物理学测试仪器4200课件.ppt

1、A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.14200-SCS半导体特性分析系统主要应用领域半导体特性分析系统主要应用领域 半导体材料和器件的研发半导体材料和器件的研发传统的半导体和微电子专业传统的半导体和微电子专业 器件和工艺的参数监控器件和工艺的参数监控半导体工艺线，生产半导体工艺线，生产器件的建模（器件的建模（Modelin

2、g)半导体器件的设计，集成电路的设计半导体器件的设计，集成电路的设计可靠性和寿命测试可靠性和寿命测试半导体器件可靠性研究半导体器件可靠性研究高功率高功率MOSFET，BJT和和III-V族器件（族器件（GaN，GaAs)的特性分析的特性分析纳米器件研究；纳米器件研究；光电子器件的研究（光电子器件的研究（LED，OLED等）；等）；非易挥发性存储器测试非易挥发性存储器测试Flash闪存，相变存储器（闪存，相变存储器（PRAM），铁电存储器（），铁电存储器（FeRAM)，阻变存储器（，阻变存储器（RRAM)等；等；有机半导体特性分析有机半导体特性分析太阳能电池及光伏电池特性分析太阳能电池及光伏电池

3、特性分析A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.2产品介绍产品介绍前面板前面板4200-SCS/F半导体特性分析系统的前面板具有一个半导体特性分析系统的前面板具有一个12英寸的超清晰分辨率（英寸的超清晰分辨率（1024768）的液晶显示器，具有可刻录的）的液晶显示器，具有可刻录的DVD光驱，磁盘驱动器，光驱，磁盘驱动器，USB

4、接口，键接口，键盘和鼠标。盘和鼠标。 具有工业级，基于具有工业级，基于GUI的的Windows视窗界面，将系统设置集成时间降低到了最小；视窗界面，将系统设置集成时间降低到了最小；将工业级控制器和另外的将工业级控制器和另外的RAM集成在一起，确保了高的测试速度，加强了系统的坚集成在一起，确保了高的测试速度，加强了系统的坚固性，稳定性和安全性；固性，稳定性和安全性；2000年年底推向市场，全球第一家将年年底推向市场，全球第一家将Windows GUI界面和界面和测量仪器有机地结合在仪器测量仪器有机地结合在仪器具有计算机大容量硬盘，可立即存储测试过程和数据结果；具有计算机大容量硬盘，可立即存储测试过

5、程和数据结果；可刻录的可刻录的DVD光驱可以进行大容量的数据备份和传输；光驱可以进行大容量的数据备份和传输；带有带有4个个USB接口可迅速地与外围设备进行通信。接口可迅速地与外围设备进行通信。 A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.3产品介绍产品介绍后面板后面板4200-SCS半导体特性分析系统的后面板是系统的主要组成部分，

6、从左至右看，可分成计算机部分和仪器测量半导体特性分析系统的后面板是系统的主要组成部分，从左至右看，可分成计算机部分和仪器测量部分。计算机部分包括标准的部分。计算机部分包括标准的10/100以太网接口，以太网接口，RS-232接口，并行打印机接口（内置接口，并行打印机接口（内置100多种常用打印机驱多种常用打印机驱动程序），动程序），SVGA显示器接口，显示器接口，USB接口等；仪器测量部分则包括接口等；仪器测量部分则包括9个基于个基于PCI总线的插槽，可插入总线的插槽，可插入2-8个个SMU（源测量单元），可插入双通道脉冲发生器和示波器插卡（支持脉冲（源测量单元），可插入双通道脉冲发生器和示波

