電荷泵技術(shù)概述
電荷泵測量方法廣泛應(yīng)用于MOSFET元件的介面態(tài)密度測量。隨著高介電常數(shù)(高)閘極材料的發(fā)展，已證明電荷泵對高薄閘極薄膜中電荷陷阱現(xiàn)象的測量極為有效?？梢話裼秒姾杀脺y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(jié)果中減去這一數(shù)據(jù)。
基本的電荷泵測量方法需要在測量底板電流的同時(shí)，向源極、漏極和基極都接地的電晶體的閘極施加一個(gè)幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)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(chǔ)電壓掃描(圖1a)。對應(yīng)每個(gè)基電壓，測量相應(yīng)的體電流并繪製出其隨基電壓變化的曲線?；谌缦鹿?，可以獲得介面陷阱密度()隨能帶彎曲變化的函數(shù)關(guān)係：
圖1：電荷泵測量技術(shù)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(fèi)米能級(jí)(inversion Fermi level)和累積費(fèi)米能級(jí)(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(jìn)行步進(jìn)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(zhí)行，以獲得介面陷阱的頻率響應(yīng)特性。
圖2：DUT與4200-SCS和脈衝產(chǎn)生器的連接。
硬體設(shè)置
結(jié)合吉時(shí)利4200-SCS半導(dǎo)體特性測試系統(tǒng)和吉時(shí)利3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器，可以讓電荷泵測量和數(shù)據(jù)分析變得簡單易行。借助簡單的C編程經(jīng)GPIB，在4200-SCS上執(zhí)行吉時(shí)利互動(dòng)式平臺(tái)測試軟體(KITE)可以同時(shí)控制系統(tǒng)內(nèi)建的訊號(hào)源-測量單元(SMU)和外部儀器。請參閱吉時(shí)利4200-SCS的參考手冊和吉時(shí)利應(yīng)用指南，以獲得關(guān)于使用4200-SCS和KTE交互軟體的指導(dǎo)。圖2a示出了在不使用開關(guān)陣列的情況下，4200-SCS的某個(gè)SMU和3402型脈衝產(chǎn)生器與待測元件(DUT)間的連接關(guān)係;在圖2b中，配置中包含了一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)陣列。下面將介紹如何利用吉時(shí)利4200-SCS和3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器執(zhí)行電荷泵測量。
吉時(shí)利配置程式(KCON)設(shè)置
KCON是通過GPIB通訊來控制4200-SCS的內(nèi)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(dāng)?shù)拿}衝產(chǎn)生器的型號(hào)編碼(必要時(shí)還需輸入開關(guān)陣列的型號(hào)編碼)。只需雙擊4200-SCS桌面上的KCON圖標(biāo)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(chǎn)生器后的KCON窗口。如果所採用的脈衝產(chǎn)生器的型號(hào)未包含在所支援的型號(hào)的列表中，則在KCON中應(yīng)該將其作為‘通用儀器(GPI)’而非‘脈衝產(chǎn)生器(GPU)’添加。添加脈衝產(chǎn)生器后，KCON可以為脈衝產(chǎn)生器分配一個(gè)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(chǎn)生器是以何種方式添加的(脈衝產(chǎn)生器單元或是通用儀器)，x可以是1～4之間的任何一個(gè)數(shù)字。該ID將作為電荷泵測量的一個(gè)輸入?yún)?shù)，為KITE軟體提供GPIB上的儀器類型及其地址。
圖3：KCON設(shè)置窗口。
在KITE中設(shè)立一個(gè)計(jì)畫
KITE是通過GPIB來控制內(nèi)部硬體和外部儀器的主要軟體介面。通過一個(gè)UTM(用戶測試模組)在KITE介面上實(shí)施電荷泵測量。
雙擊4200-SCS桌面的KITE圖標(biāo)，啟動(dòng)KITE介面。從Menu圖形條中選擇File > New project，并鍵入計(jì)畫名稱。然后再次點(diǎn)選Menu圖形條選擇Project > Make new subsite plan并鍵入一個(gè)有效的subsite名稱。接下來，點(diǎn)選Menu圖形條，選中Project > Make new device plan，并從MOSFET文件夾中選擇一種元件。最后，點(diǎn)選Menu圖形條，點(diǎn)選Project > Make new User Test Module，輸入模組名稱(例如，BaseSweep)，并點(diǎn)選OK。雙擊計(jì)畫樹中的BaseSweep模組，將彈出一個(gè)設(shè)置窗口。該設(shè)置窗口中，在下拉的庫列表中選中用戶庫ChargePumping，并從User Module列表中選中模組BaseSweep。選中該模組后，將彈出一個(gè)參數(shù)窗口，如圖4所示。在列表中，第一個(gè)參數(shù)是PGUId，即KCON的ID。使用恰當(dāng)?shù)腉PIB地址與脈衝產(chǎn)生器進(jìn)行通訊。在參數(shù)列表中填寫恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置參數(shù)，如開關(guān)連接(如果無開關(guān)，則在GatePin、BulkPin、SourcePin和DrainPin等域中填寫0)、頻率、脈衝幅值和占空比。恰當(dāng)定義所有的輸入?yún)?shù)后，點(diǎn)選Save按鈕(小的軟磁碟圖表)，則做好測試執(zhí)行準(zhǔn)備了。點(diǎn)選Run按鈕(綠色的叁角形圖表)即可執(zhí)行測試。一旦測量完畢，其數(shù)據(jù)可以繪製為圖形。圖5示出了該圖形的兩個(gè)示例。
圖4：KITE計(jì)畫窗口。
圖5：數(shù)據(jù)圖形示例。
運(yùn)算
吉時(shí)利4200-SCS的Formulator功能支援運(yùn)算。為了啟動(dòng)Formulator窗口，點(diǎn)選某個(gè)測試設(shè)置窗口definition圖標(biāo)中的Formulator按鈕。如圖6所示的那樣輸入的運(yùn)算公式。所運(yùn)算出的量值，可以用系統(tǒng)的圖形繪製功能繪製成圖線。
圖6：在Formulator窗口中輸入公式。
本文小結(jié)
通過電流驅(qū)動(dòng)器，用戶無需完成任何編程工作，就可以通過一個(gè)吉時(shí)利3400系列脈衝/模式產(chǎn)生器(還可以與安捷倫81110A/8111A一起使用)完成電荷泵測量。在內(nèi)建的Formulator中可以完成簡單的數(shù)據(jù)分析，并用其強(qiáng)大的繪圖工具繪製出相應(yīng)的曲線。