B1500A: CMOS器件电性表征的全面解决方案——B1500A半导体器件分析

[{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"引言 "},{"insert":"\n互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)场效应管(FET)技术仍然是大规模集成电路，如微处理器和存储器器件的基础。CMOS技术现在已渗入人们的日常生活，如移动电话，高清电视和电脑。 \n改进CMOS器件性能的主要挑战来自两个相悖的目标: 高速和低耗。为同时实现这两个目标，研究人员需要全面表征 MOSFET 器件参数。不仅要表征静态特性，而且还要表征器件的动态特性和与时间相关的特性。 \n近20年来，Keysight 4155和4156半导体参数分析仪始终是工业界的标准仪器。Keysight B1500A半导体器件分析仪更是具有精确表征先进CMOS器件所需测量能力的新一代半导体参数分析仪。 \nEasyEXPERT是包括准备就绪的测量库的B1500A标配控制软件。这些测量库覆盖评估基本CMOS器件和先进CMOS器件的各种参数，包括可靠性测试。 \n这篇应用指南全面介绍B1500A的主要性能特性，展示B1500A作为CMOS器件电性表征的全面解决方案。\n \n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"先进的综合测量能力 "},{"insert":"\nB1500A 10个模块插槽，众多可选的源 /监视单元(SMU)和其它先进的模块类型，可通过配置满足对先CMOS制程的最精确测量要求。图1 列出所有适用于B1500A 的模块。 \n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"中功率SMU(MPSMU) "},{"insert":"\nMPSMU 是通用SMU，它具有适中的电压源和电流源能力以及测量分辨率。MPSMU的最大输出电压±100V，最大输出电流为±100mA。最小电流测量分辨率10 fA，最小电压测量分辨率为0.5 μV。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"高分辨率SMU(HRSMU) "},{"insert":"\nHRSMU 适用于要求极高精度的测量，例如测量栅极漏电流，关断态漏电流和亚阈值电流测量。HRSMU 的最小电流测量分辨率为1fA(MPSMU 为10fA)。此外，当与阿安测量与开关单元(ASU)一起使用时，HRSMU 更能实现100aA(0.1fA) 的电流测量分辨率，并仍保持MPSMU相同的电压源和电流源能力。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"高功率SMU(HPSMU) "},{"insert":"\n顾名思义，HPSMU比其它SMU扩展了电压源和电流源能力。HPSMU 的最大输出电压为± 200V，最大输出电流为±1A。200V 输出能力可用于击穿电压测量，1A 输出能力支持重要的可靠性测试，如器件互联电迁移测试。所有B1500A SMU均为Kelvin型，具有单独的施加输入和测量输入端口。此外，所有SMU都能执行准静态CV( 电容vs. 电压 )测量，其漏电流补偿特性可帮助进行薄栅极介电层测量。\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/11697157d0a84fc2.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图1. 为B1500A提供极高灵活性的众多可选模块"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"  "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"多频率电容测量单元(MFCMU) "},{"insert":"\n某些CMOS器件参数需要通过电容测量来评估，如栅极介电层厚度，端子重叠，以及介电层间的电容。B1500A 的 MFCMU模块能够执行这些电容测量，从而不再需要单独的外部电容表。\n该MFCMU的频率范围为1 kHz至5MHz。并支持 ±25 V 的直流偏置。可选的 SMU CMU 复合单元 (SCUU) 支持基于定位器的晶圆检测环境中的自动切换电容 - 电压 (CV)测量和电流-电压(IV)测量，因此能省略执行这一功能的开关矩阵。此外，SCUU 还可将 MPSMU 或HRSMU 作为偏置源，把电容测量的直流偏置电压扩展到±100V。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"高压半导体脉冲发生器单元(HV-SPGU) "},{"insert":"\nHV - SPGU 专门用于应对先进非易失性存储器(NVM)的测试挑战，这些测试需要表征多层式(MLC)闪存的写入/擦除行为。\n每一 HV - SPGU 模块有两个独立通道，每个通道具有±40 V的源能力及内置的三态特性。一台 B1500A 最多可装入 5 块 HV - SPGU 模块，并让所有模块通道同步输出，从而同时向多个器件端口提供脉冲激励。16445A SMU/PGU 选择连接适配器允许B1500A SMU 控制 16440A SMU/ 脉冲发生器选择器单元，而 16440A 可以支持HV- SPGU和SMU间轻松切换。由于具有这些先进的功能特性，HV - SPGU 可提供无与伦比的写入/擦除耐久性测试能力，可在短短几小时内完成一百万次循环。\n除了支持杰出的闪存单元表征能力外，HV - SPGU 还具有任意线性波形产生 (ALWG)能力，为表征新型NVM，如相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)输出复杂的波形序列。\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"波形发生器/快速测量单元(WGFMU) "},{"insert":"\nWGFMU 是包括 ALWG 电压脉冲功能和超快速 IV 测量功能的双通道模块。可用 10 ns 的最快采样率设定电压波形。WGFMU模块的电压输出有16位分辨率，覆盖的电压量程包括: - 5 V 至 5 V，- 10 V至0 V，0 V至10 V。