7、器插卡（支持脉冲I-V测量），带有远端感应功能的低噪声地测量），带有远端感应功能的低噪声地单元，单元，GPIB接口等；接口等；将仪器测量部分与计算机部分组成了一个完整有机的整体，使得用户在仪器安装和调试的时间降低到了最小；将仪器测量部分与计算机部分组成了一个完整有机的整体，使得用户在仪器安装和调试的时间降低到了最小；PCI总线插槽的结构可以使得用户将测量通道的数量从总线插槽的结构可以使得用户将测量通道的数量从2个扩展至个扩展至8个，从直流个，从直流I-V测试扩展到脉冲测试扩展到脉冲I-V测试；测试；每个每个SMU通道都具有独立的通道都具有独立的22位分辨率的位分辨率的A/D转换器，保证了测试精

8、度；转换器，保证了测试精度；A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.4产品介绍产品介绍典型配置典型配置 4个高分辨率个高分辨率SMU单元；（可测试单元；（可测试4端口端口MOSFET器件）器件）4个电流前置放大器单元；（电流可分辨到个电流前置放大器单元；（电流可分辨到0.1fA，电流精度，电流精度10fA)1个个CVU（电容（

9、电容电压测量单元）；电压测量单元）；1套完整的脉冲套完整的脉冲I-V（4225-PMU）测量单元；）测量单元；A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.5产品介绍I-V特性测量 4200-SCS系统实现系统实现I-V测量功能的核心单元是测量功能的核心单元是SMU（源测量单元）；（源测量单元）； SMU集集4种功能于一体：电压源、

10、电压表、电流源、电流表；种功能于一体：电压源、电压表、电流源、电流表； 可以向器件提供驱动电压同时测量电流，也可以向器件提供电流并测量电压；可以向器件提供驱动电压同时测量电流，也可以向器件提供电流并测量电压； 图形化的图形化的KITE软件可以轻松地设定测试条件，设定电压或电流，被测点数，软件可以轻松地设定测试条件，设定电压或电流，被测点数， 保护电压或电流值，完成各种保护电压或电流值，完成各种I-V参数测试；参数测试； SMU的数量与被测器件的端口数有关，原则上有几个端口，就要配几个的数量与被测器件的端口数有关，原则上有几个端口，就要配几个SMU。A G R E A T E R M E A S

11、 U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.6产品介绍四探针电阻率测量半导体材料研究和器件测试经常需要确定样品的电阻率和半导体材料研究和器件测试经常需要确定样品的电阻率和Hall载流子浓度。半导载流子浓度。半导体材料的电阻率主要取决于体掺杂。在一个半导体器件中，电阻率能够影响电体材料的电阻率主要取决于体掺杂。在一个半导体器件中，电阻率能够影响电容，串联阻抗和阈值电压。容，串联

12、阻抗和阈值电压。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.7产品介绍C-V特性测量 C-V测量是由测量是由4210-CVU测试单元和测试单元和4200-SCS系统的系统的KITE软件平台共同完成；软件平台共同完成； 扫频频率为扫频频率为1KHz-10MHz，扫描电压范围：，扫描电压范围：0-60V；（加功率包的情况下可；（加功率

13、包的情况下可到到200V） C-V测量不仅是电容测量不仅是电容电压的测量，更重要的是提供了完整的电压的测量，更重要的是提供了完整的C-V分析数据库分析数据库，用户很方便（无需编写程序代码）得到各种半导体物理量：氧化层厚度、栅，用户很方便（无需编写程序代码）得到各种半导体物理量：氧化层厚度、栅面积、串联电阻、平带电容、电压、开启电压、体掺杂、有效氧化层电荷密度面积、串联电阻、平带电容、电压、开启电压、体掺杂、有效氧化层电荷密度、可动电荷、金属、可动电荷、金属-半导体功函数、德拜长度、体电势等。半导体功函数、德拜长度、体电势等。A G R E A T E R M E A S U R E O F C

14、 O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.8产品介绍准静态C-V特性测量 超低频（准静态超低频（准静态C-V Quas-static) C-V测试：测试： 频率范围：频率范围：10mHz-10Hz; 测量量程：测量量程：1pF-10nF； AC信号：信号：10mV-3V RMS； DC偏置：偏置：+/-20VA G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D

