【技術大咖測試筆記系列】之八：低功率范圍內的MOSFET表征

作者：泰克科技技術大咖 Andrea Vinci

半導體行業一直在尋找新型特殊材料、介電解決方案和新型器件形狀，以進一步、再進一步縮小器件尺寸。例如，2D材料的橫向和縱向異質結構導致了新的顛覆性小型低功率電子器件的產生。

在為半導體器件電氣特點編制準確的報告時，比如特殊的NANO-FETs，業內的科研人員、科學家和工程師都面臨著一個共同的問題。當需要證明能夠實際上以簡便的、可重復的方式控制這些參數時，這個問題會變得更糟。

從觸摸屏顯示器控制的4200A電氣參數表征系統

低電流范圍內電氣表征的典型問題是：必需確定低功率/低漏流MOSFET在不同條件下可實現的器件性能。

測量至關重要，因為它們識別具體指標（FoM），而這些指標會證實或否認特定應用內的有效行為。例如，n型FETs要求評估不同源極、漏極和柵極電壓值上的打開和關閉漏極電流。FoMs可能會在不同應用間變化，但獲得指標的方式基本相同：提供精確受控的以一定方式變化的電壓或電流，同時準確地獲得電壓和電流測量，并與每個具體可變變量相關聯。

在實踐中，通過使用一定數量的源測量單元（SMUs），也就是能夠在測量電流和電壓的同時提供電流或電壓的專門儀器，可以解決這個問題。但實用的解決方案看上去準備妥當時，許多隱藏的“細節”可能會導致問題和誤導性結果，我們來看一下。

這些應該自問的關鍵問題

越來越常見的是，工程師會落入忘了從整體上仔細查看測試系統的陷阱。或者更好一點，他們清楚地看到自己的器件，他們清楚地看到自己的儀器，但看不到兩者之間的東西。例如，我經常看到示波器用戶忘了使用探頭到達特定測試點，來測量電路板。對那些被提醒考慮探頭對信號影響的工程師，他們一般仍會忘記探頭引線對測量的影響，以及與信號耦合有關的問題。

“那么，這真有關系嗎？”他們會問。遺憾的是，確實有關系，我們必需考慮這些影響。

對DC表征應用，風險是類似的。即使我們使用復雜昂貴的探測站系統器件來完成物理探，SMUs仍須強制施加電壓、測量電流，通過電纜連接到探頭卡上。這是否意味著我們應該認為電纜可能影響我們的測量結果呢？

不管答案是什么，重要的是在繼續處理前你都要自己問一下這個問題。更重要的是，要確保回答是正確的。

CMOS制造中的精密測量，是說明連接能力重要性的典型實例。事實上，連接能力意味著在測試系統中增加電容。由于當今MOSFETs是在較寬的擴展頻率范圍內表征的，因此必須認真考慮增加的電容導致的任何影響。

我們先看一下連接對電容的影響。參數（自動化）測試設備一般使用三同軸電纜連接，這是源測量測試單元與被測器件之間非常典型的低噪聲連接實例。三同軸電纜是一種特殊的同軸電纜，它通過一個額外的外部銅纜法拉第屏蔽層來絕緣傳導信號的部分。即使法拉第屏蔽層降低了電纜的分布式電容，但在電纜總長變得有意義時，電纜增加的電容仍會影響測量。

我們看一個實際應用，比如測試系統必須表征n-MOSFET晶體管。在這個應用中，我們使用基于SMU的測試系統，追蹤所謂的I-V曲線，這有時也稱為“輸出特點” 或“傳遞特點”。我們把柵極電壓編程為前向和后向掃描（如前所述，使用SMU），同時測量漏極電流（也使用SMU）。

通過這些曲線，我們可以采集有用的數據，精確建立晶體管傳導力激活和去激活模型，分析這些特征什么時候體現線性度或進入飽和行為，確定自熱效應對這些參數和曲線可能會產生多大的位移。

當表征需要建立載流子、電子或孔眼（在狀態之間跳動，根據多種條件修改其遷移性）的行為模型時，測量系統會以四線（或遠程傳感）配置連接DUT，并使用三同軸電纜。

看一下四線配置的三同軸電纜連接，總長度對應Force Hi和Sense Hi電纜長度之和。根據三同軸電纜的電容/米（pF/m）指標，我們可以計算出，用兩條三同軸電纜把SMU連接到器件端子上，長度為20米（10米+ 10米），保護電容約為2 nF，屏蔽電容約為6 nF。

在這些情況下，SMU的靈敏度在測量弱電（一般在納安級）的傳遞特點時沒有意義，因為電容電纜負載會導致振蕩。SMU不僅要有靈敏度，還必須能夠保持電纜負載導致的有效電容，或者把SMU連接到DUT的任何引線的負載。

否則，靈敏度就沒有用，SMU只會產生有噪聲的振蕩讀數。

使用兩個SMU與使用兩個4211-SMU通過開關矩陣測得的FET的Id-Vd曲線對比。

能夠確定測試電容是否影響測量正變得越來越關鍵。在這些情況下，吉時利應用工程師可以提供寶貴的咨詢服務，確保客戶避免陷阱。在設置中有長連接電纜時，或者在測量系統和DUT之間有開關矩陣時，或者DUT或卡盤要求進行納安級測量時，最好復核設置，尋求顧問和建議。

為關鍵量程提供的最新解決方案

面對這些極具挑戰性的特殊情況，必需在測量中使用特定的SMUs模塊。吉時利推出了一種專用版SMU，可以用于類似4200A-SCS參數分析儀的參數分析系統中。

SMUs特別適合連接LCD測試站、探頭、開關矩陣或任何其他大型測試儀或復雜的測試儀。

4201-SMU中等功率SMU和4211-SMU高功率SMU（選配4200-PA前置放大器）支持穩定的弱電測量，即使是在長線纜連接導致較高的測試連接電容時。

事實上，這些模塊可以供電并測量容性超過當今1，000倍的系統。例如，如果電流電平為1 ~ 100 pA （微微安），那么最新的吉時利模塊會穩定在1 μF （微法拉）的負載電容上。相比之下，最大負載電容競品在測量穩定性劣化前只能容忍1，000 pF （微微法拉），換句話說，比吉時利模塊差1，000倍。

高阻抗應用C-V測量

總結

持續改進測量技術必不可少，以優化半導體材料，在集成晶體管中實現低接觸電阻、專門的形狀和獨特的結構。GaN晶體管在未來功率電子中的成功，與鑄造工藝中采用的納米結構緊密相關。一方面，柵極寬度結構中的電容較低，所以要考慮任何其他有意義的電容影響，比如電纜和連接產生的電容。另一方面，通過改善SMU耐受高電容的能力，提供更高的測量穩定性，它們也克服了這些問題。