定义概述

I-V测量技术的发展

展望下一代超快I-V测试系统

超快I-V测试系统面临的挑战

最新一代的超快I-V测试系统参数分析仪

超快I-V源和测量技术的应用

定义概述

与直流电流-电压（I-V）和电容-电压（C-V）测量一样，超快I-V测量[1]能力对于特征分析实验室中所有负责开发新材料、器件[2]或工艺的所有技术人员正变得越来越必要。进行超快I-V测量需要产生高速脉冲波形[3]并在待测器件发生松弛之前测量产生的信号。

高速I-V测试的早期实现方式（通常称之为脉冲式I-V测试系统）是针对诸如高k介质和绝缘体上硅（SOI）恒温测试[4]，或产生闪存器件特征分析所必需的短脉冲之类的应用而开发的。脉冲式I-V测量技术是十分必要的，这是因为当采用传统直流I-V测试方法时，它们的绝缘衬底使得SOI器件保留了测试信号自身产生的热量，使测得的特征参数发生偏移；而采用脉冲式测试信号能够最大限度减少这种影响。

I-V测量技术的发展

过去，高速脉冲/测量测试系统通常由脉冲发生器、多通道示波器[5]、互连硬件和负责集成并控制仪器的软件构成。不幸的是，这些系统受延迟的影响，信号源和测量功能之间的协同非常复杂。根据仪器的质量及其集成的情况，这种方式在产生的脉冲宽度及其占空比方面还有局限性。即时不管这些局限性，这些早期脉冲式I-V测试系统的用户已开始寻求将其用于各种其它特征分析任务，包括非易失性存储器测试、超快NBTI[6]可靠性测试和很多其它应用。但是，由于这些系统动态量程有限，它们仍然保留了一些特殊的技术。

展望下一代超快I-V测试系统

要想成为主流测试技术，下一代超快I-V测试[7]系统必须具有很宽的源与测量动态量程。这意味着它们必须能够提供对闪存器件进行特征分析所需的充足电压，以及处理最新的CMOS[8]工艺所需的足够低的电压。例如，对于CMOS工艺中的一种嵌入式闪存——该闪存可能需要高达20V的电压进行编程，但是CMOS工艺工作电压为3V，因此所采用的测试系统必须能够提供满足两种需求的电压。它还需要有足够宽的电流量程处理最新的工艺，要有足够快的上升时间和足够长的脉宽满足各种应用需求。它必须简单易用，具有使系统能够可靠提交精确测量结果的互连系统。

当前，超快I-V和测量功能正逐渐集成到参数分析仪中用于对越来越多的器件特征进行特征分析，尤其是负偏温度不稳定性（NBTI[9]）和正偏温度不稳定性（PBTI[10]）降低。超快I-V测量工具通过使研究人员快速一致地实现器件可靠性测量，提高了可靠性设计（DIR[11]）寿命测量的精度，而这种测量支持器件和电路设计的建模。

近来，有些研究人员被迫配置他们自己的超快BTI测试系统。这些内部开发的系统通常包含脉冲发生器或任意波形发生器，以及配置了电流探头或某种互阻抗放大器的示波器用于帮助测量低电流。尽管如果仔细选择仪器和互连设备，我们可以构建出适合非常特殊电气条件需求的BTI系统，但是仍然存在几个主要的技术挑战。

超快I-V测试系统面临的挑战

波形发生[12]。标准脉冲发生器和任意波形发生器的设计是在固定循环间隔上产生波形，而不是大多数可靠性测试（包括NBTI和PBTI测试）所需的Log（time）数。

测量定时与数据存储。尽管示波器[13]经过配置可以根据波形特征（例如下降沿）进行触发，但是它们无法有选择地保存波形的指定部分样本。这样它们就必须存储很大的数据集进行后处理。只有那些最昂贵的示波器或者那些扩展了昂贵存储器选件的示波器才能存储足够的数据弥补这些不足。

精度、准确性和灵敏度。偏温不稳定性是一种高动态的现象，需要灵敏而高速的测量才能进行准确的特征分析。假设所有其它因素不变，测量的物理原理在很大程度上决定了测量速度和灵敏度之间的关系。当进行亚毫秒级测量时，所有的噪声源[14]都应该考虑在内；对于亚微秒级应用，即使量子效应也不能被忽略。示波器、电流探头[15]和互阻抗放大器都有单独定义的性能指标，它们不一定为协同工作进行了优化。要想在高速情况下实现精密而准确的测量，我们通常很难以某种方式将这些部件组合起来实现具有很宽动态量程的最优性能。

互连。内部构建的系统通常采用分路器和T型偏置器[16]，它们限制了测试系统配置的性能。例如，T型偏置器可能限制带宽为100ns到10µs。尽管这适合于高速测量，但是它无法使得任何有效的预应力（prestress）和后应力（poststress）直流测量成为应力测量序列的组成部分。它也无法在10ms到直流的中间时序范围内进行测量。

测试控制与数据管理。传统的示波器不支持数据流，因此必须等待测试结束后才能传输测试结果。当测试一结束时，大量的数据必须传输到控制计算机上进行后期处理，它需要将复杂的波形解析为单个的测试结果，然后进一步减少进入实际测量的数据。

