im Besonderen kann
die Schaltung zum Messen des Leckstroms im Drain des MOSFET-Transistors verwendet
werden, wenn sich der MOSFET-Transistor in einen AUS-Zustand befindet.
-
Wie
in 4 dargestellt, kann die Schaltung einen MOSFET-Transistor A, einen
MOSFET-Transistor B und einen Kondensator Cr enthalten. Die Schaltung
kann auch elektrische Anschlüsse
oder Verbindungspunkte für
Masse und verschiedene Spannungen aufweisen. Im P-N-Sperrschichtgebiet
des Drain im Gebiet des MOSFET-Transistors B kann ein zu messender
Leckstrom auftreten.
-
Der
Drain-Knoten des MOSFET-Transistors B kann üblicherweise mit dem Referenzkondensator
Cr und einem Floating Gate-Knoten des MOSFET-Transistors A gekoppelt
sein. Ein Gate-Knoten, ein Source-Knoten und ein Substratknoten
des MOSFET-Transistors B sind mit einem Source-Knoten des MOSFET-Transistors
A gekopqpelt.
-
Der
MOSFET-Transistor A kann als ein Source-Folger-MOSFET-Transistor, wie oben
erläutert,
betrieben werden. Um eine Spannungsdifferenz zwischen dem Floating
Gate-Knoten und der Substratwanne des MOSFET-Transistors A zu beseitigen,
ist der Source-Knoten des MOSFET-Transistors A üblicherweise mit dem Substratknoten
des MOSFET-Transistors A verbunden. Und der Drain-Knoten des MOSFET-Transistors A
ist mit Masse verbunden. Ein Knoten des Referenzkondensators Cr
ist auch mit Masse verbunden.
-
In
solch einer Ausgestaltung kann der MOSFET-Transistor B einem Halbleiterbauteil
mit zwei Enden entsprechen, wobei ein Ende dem Drain-Knoten entspricht
und das andere Ende den gekoppelten Gate-Knoten, Source-Knoten und
Substratknoten. In solch einer Struktur kann der Leckstrom des Drain-Knotens
des MOSFET-Transistors B durch die Gleichung (2) berechnet werden,
wie oben unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben.
-
Wie
oben beschrieben, können
das Verfahren und die Vorrichtung zum Messen eines Leckstroms gemäß der vorliegenden
Erfindung die folgenden Vorteile aufweisen.
-
Als
Erstes kann der Leckstrom der P-N-Sperrschicht des Halbleiterbauteils
exakt gemessen werden.
-
Zweitens
kann die Fläche
eines Testbauteils, die zum Messen des Leckstroms erforderlich ist,
verkleinert werden.
-
Drittens
kann die Genauigkeit bei der Messung des Leckstroms (der sehr klein
sein kann) durch Anhäufung über die
Zeit maximiert werden.
-
Viertens
kann der Leckstrom von der Source oder dem Drain des MOSFET-Transistors
gemessen werden.
-
Es
versteht sich für
Fachleute, dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und dem
Umfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert wird, abzuweichen.