15、 E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.9产品介绍4200-SCS微弱电流技术特性 吉时利仪器公司成立吉时利仪器公司成立63年来，致力于微弱电流测试的技术研发：年来，致力于微弱电流测试的技术研发： 4200-SCS系统采用了系统采用了2个技术优势来保证电流的测试：个技术优势来保证电流的测试： (1). 测试电缆采用三同轴电缆技术，采用特殊测试电缆采用三同轴电缆技术，采用特殊Guard保护电路，从而保证了小电流的测试

16、；保护电路，从而保证了小电流的测试；A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.10产品介绍4200-SCS电流测试SMU指标A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R

17、I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.11产品介绍4200-SCS微弱电流技术特性4200-SCS系统采用了系统采用了2个技术优势来保证电流的测试：个技术优势来保证电流的测试： (2).在实际的纳米器件测试中，要考虑到往往被测器件距离参数测试系统会有一段距离，如果不在前端就在实际的纳米器件测试中，要考虑到往往被测器件距离参数测试系统会有一段距离，如果不在前端就将前级微弱电流放大，就会导致前端噪声传送到将前级微弱电流放大，就会导致前端噪声传送到SMU单元中，这样一来，如果将单元中，这样一来，如果将SMU本底精度做的过高，本底精度

18、做的过高，就意义不大了；因此一定要考虑在前端放大微弱电流信号，这里又要提及测试小电流的基本原理，就是在就意义不大了；因此一定要考虑在前端放大微弱电流信号，这里又要提及测试小电流的基本原理，就是在测试小电流时，一定要将电路的等效阻抗越大越好，因为电流的噪声是和电路的等效阻抗成反比关系，参测试小电流时，一定要将电路的等效阻抗越大越好，因为电流的噪声是和电路的等效阻抗成反比关系，参见下图：见下图： 因此，需要特别指出的是，因此，需要特别指出的是，4200-SCS系统中的系统中的4200-PA电流前置单元，该电流前置单元的等效阻抗可电流前置单元，该电流前置单元的等效阻抗可达达1016，因此就大大降低了

19、电路的噪声。而且，电流前置放大器可以放置在器件前端（探针台前端），因此就大大降低了电路的噪声。而且，电流前置放大器可以放置在器件前端（探针台前端），从而在前级就将电流信号无损耗地传送到主机中。从而在前级就将电流信号无损耗地传送到主机中。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.12产品介绍4200-SCS微弱电流实测图形-120

20、09年年9月月28日于南京大学用日于南京大学用4200-SCS与与Cascade 12000系列探针台连接时的电流本底实测图系列探针台连接时的电流本底实测图蓝颜色为不接探针台的本底电流实测不超过蓝颜色为不接探针台的本底电流实测不超过2fA，接上探针台时不超过，接上探针台时不超过10fA。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.

21、13产品介绍4200-SCS微弱电流实测图形-22009年年9月月28日于南京大学用日于南京大学用4200-SCS测试一个测试一个MOSFET的实测图形的实测图形栅极不加电压时测试的栅极不加电压时测试的IdVd曲线，在小电流测试段显示数据非常稳定。曲线，在小电流测试段显示数据非常稳定。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.1

22、4产品介绍4200-SCS C-V测量技术特点 4200-SCS进行的进行的C-V测试还有业内最丰富的测试还有业内最丰富的C-V参数测试库：参数测试库：标准标准C-V扫描：普通扫描：普通MOSFET，二极管和电容器；，二极管和电容器；MOScap：测量：测量MOS电容器上的电容器上的C-V，提取参数包括氧化层电容，氧化层厚度，掺杂浓度，耗尽深度，德，提取参数包括氧化层电容，氧化层厚度，掺杂浓度，耗尽深度，德拜长度，平带电容，平带电压，体电势，阈值电压，金属半导体功函数，有效氧化层电荷；拜长度，平带电容，平带电压，体电势，阈值电压，金属半导体功函数，有效氧化层电荷；MOSFET：对一个：对一个M

