一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括波形處理器、寬頻帶電壓放大器、寬頻帶電壓偏置器、寬頻帶拾撿三通裝置、第一微波探針和第二微波探針。本發(fā)明的創(chuàng)新在于通過給電子器件施加皮秒級的脈沖序列波形，使電子器件處于類似CPU的真實工作環(huán)境中，測試出CPU中的電子器件在實際開關速度(100pS級別)下的電學特性。本發(fā)明系統(tǒng)可適用于以硅、鍺、Ⅲ?Ⅴ族化合物為載流子溝道的高性能平面晶體管，以及鰭式立體柵極、環(huán)柵(GAA)結構場效應晶體管的電學特性研究。
【專利說明】
一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于半導體器件電學參數(shù)提取領域，具體涉及一種在極短時間(100pS)，對高性能電子器件尤其是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETs)器件Id-Vg的測試方法。
【背景技術】
[0002]過去幾十年中，隨著CMOS集成電路技術的發(fā)展，電路中的最核心單元-金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFETs)的尺寸遵從摩爾定律逐步減小，從幾微米(μπι)縮短至14nm，晶體管器件密度和性能不斷提高。隨著柵極長度不斷縮小，氧化層厚度不斷減薄，器件結深減小，閾值電壓減小，MOSFET晶體管器件的性能會因為迀移率退化、靜態(tài)功耗以及關態(tài)漏電流等因素而有所下降，傳統(tǒng)的硅基場效應晶體管已接近其工作原理的物理極限。解決短溝道效應的方法是采用具有極高載流子迀移率材料作為新的溝道材料，主要包括Ge、ΙΠ-V族半導體等。另一種方法是用新的絕緣體超薄體材料或用立體器件結構來取代傳統(tǒng)的體硅器件，如絕緣體上硅(SOI);以及雙柵、三柵(FinFETs)、圍柵(GAA)立體器件和納米線晶體管等等。
[0003]隨著器件尺寸的不斷減小，晶體管柵極氧化層電電場不斷增加，半導體中位于柵介質氧化層與溝道界面處的載流子會在強電場作用下加速到具有極高動能。這些載流子會破壞器件結構，影響器件特性，因此正確提取晶體管的電學參數(shù)十分重要。
[0004]采用傳統(tǒng)的直流電流電壓測試方法獲得MOSFET晶體管漏極電流Id與柵極電壓丫8的輸出轉移特性曲線，通常需要大約幾秒鐘。已有研究表明柵疊層與溝道界面缺陷捕獲釋放載流子時間甚至快至十幾皮秒。目前報道的最快的快速Id-Vc?試方法中上升下降沿為為幾納秒，并不能完整反映載流子與缺陷之間的傳輸運動。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試系統(tǒng)，通過給器件的柵極施加偽隨機二進制碼波形，使器件處于類似CPU的真實工作環(huán)境中，測試出(PU中實際開關速度(10pS級別)的器件轉移特性。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括波形處理器、寬頻帶電壓放大器、寬頻帶電壓偏置器、寬頻帶拾撿三通裝置、第一微波探針和第二微波探針;波形處理器產生上升沿和下降沿均小于10pS的電壓脈沖波形或偽隨機二進制碼序列電壓波形的電壓信號，由輸出通道依次傳輸至寬頻帶電壓放大器和寬頻帶電壓偏置器后，通過第一微波探針在待測MOSFET晶體管的柵極上加載柵極電壓信號，柵極電壓信號的上升沿和下降沿時間以及占空比均可調；寬頻帶拾撿三通裝置通過第二微波探針在待測MOSFET晶體管的漏極上加載漏極電壓信號；在保證高頻信號完整性的同時，寬頻帶拾撿三通裝置通過第二微波探針在待測MOSFET晶體管的漏極上采集MOSFET晶體管的漏電流信號，無失真地傳輸至波形處理器的輸入通道，根據(jù)系統(tǒng)總延時確定柵極電壓信號和漏電流信號的對應關系，即得到Id-Vc關系曲線。
[0007]進一步地，所述第二微波探針為能夠自動散熱的“地-信號-地”微波探針，在一側的“地-信號”終端之間接有50 Ω電阻。
[0008]進一步地，該系統(tǒng)還包括三通道直流電源，三通道直流電源的第一通道和第二通道分別為寬頻帶電壓放大器提供正直流電壓和負直流電壓;第三通道為寬頻帶電壓偏置器提供直流工作電壓，直流工作電壓的大小由MOSFET晶體管的柵極工作電壓決定。
