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(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，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?；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(zhí)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(chǎn)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(tǒng)和吉時利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)行吉時利互動式平臺測試軟體(KITE)可以同時控制系統(tǒng)內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生器執(zhí)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(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?shù)拿}衝產(chǎn)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(chǎn)生器后的KCON窗口。如果所採用的脈衝產(chǎn)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(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之間的任何一個數(shù)字。該ID將作為電荷泵測量的一個輸入?yún)?shù)，為KITE軟體提供GPIB上的儀器類型及其地址。

圖3：KCON設置窗口。

在KITE中設立一個計畫

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UTM(用戶測試模組)在KITE介面上實施電荷泵測量。

雙擊4200-SCS桌面的KITE圖標，啟動KITE介面。從Menu圖形條中選擇File > New project，并鍵入計畫名稱。然后再次點選Menu圖形條選擇Project > Make new subsite plan并鍵入一個有效的subsite名稱。接下來，點選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，點選Menu圖形條，點選Project > Make new User Test Module，輸入模組名稱(例如，BaseSweep)，并點選OK。雙擊計畫樹中的BaseSweep模組，將彈出一個設置窗口。該設置窗口中，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，將彈出一個參數(shù)窗口，如圖4所示。在列表中，第一個參數(shù)是PGUId，即KCON的ID。使用恰當?shù)腉PIB地址與脈衝產(chǎn)生器進行通訊。在參數(shù)列表中填寫恰當?shù)脑O置參數(shù)，如開關連接(如果無開關，則在GatePin、BulkPin、SourcePin和DrainPin等域中填寫0)、頻率、脈衝幅值和占空比。恰當定義所有的輸入?yún)?shù)后，點選Save按鈕(小的軟磁碟圖表)，則做好測試執(zhí)行準備了。點選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示例。

圖4：KITE計畫窗口。

圖5：數(shù)據(jù)圖形示例。

運算

吉時利4200-SCS的Formulator功能支援運算。為了啟動Formulator窗口，點選某個測試設置窗口definition圖標中的Formulator按鈕。如圖6所示的那樣輸入的運算公式。所運算出的量值，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

通過電流驅動器，用戶無需完成任何編程工作，就可以通過一個吉時利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，并用其強大的繪圖工具繪製出相應的曲線。