23、OSFET器件进行一个器件进行一个C-V扫描。提取参数包括：氧化层厚度，氧化层电容，平带电容扫描。提取参数包括：氧化层厚度，氧化层电容，平带电容，平带电压，阈值电压，掺杂浓度与耗尽深度的函数关系；，平带电压，阈值电压，掺杂浓度与耗尽深度的函数关系；寿命：确定产生速度并进行寿命测试（寿命：确定产生速度并进行寿命测试（Zerbst图）；图）；可动离子：使用可动离子：使用BTS方法确定并提取平带电压参数确定可动电荷。包括对方法确定并提取平带电压参数确定可动电荷。包括对Hot Chuck热吸盘的控制。在室热吸盘的控制。在室温下测试样品，然后加热后测试，然后再恢复至室温下以确定平带漂移电压，从而确定可动

24、电荷；温下测试样品，然后加热后测试，然后再恢复至室温下以确定平带漂移电压，从而确定可动电荷；电容：在金属电容：在金属-绝缘绝缘-金属（金属（MIM）电容器上进行）电容器上进行C-V扫描和扫描和C-f扫描，并计算出标准偏差；扫描，并计算出标准偏差；PN结：测量结：测量P-N结或肖特及二极管的电容与其尖端片置电压的函数关系；结或肖特及二极管的电容与其尖端片置电压的函数关系；A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y

25、 Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.15产品介绍4200-SCS C-V测量技术特点（续） 光伏电池：测量一个发光太阳电池的正向和反向光伏电池：测量一个发光太阳电池的正向和反向DC特性，提取参数，最大功率，最大电流，最大电压，短特性，提取参数，最大功率，最大电流，最大电压，短路电流，开路电压，效率。同时执行路电流，开路电压，效率。同时执行C-V和和C-f扫描特性；扫描特性；BJT：在端：在端-端之间测量电容（端之间测量电容（OV偏置情况下），偏置情况下），Cbe，Cbc，Cec；接线电容：测量晶圆上小的互相接线之间的电容；接线电容：测量晶圆上小的

26、互相接线之间的电容；纳米线：在两端的纳米线器件上进行纳米线：在两端的纳米线器件上进行C-V扫描；扫描；闪存：在一个典型的栅极悬浮闪存器件上进行闪存：在一个典型的栅极悬浮闪存器件上进行C-V测量。测量。和其他的特性分析系统不同，和其他的特性分析系统不同，Keithley C-V/I-V分析和提取程序工作在一个界面友好的环境上，所有的测试分析和提取程序工作在一个界面友好的环境上，所有的测试库均为开放式的，允许用户根据自己的研究类型对测试库容易地进行修改，定制测试流程。上述集成在内库均为开放式的，允许用户根据自己的研究类型对测试库容易地进行修改，定制测试流程。上述集成在内的测试库，来自于标准教科书和

27、的测试库，来自于标准教科书和Keithley公司多年的技术服务经验，有助于极大地缩短程序开发时间。公司多年的技术服务经验，有助于极大地缩短程序开发时间。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.16产品介绍纳米器件的测量 4200-SCS半导体特性分析系统提供的软件半导体特性分析系统提供的软件KITE78.2版本包括一个独特的纳

28、米版本包括一个独特的纳米技术工具包，提供了业界最为全面的纳米测试工具包，它提供了纳米电子学特技术工具包，提供了业界最为全面的纳米测试工具包，它提供了纳米电子学特性分析的一个强大平台；性分析的一个强大平台； 针对针对7种纳米结构的种纳米结构的16个测试库：碳纳米管、生物芯片个测试库：碳纳米管、生物芯片/器件、碳纳米管器件、碳纳米管FET、纳米线、分子线、分子晶体管、多管脚纳米格；纳米线、分子线、分子晶体管、多管脚纳米格； 还提供了很多技术资料，技术讲座，应用指南系列。还提供了很多技术资料，技术讲座，应用指南系列。 A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F

