新一代半导体器件参数的比例差值谱系统

1．引言

随着大规模集成芯片上的器件尺寸的微型化，为了解决微小尺度的各种功能器件关键参数的直接提取及建立一种在线的综合检测与分析技术，半导体器件参数比例差值谱系统运用了一种新的数据处理运算概念，即比例差值算符，揭示了元器件的另一种本征特性——比例差分特性。经过严格的理论与实践证明，只要代表元器件性能的函数满足比例差值谱函数定理[1,2]，那么元器件的比例差值特性具有谱峰，其谱峰的数量，各谱峰的高度与位置决定了元器件的基本性质（专利号：ZL90 1 04535.7），为芯片的在线检测与质量判定提供了新的依据。随着半导体器件的日趋微型化，器件按比例缩小的一个突出的影响是饱和区趋向消失，给器件特征参数（饱和电流、饱和电压、阈值电压、载流子迁移率）的确定带来困难，采用比例差值算符作用的结果，使得这些参数的确定可以在最佳状态（准理想状态）下实现（专利号：ZL 00 1 00121.3），从而避免了以上矛盾与困难。新一代的半导体器件参数比例差值谱系统由BXT2931B型半导体参数测试仪，BXT2931B控制软件2.0（BXTC2.0）以及比例差值算符（PDO）处理器三部分组成，能够直接进行器件测试、数据采集和保存，并进行数据分析。实现了检测、快速数据采集和分析一体化。

2. 系统结构及工作原理

新一代半导体器件参数比例差值谱系统主要由BXT2931B型半导体参数测试仪、BXT2931B控制软件和比例差分算符（Proportional Differential Operator，PDO）处理器三部分组成，其结构如图1所示。

图1 半导体器件参数比例差值谱系统工作原理图

在实际的工作过程中，BXT2931B半导体参数测试仪和PDO处理器既能够协同工作也可以独立作为一个单独的硬件应用。控制BXT2931B型半导体参数测试仪的新一代控制软件（BXTC V2.0）可以让用户轻松完成实验室或者生产线完整流程测试以及数据处理，并帮助用户用科学的方式存放原始数据。PDO处理器内嵌DSP芯片，可以对BXT2931B半导体参数测试仪的测量数据直接进行处理，也可以独立的对其他半导体参数测试仪测出的数据进行PDO处理。

新一代BXT2931B型半导体参数测试仪控制软件（BXTC V2.0）直接控制着BXT2931B-SMU，并为测试样片提供测试信号源以及对测试的数据进行采集。BXT2931B型半导体参数测试仪、BXTC V2.0控制软件和PDO处理器这三部分的有机结合，实现了半导体器件参数的检测、快速数据采集和分析一体化。

图2BXT2931B型半导体参数测试仪

3. BXT2931B半导体参数测试仪

BXT2931B半导体参数测试仪如图2所示。是一种高性能、全自动、可程控的测试仪器。适用于多类半导体器件如二极管、三极管、场效应管、晶片、IC等直流参数的测量。主要应用于集成电路的计算机辅助设计（CAD）、新元件的评价、材料评估、电路设计的元件选择、半导体生产的过程控制、质量控制及品质保证。该仪器配备四路可程控的源/测量单元（SMU）、转换四路信号的电压/电流测量单元（VMU），以及使用DSP技术的主控单元（MCU）。该仪器用GPIB接口（IEEE488.2）与控制微机相连。利用BXT2931B控制软件可以对该仪器进行远程控制，并对采集的数据实时的进行图形显示和分析，该仪器的最大特点是可以独立使用也可以作为实验室及生产线完整测试系统的组成部分之一。

3.1 BXT2931B半导体参数测试仪的总体结构

BXT2931B的总体设计采用模块式结构，各独立模块之间由总线联接，并通过通用总线控制接口（GPIB卡）与PC机总线相连，其源/测量单元(SMU)由主控单元（MCU）统一控制，其总体设计结构框图如图3所示。

图3 BXT2931B的总体结构图

主控单元（MCU）是总线接口卡和BXT2931B半导体参数测试仪的重要关联部分，用于将GPIB控制指令送入源单元，并根据测试设置进行源单元输出，同时从测量单元采回测量数据，并送给GPIB卡。

VMU单元用于A/D转换，它可暂时保存测试数据，以备主控单元读取。

本测试仪中包含四个SMU单元，它既可以提供测试源，也可以采集测试结果。

BXT2931B各独立模块之间通过总线控制接口与控制器相连。每个SMU通道可编程实现可变直流电压源/电流监测或可变直流电流源/电压监测。并可以实施四个SMU通道的任意组合，实现线性或对数扫描测量以及采样测量。

3.2 BXT2931B半导体参数测试仪的工作原理

BXT2931B工作时，MCU首先从GPIB总线接收到一组测试控制信号，根据事先规定的通讯协议，MCU将控制信号翻译为各种指令，控制SMU输出测试源，并且通过VMU对测量通道电压进行A/D转换后再传送给MCU，最后MCU将测试结果传送回GPIB卡，并存入控制器。

图4BXT2931B半导体参数测试仪的工作原理图

BXT2931B的基本技术指标：

测量范围参见图5

图5BXT2931B测量范围

3.3 BXT2931B和HP4156B半导体参数测试仪的测量结果比较

图6和图7分别是用BXT2931B以及HP 4156B测得的晶体管输出特性以及转移特性的比较。从图中可以看出，BXT2931B半导体参数测试仪系统精度已经达到了HP4156B的水平。