测试终端。由于从示波器传输数据之前无法分析测试结果，因此在测试开始之前必须确定测试持续的时间。这就使得我们不可能终止基于参数变换的测试，或者实时检测出突发的故障。

自动化。晶圆级或晶匣级自动化测试需要控制测试仪器和晶圆探针台，内部构建的测试系统通常无法做到。此外，融合一些高级功能（如条件测试终端）也会给运行这类系统所需的定制软件增加很大的复杂性。

更多的通道数。即使内部构建的系统在开始安装时工作良好，系统集成设计者也需要增加通道或测试系统的数量以满足不断发展的应用需求，尤其定制系统的升级是极其复杂的。典型测试系统的维护问题，例如校准、操作和这些定制配置的关联，也需要不相称的大量技术资源，而这些资源常常供应有限。

最新一代的超快I-V测试系统参数分析仪

最新一代的参数分析仪可以通过配置最大限度减少或消除很多与内部构建的BTI特征分析系统相关的缺陷。它们不是采用分离的脉冲或波形发生器与示波器，而是将这些功能组合在支持紧密时序协同的高速源与测量模块中。由于这些模块与参数分析仪[17]完全集成在一起，所以它们可以利用系统的数据存储和自动测试功能。机架式系统只需添加更多的模块即可增加高速通道的数量，升级也很容易。

最新一代的参数分析仪能够在同一个测试序列中集成超快I-V、直流I-V和C-V测量功能。这种功能对于越来越多的涉及到多种测量类型的应用是十分可贵的，例如电荷泵[18]（CP），它通常需要在提供一个栅电压的同时测量直流衬底电流，或者分析光伏（太阳能）电池[19]的电气特征，其中通常要测量电流电容与加载的直流电压之间的函数关系。

吉时利[20]的4200-SCS半导体[21]特征分析系统（如图1所示）长期以来始终支持精密直流I-V测量（利用集成的SMU）和C-V测量（利用可选的C-V模块）。利用最近推出的4225-PMU[22]超快I-V模块和4225-RPM[23]远程放大器/开关，用户可以增加超高速源和测量功能，所构建的系统也针对新兴的实验室应用进行了优化，例如超快通用I-V测量；脉冲式I-V和瞬态I-V测量；闪存、PCRAM和其它非易失性测试；中等尺寸功率器件的恒温测试；缩放CMOS的材料测试，例如高k介质；NBTI/PBTI可靠性测试。（图2给出了很多这类新兴应用映射到4200的直流I-V和超快I-V源与测量范围内的情形。）

图1. 4200-SCS参数分析仪与超快I-V工具

图2各种吉时利直流与脉冲I-V测量仪器的电流测量与时间关系的对比

SOI恒温、约翰逊噪声极限（环境）、4210-MMPC[24]线缆减少了传输线的影响、时间（秒）

超快I-V源和测量技术的应用

超快I-V源和测量技术随着越来越多传统直流I-V测量功能的消失而迅速发展。注意到，传统SMU设计[25]能够提供和测量最高约1A的电流，最低约1皮安的电流。尽管增加远程前置放大器后最低可以解析0.1fA的电流信号，但是这些只支持直流I-V测量的系统配置最佳速度仅为10毫秒。相比之下，超快I-V测量方案能够进行最快10ns的测量，这对于涉及器件恢复时间特征分析的应用是非常关键的。专门针对超快I-V测试而设计的可选的远程放大器将这些新型测量方案的电流分辨率向下扩展到几十皮安，仅仅稍高于待测器件产生的约翰逊噪声[26]决定的极限值。在单个机架内集成了超快I-V源和测量仪器与远程放大器的系统支持的特征分析应用比以往任何时候都更加宽泛，包括相变存储器器件测试、单脉冲电荷俘获/高k介质测试、LDMOS或砷化镓中功率放大器器件特征分析、SOI恒温测试、超快负偏温不稳定性（NBTI）测试、基于电荷的电容测量（CBCM[27]）、MEMS电容测试和越来越多的其它一些测试。

图3给出了支持越来越多的超快I-V应用的四种扫描类型：瞬态I-V扫描，其中对电压和电流进行了连续数字化；快速脉冲式I-V测试，其中是在脉冲稳定之后对电压和/电流进行了采样；滤波式脉冲，其中产生一个变化的脉冲电压同时用一台直流SMU测量产生的电流；脉冲应力/直流测量，其中产生脉冲式电压，紧接着直流SMU测量。除了这些传统的扫描类型，4225-PMU[28]还具有完整的任意波形发生功能以及Segment ARB®模式，能够十分方便地构建、存储和产生最多包含2048条用户自定义线段的波形。每条线段可以有不同的持续时间，这一特性使其具有出色的波形发生灵活性。

瞬态I-V、快速脉冲I-V、脉冲发生器、脉冲发生器、滤波脉冲、脉冲应力/测量直流

图3. 超快I-V测试配置

随着新型器件与测试应用的出现以及半导体实验研究需求的不断发展，超高速源/测量功能将变得越来越重要。能够适应这些变化的需求，具有良好性价比和灵活性的测试系统不但可使研究人员延续以前的工作，而且可以跟上测量技术的发展。