29、 I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.17产品介绍4200系统扩展-6221/2182A 差分模式下的低电阻测量方案；差分模式下的低电阻测量方案；内置内置100MHz电流任意波形发生器，电流电流任意波形发生器，电流100mA，可输出任意波形；，可输出任意波形；内置高精密纳伏电压表，分辨率内置高精密纳伏电压表，分辨率1nV；适合于四探针测试，超导电阻测试，极低电阻材料测试；适合于四探针测试，超导电阻测试，极

30、低电阻材料测试；与与4200可结合使用：可结合使用：A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.18产品介绍超快脉冲I-V 介绍 超快超快I-V的源和测量在很多技术领域变得越来越重要，包括化合物半导体，的源和测量在很多技术领域变得越来越重要，包括化合物半导体，中功率器件，中功率器件，非易挥发性存储器，中功率器件，中功率器件，非易挥

31、发性存储器，MEMS（微机电器件），纳（微机电器件），纳米器件，太阳电池和米器件，太阳电池和CMOS器件。器件。脉冲脉冲I-V对器件进行特性分析可以实现用传统对器件进行特性分析可以实现用传统DC方法无法实现的任务，比如方法无法实现的任务，比如，对纳米器件的自热效应的克服，对于高，对纳米器件的自热效应的克服，对于高K栅极电介质器件中因电荷陷阱效栅极电介质器件中因电荷陷阱效应而导致的磁滞效应般的电流漂移。应而导致的磁滞效应般的电流漂移。瞬态瞬态I-V测试使得科研人员来获取高速的电流或电压波形。脉冲信号源可用于测试使得科研人员来获取高速的电流或电压波形。脉冲信号源可用于器件可靠性中的应力测试，或者以

32、多阶梯脉冲模式对存储器件的擦、写操作器件可靠性中的应力测试，或者以多阶梯脉冲模式对存储器件的擦、写操作A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.19超快脉冲I-V 模块的关键特征 4225-PMU超快超快I-V模块提供两个通道的高速，多阶脉冲电压输出，可同时测模块提供两个通道的高速，多阶脉冲电压输出，可同时测量电流和电压，它取代

33、了传统的脉冲量电流和电压，它取代了传统的脉冲/测量的硬件配置（一般包括外部的脉冲测量的硬件配置（一般包括外部的脉冲发生器，多通道示波器，不同仪器间的互相连接以及集成化的软件）。发生器，多通道示波器，不同仪器间的互相连接以及集成化的软件）。 4225-PMU的特征为：的特征为：q 集成化的高速源和测量能力；集成化的高速源和测量能力；q 宽范围的电压源，电流测量（自动量程）和时间参数的设定；宽范围的电压源，电流测量（自动量程）和时间参数的设定；q 多种半导体参数测试应用；多种半导体参数测试应用；q 内置的交互式软件，易于控制内置的交互式软件，易于控制A G R E A T E R M E A S

34、U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.20超快脉冲I-V 模块的关键参数 4225-PMU的关键参数为：的关键参数为：q PG（脉冲发生器）模式下的最小脉宽是（脉冲发生器）模式下的最小脉宽是10ns；q 在脉冲在脉冲I-V模式下（加一个脉冲电压，同时测量电流的模式）的最短脉冲宽度模式下（加一个脉冲电压，同时测量电流的模式）的最短脉冲宽度是是60ns，上升时间最短至，上升时

35、间最短至20ns；q 每个模块具有两个独立的通道，每个通道能够同时测量电压和电流，采样率每个模块具有两个独立的通道，每个通道能够同时测量电压和电流，采样率达达5ns；q 当模块的任意波形模式用于多阶脉冲输出时，单个电压设定段最短至当模块的任意波形模式用于多阶脉冲输出时，单个电压设定段最短至20ns，每通道波形具有每通道波形具有2048个独立段，为闪存器件和其他非易挥发性存储技术的特个独立段，为闪存器件和其他非易挥发性存储技术的特性分析提供了非常灵活的手段。性分析提供了非常灵活的手段。q 最大脉冲电压最大脉冲电压40V，最大电流，最大电流800mA，最小电流量程，最小电流量程100nA，测量精度