[0009]進一步地，該系統(tǒng)還包括直流電源，其輸出的直流電壓的大小由MOSFET晶體管的漏極工作電壓決定。
[0010]進一步地，所述的寬頻帶電壓放大器、寬頻帶電壓偏置器、寬頻帶拾撿三通裝置的極限帶寬需保證信號傳輸?shù)耐暾浴?br>[0011]進一步地，波形處理器與第一微波探針和第二微波探針之間傳輸線纜為毫米波電纜，其極限帶寬需保證信號傳輸?shù)耐暾浴?br>[0012]進一步地，為了減少系統(tǒng)噪聲，在整個系統(tǒng)中建立公共地。
[0013]本發(fā)明的有益技術效果是:本發(fā)明的創(chuàng)新在于為測試出CPU中實際開關速度(10pS級別)的器件轉移特性，通過第一微波探針在MOSFET晶體管的柵極加載上升沿和下降沿均小于10pS的電壓脈沖波形或偽隨機二進制碼序列電壓波形的電壓信號，使器件處于類似CPU的真實工作環(huán)境中。寬頻帶拾撿三通裝置通過第二微波探針在待測MOSFET晶體管的漏極上加載漏極電壓信號；在保證高頻信號完整性的同時，寬頻帶拾撿三通裝置通過第二微波探針在待測MOSFET晶體管漏極上采集MOSFET晶體管的漏電流信號。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明超快速電學性能測試系統(tǒng)的結構示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明超快速電學性能測試系統(tǒng)計算漏極電流的等效電路圖。
[0016]圖3為本發(fā)明超快速電學性能測試系統(tǒng)波形處理器輸出的偽隨機二進制序列PRBSl 5 波形。
[0017]圖4為本發(fā)明超快速電學性能測試系統(tǒng)的測試結果示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。
[0019]如圖1所示，本實施例一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試系統(tǒng)，包括波形處理器101、寬頻帶電壓放大器102、寬頻帶電壓偏置器103、寬頻帶拾撿三通裝置108、第一微波探針104、第二微波探針113。波形處理器101產生上升沿和下降沿均小于10pS的電壓脈沖波形或偽隨機二進制碼序列電壓波形的電壓信號110，由輸出通道依次傳輸至寬頻帶電壓放大器102和寬頻帶電壓偏置器103后，通過第一微波探針104在待測MOSFET晶體管105的柵極上加載柵極電壓信號110;波形處理器101的帶寬和采樣率設置滿足在皮秒級快速上升或下降沿采集到足夠多的數(shù)據(jù)點的要求，柵極電壓信號110的上升沿和下降沿時間以及占空比均可調。寬頻帶拾撿三通裝置108通過第二微波探針113在待測MOSFET晶體管105的漏極上加載漏極電壓信號111;在保證高頻信號完整性的同時，寬頻帶拾撿三通裝置108通過第二微波探針113在待測MOSFET晶體管105的漏極上采集MOSFET晶體管105的漏電流信號112，無失真地傳輸至波形處理器101的輸入通道;根據(jù)系統(tǒng)總延時確定柵極電壓信號110和漏電流信號112的對應關系，即得到Id-Vc關系曲線。
[0020]本實施例中，該系統(tǒng)還包括三通道直流電源107以及直流電源109，三通道直流電源107的第一通道和第二通道分別為寬頻帶電壓放大器102提供+8V的直流電壓和-5V的直流電壓，第三通道為寬頻帶電壓偏置器103提供直流工作電壓，直流工作電壓的大小由MOSFET晶體管105的柵極工作電壓決定。寬頻帶拾撿三通裝置108在待測MOSFET晶體管105的漏極上加載的漏極電壓信號111由直流電源109輸出提供;直流電源109其輸出的直流電壓的大小由MOSFET晶體管105的漏極工作電壓決定。為了減少系統(tǒng)噪聲，在整個系統(tǒng)中建立公共地106。
[0021]圖2給出測試系統(tǒng)中計算漏極電流Id的等效電路圖。其中V^MOSFET晶體管漏極的電壓，RhR^R3是寬頻帶拾撿三通裝置的電阻，％是波形處理器上顯示的電壓值。為了保證信號的完整性，波形處理器內接有50 Ω的電阻。根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律，可以將波形處理器上顯示的電壓轉化為對應的MOSFET晶體管漏極電流。