模块在IV测量时的最小采样间隔为5ns，并支持1 μA，10μA，100 μA，1 mA 和 10 mA的测量量程 (14 位分辨率)。 \n模块覆盖的应用包括脉冲IV测量，先进超快速负偏置温度不稳定性 (NBIT) / 正偏置温度不稳定性 (PBTI) 测量 (包括直流和交流应力)，随机电报噪声( RTN )测量，微机电系统 (MEMS) 电容器表征，新型非易失存储器表征，以及其它类型的瞬态或时域测量。 \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"超窄脉冲IV测量系统"},{"insert":" \nB1542A 脉冲 IV 系统为在 SOI 晶圆上或使用高 k 栅极介电层制造的 MOSFET 提供测量本征IV特性的10 ns脉冲IV能力。该B1542A包括B1500A，应用软件，脉冲发生器，示波器和专业配件。\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000"},"insert":" "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"便捷和直观的操作 "},{"insert":"\n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"EasyEXPERT"},{"insert":" \nKeysight EasyEXPERT软件是基于PC的B1500A的标准软件，是用于控制B1500A的强大Microsoft ® Windows应用程序。E a s y E X P E R T 有直观的图形用户界面 (GUI)，提供简捷而高效的测量和分析环境。可通过 B1500A 的触摸屏 LCD面板，或通过可选的 USB 键盘及鼠标与EasyEXPERT互动。熟悉的Windows环境易于掌握，并支持联网以及数据输出至基于MS Offifice的工具。\n \n"},{"attributes":{"bold":true},"insert":"使用准备就绪的测量库 "},{"insert":"\nEasyEXPERT 采用独特的 \"自上而下\" 方法表征器件，使用户能把精力集中于测量，而不需要去了解那些复杂的仪器硬件。EasyEXPERT 配备了 230 多个按器件类型，应用和技术归类的测量算法。 \n图 2 显示 MOSFET 阈值电压测量的应用测试例子。用户首先选择 \"CMOS\" 技术类别。接着在显示表中选择\"Vth gmMax\"应用测试。其文档描述该应用测试如何从漏极电流线性区推算得到阈值电压。最后用户填入测量参数和点击起动按钮。测量随即开始，Vth 由内置的分析功能自动提取得到。测量完成后，测量结果被自动保存到EasyEXPERT的内置数据库中。 \n如有必要，您也能容易地修改或自定义适合您特定需求的应用测试。该应用测试能容易地立刻开始进行高效率的参数测试。 \n此外，这些应用程序也可用于其它类型的器件，如应用测试库中包括的双极晶体管(BJT)，分立器件，闪存单元，混合信号器件，碳纳米管或金属纳米管，功率FET和薄膜晶体管。这就极大地扩展了B1500A在表征所有半导体器件上的使用4 。 \n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/902962a40adb9689.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图2. EasyEXPERT应用测试使复杂的测量变得容易"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"表1至表3是适用于CMOS制程和器件电性表征的应用测试库列表 1 。 \n表1. 材料和元件开发\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/931676fc0a8ecdde.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"表2. MOS-FET的IV和CV特性\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/a0c261490586df65.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"表3. 可靠性测试\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202302/5ae64fcf386ba64e.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"1 要了解特定应用测试的详情，请参看\"Keysight EasyEXPERT应用库技术资料 \"(P/N:B1500-90050)。 \n2 要了解动态定时功能NBTI的详情，请参看应用指南\"AN B1500-6: 使用动态定时功能的精确NBTI表征 \"(P/N: 5989-5711EN)。 \n3 要了解超快速NBTI的详情，请参看应用指南\"AN B1500-10使用 Keysight B1500A WGFMU模块的超快速1μs NBTI表征 \" (P/N: 5989-9963EN)。 \n4 要了解这些应用指南的更多情况，请参看\"Keysight EasyEXPERT应用库技术资料 \"(P/N:B1500-90050)。\n \n"},{"attributes":{"color":"#ff0000","bold":true},"insert":"结论 "},{"insert":"\nCMOS是目前使用最广的晶体管技术，也是现代电子行业的主干。尽管替代技术在不断进步，但它们不可能在短期内取代CMOS。高速和低耗这两个相悖的目标需要精确评估CMOS 器件的静态和动态特性。B1500A 是一种模块化和配备齐全的仪器，您能把它配置成能执行最富挑战性CMOS器件测量的解决方案。Keysight EasyEXPERT软件为B1500A提供简明而直观的仪器控制，应用测试库容易学习掌握，从而能很快开始执行高效率的CMOS器件测量。\n \n——内容来源于是德科技"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"}]