36、，测量精度1nA，覆盖应用非常广，存储器，高，覆盖应用非常广，存储器，高K材料，材料，SOI，化合物半导体；，化合物半导体；A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.21超快脉冲I-V 模块的主要应用 4225-PMU的适合于广泛地器件测试应用：的适合于广泛地器件测试应用：q 通用的脉冲通用的脉冲I-V器件测试器件测试q CMO

37、S器件特性分析：电荷泵，自热效应，电荷陷阱，器件特性分析：电荷泵，自热效应，电荷陷阱，NBTI/PBTI分析分析q 非易挥发性存储器：闪存，相变存储器非易挥发性存储器：闪存，相变存储器q 化合物半导体器件和材料：化合物半导体器件和材料：LED等等q 纳米器件和纳米器件和MEMS等等A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.224

38、200-SCS交互式测量软件目前目前Keithley 4200-SCS的操作软件版本是的操作软件版本是KITE8.2版本软件，完全鼠标点控，版本软件，完全鼠标点控，Windows GUI 图形化用户接口操作界面，内置了图形化用户接口操作界面，内置了456个测试库，含脉冲个测试库，含脉冲I-V测试测试库。库。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instrum

39、ents, Inc.23超快脉冲I-V 模块工作模式-PIV 脉冲脉冲I-V模式，加脉冲电压，模式，加脉冲电压， 同时测量一个脉冲电流模式；同时测量一个脉冲电流模式；A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.24超快脉冲I-V 模块工作模式-Transient I-V 瞬态瞬态I-V模式（波形抓取），比如，观察漏极电流因电荷陷阱

40、或自热效应而模式（波形抓取），比如，观察漏极电流因电荷陷阱或自热效应而产生的衰减。产生的衰减。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.25超快脉冲I-V 模块工作模式-Pulsed sourcing 自定义的脉冲波形输出，用户可自行定义输出任意波形，定义设定段和时间自定义的脉冲波形输出，用户可自行定义输出任意波形，定义设定段和

41、时间间隔间隔A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.26通用器件的脉冲I-V测量 测试一个通用的测试一个通用的MOSFET器件器件 4225-PMU模块的两个通道连接到模块的两个通道连接到MOSFET，Ch1 连接到连接到MOSFET的栅极（的栅极（Gate端），端），Ch2连接到漏极（连接到漏极（Drain端）。端）。Ch1

42、对栅极加上脉冲电压对栅极加上脉冲电压(Vg)，同，同时时Ch2在漏极加上脉冲电压（在漏极加上脉冲电压（Vd)，测量漏极电流，测量漏极电流(Id)，从而得出，从而得出Id-Vg和和Id-Vd参数。下面的左图给出了测试原理图，右图给出了参数。下面的左图给出了测试原理图，右图给出了Vds-Id的曲线。的曲线。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instrumen

43、ts, Inc.27电荷泵测量 电荷泵（电荷泵（Charge pumping）参数是用于分析）参数是用于分析MOS结构的半导体结构的半导体-电介质界面态的一项电介质界面态的一项测量分析技术。器件的品质和衰减等重要参数可以从电荷泵电流（测量分析技术。器件的品质和衰减等重要参数可以从电荷泵电流（Icp)参数中提取出来参数中提取出来。对栅极加一个电压同时测量衬底上的。对栅极加一个电压同时测量衬底上的DC电流是电荷泵测量的基本方法。电流是电荷泵测量的基本方法。 下图给出了测量原理，下图给出了测量原理，MOSFET的栅极连接到脉冲发生器（用于重复性将晶体管从累的栅极连接到脉冲发生器（用于重复性将晶体管从