[0022]圖4給出了本發(fā)明的快速測試系統(tǒng)與普通阻抗分析儀測試的結果對比。測試的MOSFET 晶體管 105 為 Hf02/Si02(2nm/lnm)nM0SFET，柵長為 0.18μπι，柵寬為 ΙΟμπι。給器件的柵極施加如圖3所示的偽隨機二進制碼序列PRBS15，低電壓為0V，高電壓為2VWRBS15序列是長度為215-lbit，2Gs/s個樣點的隨機序列，用以模擬MOSFET在真實工作條件下的隨機邏輯環(huán)境。使用本發(fā)明設計的系統(tǒng)進行測試，經過計算得到的Id-Vc轉移特性曲線如圖4圓形曲線所示，圖4正方形曲線是使用常規(guī)的阻抗參數(shù)分析儀測試到的Id-Vg轉移特性曲線。顯然，本發(fā)明的快速測試系統(tǒng)與常規(guī)的阻抗參數(shù)分析儀的測試結果高度吻合，說明本發(fā)明的快速測試系統(tǒng)準確有效。
[0023]上述實施例只是本發(fā)明的舉例，盡管為說明目的公開了本發(fā)明的最佳實例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于最佳實施例和附圖所公開的內容。
【主權項】
1.一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括波形處理器(101)、寬頻帶電壓放大器(102)、寬頻帶電壓偏置器(103)、寬頻帶拾撿三通裝置(108)、第一微波探針(104)和第二微波探針(113)等;波形處理器(101)產生上升沿和下降沿均小于(100)pS的電壓脈沖波形或偽隨機二進制碼序列電壓波形的電壓信號，由輸出通道依次傳輸至寬頻帶電壓放大器(102)和寬頻帶電壓偏置器(103)后，通過第一微波探針(104)在待測MOSFET晶體管(105)的柵極上加載柵極電壓信號(110)，柵極電壓信號(110)的上升沿和下降沿時間以及占空比均可調；寬頻帶拾撿三通裝置(108)通過第二微波探針(113)在待測MOSFET晶體管(105)的漏極上加載漏極電壓信號(111)，并采集MOSFET晶體管(105)的漏電流信號(112)，將采集的漏電流信號(112)傳輸至波形處理器(101)的輸入通道;根據(jù)系統(tǒng)總延時確定柵極電壓信號(110)和漏電流信號(112)的對應關系，即得到Id-Vc關系曲線。2.根據(jù)權利要求1所述的一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，其特征在于:所述第二微波探針(113)為能夠自動散熱的“地-信號-地”微波探針，在一偵啲“地-信號”終端之間接有50 Ω電阻。3.根據(jù)權利要求1所述的一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)還包括三通道直流電源(107)，三通道直流電源(107)的第一通道和第二通道分別為寬頻帶電壓放大器(102)提供正直流電壓和負直流電壓；第三通道為寬頻帶電壓偏置器(103)提供直流工作電壓，直流工作電壓的大小由MOSFET晶體管(105)的柵極工作電壓決定。4.根據(jù)權利要求1所述的一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)還包括直流電源(I 09 )，其輸出的直流電壓的大小由MOSFET晶體管(105)的漏極工作電壓決定。5.根據(jù)權利要求1所述的一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，其特征在于:所述的寬頻帶電壓放大器(102)、寬頻帶電壓偏置器(103)、寬頻帶拾撿三通裝置(108)的極限帶寬需保證信號傳輸?shù)耐暾浴?.根據(jù)權利要求1所述的一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，其特征在于:波形處理器(101)與第一微波探針(104)和第二微波探針(113)之間傳輸線纜為毫米波電纜，其極限帶寬需保證信號傳輸?shù)耐暾浴?.根據(jù)權利要求1所述的一種應用于半導體器件的皮秒級超快速電學特性測試的系統(tǒng)，其特征在于:在整個系統(tǒng)中建立公共地(106)。
【文檔編號】G01R31/26GK106054054SQ201610502727
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】趙毅, 張睿, 盧繼武, 曲益明
【申請人】浙江大學