半導體特性分析儀和脈沖產生器測量電荷泵

電荷泵技術概述

　　電荷泵測量方法廣泛應用于MOSFET元件的介面態密度測量。隨著高介電常數(高)閘極材料的發展，已證明電荷泵對高薄閘極薄膜中電荷陷阱現象的測量極為有效。可以採用電荷泵測量方法來擷取介面陷阱密度，閘極漏電流的影響可以通過以下方法來解決：即測量較低頻率上的電荷泵電流并在更高頻率下獲得的測量結果中減去這一數據。

　　基本的電荷泵測量方法需要在測量底板電流的同時，向源極、漏極和基極都接地的電晶體的閘極施加一個幅值、上升時間、下降時間和頻率固定的電壓脈衝。施加脈衝的掃描方式可以是幅值固定情況下的電壓基掃描，或是電壓基固定而讓幅值掃描。

　　在電壓基掃描模式下，脈衝的幅值和週期(寬度)固定，而讓脈衝的基礎電壓掃描(圖1a)。對應每個基電壓，測量相應的體電流并繪製出其隨基電壓變化的曲線。基于如下公式，可以獲得介面陷阱密度()隨能帶彎曲變化的函數關係：

　　圖1：電荷泵測量技術概述。

　　公式中，是測量到的電荷泵電流，是基本電子電荷，是面積，是頻率，是逆費米能級(inversion Fermi level)和累積費米能級(accumulation Fermi level)的差值。

　　固定電壓基、幅值掃描方法則是讓基電壓和脈衝頻率固定，而讓電壓幅值進行步進變化(圖1b)。所獲得的資訊類似于從電壓基掃描中擷取出的資訊。這些測量也可以在不同頻率下執行，以獲得介面陷阱的頻率響應特性。

　　圖2：DUT與4200-SCS和脈衝產生器的連接。

　　硬體設置

　　結合吉時利4200-SCS半導體特性測試系統和吉時利3400系列脈衝/模式產生器，可以讓電荷泵測量和數據分析變得簡單易行。借助簡單的C編程經GPIB，在4200-SCS上執行吉時利互動式平臺測試軟體(KITE)可以同時控制系統內建的訊號源-測量單元(SMU)和外部儀器。請參閱吉時利4200-SCS的參考手冊和吉時利應用指南，以獲得關于使用4200-SCS和KTE交互軟體的指導。圖2a示出了在不使用開關陣列的情況下，4200-SCS的某個SMU和3402型脈衝產生器與待測元件(DUT)間的連接關係;在圖2b中，配置中包含了一個半導體開關陣列。下面將介紹如何利用吉時利4200-SCS和3400系列脈衝/模式產生器執行電荷泵測量。

　　吉時利配置程式(KCON)設置

　　KCON是通過GPIB通訊來控制4200-SCS的內部硬體(SMU和前置放大器)和外部儀器的軟體介面，第一步是向KCON輸入恰當的脈衝產生器的型號編碼(必要時還需輸入開關陣列的型號編碼)。只需雙擊4200-SCS桌面上的KCON圖標即可存取KCON。接著，從Tools選單中，選中Add external Instruments > Pulse Generator >Keithley 3401或3402 Pulse/Pattern Generator。圖3顯示出添加了該脈衝產生器后的KCON窗口。如果所採用的脈衝產生器的型號未包含在所支援的型號的列表中，則在KCON中應該將其作為‘通用儀器(GPI)’而非‘脈衝產生器(GPU)’添加。添加脈衝產生器后，KCON可以為脈衝產生器分配一個儀器ID字符串。該ID字符串可以寫作PGUx或GPIxI，具體取決于脈衝產生器是以何種方式添加的(脈衝產生器單元或是通用儀器)，x可以是1～4之間的任何一個數字。該ID將作為電荷泵測量的一個輸入參數，為KITE軟體提供GPIB上的儀器類型及其地址。

　　圖3：KCON設置窗口。