44、累积区到反转区切换，在栅极加上脉冲信号后，主要积区到反转区切换，在栅极加上脉冲信号后，主要/少数载流子的重组就发生在脉冲的少数载流子的重组就发生在脉冲的上升沿和下降沿上，这就导致一个小电流向着与衬底相反的方向流动，这个电流就是上升沿和下降沿上，这就导致一个小电流向着与衬底相反的方向流动，这个电流就是电荷泵电流（电荷泵电流（Icp)，用，用4200-SMU加电流前置放大器单元测试（该单元是与衬底相连）加电流前置放大器单元测试（该单元是与衬底相连）。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N

45、F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.28高K材料测量 高高K栅极电介质技术栅极电介质技术 高电介质常数（高高电介质常数（高K）栅材料，比如氧化铪，氧化锌，氧化铝以及它们的硅化物，在近些）栅材料，比如氧化铪，氧化锌，氧化铝以及它们的硅化物，在近些年作为用于先进年作为用于先进CMOS工艺的栅电介质的材料越来越受到人们的关注。由于它们的高电介工艺的栅电介质的材料越来越受到人们的关注。由于它们的高电介质常数，高质常数，高K材料的栅极能够比材料的栅极能够比SiO2做得更厚，这样的

46、结果就是更低的漏电流做得更厚，这样的结果就是更低的漏电流低了几个低了几个数量级。高数量级。高K材料能够有助于解决先进工艺的栅极漏电问题材料能够有助于解决先进工艺的栅极漏电问题 。A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.29高K材料测量 高高K栅极电介质器件的测试挑战栅极电介质器件的测试挑战电荷陷阱（电荷陷阱（Charge Tr

47、apping)效应的克服效应的克服电荷阱效应的影响是在晶体管打开后漏极电流减小。当电荷在栅极电介质上被捕获时，晶电荷阱效应的影响是在晶体管打开后漏极电流减小。当电荷在栅极电介质上被捕获时，晶体管的开启电压由于栅极电容器中的内部电压而增加体管的开启电压由于栅极电容器中的内部电压而增加。电荷阱产生和消失的时间取决于栅极堆栈的组成部分，界面电荷阱产生和消失的时间取决于栅极堆栈的组成部分，界面SiO2层的物理厚度和高层的物理厚度和高K薄膜薄膜以及工艺技术，时间从小于以及工艺技术，时间从小于1个个s到数十到数十s范围内变化范围内变化 。使得仅用传统的使得仅用传统的DC测量方法就测量方法就获得栅极堆栈中发

48、生的完全物理现象是非常困难的。获得栅极堆栈中发生的完全物理现象是非常困难的。 A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.30高K材料测量 脉冲测试的基本方法脉冲测试的基本方法 对栅极加一个脉冲电压，漏极上加一个偏压（对栅极加一个脉冲电压，漏极上加一个偏压（Bias），用数字示波器同时记录栅极电压），用数字示波器同时记录栅极电压和

49、漏极电流，漏极电流通过公式可以算出来，这样从栅极脉冲信号的上升沿和下降沿就可和漏极电流，漏极电流通过公式可以算出来，这样从栅极脉冲信号的上升沿和下降沿就可以获得以获得Id-Vg曲线。曲线。 A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.31高K材料测量 不同脉冲宽度下的不同脉冲宽度下的 Id-Vg曲线（曲线（Keithley 200

50、6年与美国年与美国SEMATECH公司合作公司合作，发表了下列测试曲线）：，发表了下列测试曲线）： A G R E A T E R M E A S U R E O F C O N F I D E N C EK E I T H L E Y C O N F I D E N T I A L P R O P R I E T A R Y Copyright 2004 Keithley Instruments, Inc.32高K栅极测量极短脉冲下的测量效果：极短脉冲下的测量效果： 因为用非常短的脉冲宽度会产生少很多的电荷阱效应，测量到的漏极电流比在因为用非常短的脉冲宽度会产生少很多的电荷阱效应，测量到的漏