图6 转移特性对比

图7 输出特性对比

4. BXT2931B控制软件

BXT2931B控制软件（BXTC V2.0）是为BXT2931B半导体参数测试仪而开发的Windows图形模式下的菜单驱动式的专用软件，其中包括了测试数据文件的存储管理、测试数据处理、系统状态监测、测试条件输入及检查处理、实时图形显示测量结果和数字显示测量数据等功能。

控制软件（BXTC V2.0）的总体功能结构如图8所示。

图8BXTC V2.0总体功能结构图

软件界面及使用流程，如图9所示。

图9BXTC V2.0软件界面及使用流程

4.1 软件特点

该软件除了具有测量设置、测量控制、保存测量的结果数据以及图形显示测量结果等基本功能以外，还具有如下特点：

（1） 具有标准的Windows应用程序界面;

（2） 友好的人机交互界面;

（3） 基于Microsoft .NET平台，面向对象的模块化的编程方式，使得软件升级方便易行;

（4） 强大的排错以及提示功能：当用户对设备操作时，如果出现了错误，程序会精确的指出错误类型以及改正方法，从而节省用户时间;

（5） 实时显示测量结果：在测量的同时能够以图形的方式实时的显示测量结果，可以让用户即时的进行分析判断;

（6） 测量程序可以随时人为中断;

（7） 提供了底层的控制命令，允许用户自定义开发自己的控制软件。

5. 比例差值算符（PDO）处理器

比例差值算符处理器采用的是独创的比例差值谱专利技术原理，用于时间和电子流相关的隧穿电流和隧穿电压，晶体管的转移特性和输出特性、以及瞬态电容的PDO处理，它首次实现了MOS器件中超薄（2~20nm）柵氧化层内以及硅与二氧化硅界面上同时共存多种缺陷的分离。应用PDO谱的谱峰可分离开多种缺陷，并由各谱峰高和谱峰位给出各缺陷的相关电学参量并实现退化量的实时监测、参数屏显和数据打印。该处理器系统具有静态和动态多种分析功能，可用于微小尺度半导体器件特征参数（饱和电流、饱和电压、阈值电压、载流子迁移率）的确定，是适用于微小尺度半导体器件测试的集成化的处理器。用户界面仅需要选择比例差值因子K，易于操作。该处理器具有多种比例差值分析能力，见图10。

图10 比例差值算符处理器及其分析能力

PDO处理器可以快速完成MOS器件的静态PDO谱[3,4]、动态PDO谱[2,5-10]、电容PDO谱[1,11]以及输出特性PDO谱。

由静态PDO谱分析可以得到：各尺度MOS器件的SiO2体陷阱的俘获界面、平均面密度[3,4,11]及应力相关性。

由各尺度MOS器件的瞬态电容PDO谱可以得到：半导体少子寿命和表面产生速度[1]。

由动态PDO谱[2,5-10]可以得到：

（1） 各尺度MOS器件的SiO2体陷阱和Si/SiO2界面陷阱的俘获截面、平均饱和面密度和体陷阱的矩心位置及应力相关性 [5,6] ;

（2） 各尺度MOS器件的柵隧道电流（或电压）随电子流量（或时间）的PDO谱[5,6];

（3） 各尺度MOS器件的阈值电压随流量（或时间）的退化 [5,6] ;

（4） 各尺度MOS器件的沟道迁移率随流量（或时间）的退化 [7,8] ;

（5） 各尺度MOS器件的亚阈值摆幅随流量（或时间）的退化 [2,5,6] ;

（6） 各尺度MOS器件的SiO2体陷阱和Si/ SiO2界面陷阱电荷平均面密度随流量（或时间）的变化 [2,5,6] ;

（7） 由MOS场效应晶体管PDO特性谱[7-10]可以得到各尺度半导体器件的饱和漏极电压、饱和阈值电压、相应的经典阈值电压、迁移率的测试结果[7,8,10]和器件温度[9]的测试结果。

和前一代PDO处理器比较，具有以下特点：

（1） 将PDO技术移植到外置的基于DSP的PDO处理器中，方便于用户采用通用接口与其他设备连接，并实现PDO技术的应用;

（2） 适用于大数据量的PDO处理;

（3） 开发了一个简化的输出特性PDO谱分析功能，在保证其精度的前提下提高了微尺度器件的可靠性分析处理的速度。

该处理器在线处理测试结果仅需几秒钟。不仅速度比拟和法快，而且无需像拟和法那样采用数值计算或采用一个近似解析关系。拟和法要求代入须求的多个参量进行拟和计算，最后以实验数据与拟和曲线基本一致为判据，得到需求的半导体器件参数的具有一定精度的猜值，当拟和参数多于3个时，其解的分散性导致难以作最后判定。而PDO处理器系统直接忠实于实测数据，可直接得到各尺度半导体器件的电参数，解决了拟和法中存在的解的分散性带来的困难，也显著的提高了功效。

6. 总结

该系统的应用不限于MOS器件。对于双极、结型场效应晶体管、SOI、二极管、HEMT器件也是适用的。因为比例差值谱（PDO）是一种具有普遍意义的谱分析技术，只要被研究的半导体器件特性具有渐进函数的特点，就可以应用该谱系统进行特性研究和参数提取。半导体器件的比例差值特性为微小尺寸半导体器件的参数提取提供了一条全新的思路。随着多种纳米半导体器件的相继研制成功，这一全新的设计思路，必然导致传统的半导体参数测试仪器的更新换代。随着PDO比例差值处理器的硬件化和独立化，使得该处理器可以脱离BXT2131B的直流测量系统而直接连接在其它的分析系统中，为比例差值技术的实际应用拓宽了更大的使用空间。

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