CMOS器件电性表征的全面解决方案 B1500A 半导体器件分析－应用指南

B1500A：全面支持 CMOS 器件电性测试的半导体分析平台

互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)场效应管(FET)技术仍然是大规模集成电路，如微处理器和存储器器件的基础。CMOS技术现在已渗入人们的日常生活，如移动电话，高清电视和电脑。改进CMOS器件性能的主要挑战来自两个相悖的目标:高速和低耗。为同时实现这两个目标，研究人员需要全面表征MOSFET器件参数。不仅要表征静态特性，而且还要表征器件的动态特性和与时间相关的特性。

近20年来，Keysight4155和4156半导体参数分析仪始终是工业界的标准仪器。KeysightB1500A半导体器件分析仪更是具有精确表征先进CMOS器件所需测量能力的新一代半导体参数分析仪。EasyEXPERT是包括准备就绪的测量库的B1500A标配控制软件。这些测量库覆盖评估基本CMOS器件和先进CMOS器件的各种参数，包括可靠性测试。这篇应用指南全面介绍B1500A的主要性能特性，展示B1500A作为CMOS器件电性表征的全面解决方案。

先进的综合测量能力

B1500A10个模块插槽，众多可选的源/监视单元(SMU)和其它先进的模块类型，可通过配置满足对先CMOS制程的最精确测量要求。图1列出所有适用于B1500A的模块。中功率SMU(MPSMU)MPSMU是通用SMU，它具有适中的电压源和电流源能力以及测量分辨率。MPSMU的最大输出电压±100V，最大输出电流为±100mA。最小电流测量分辨率10fA，最小电压测量分辨率为0.5μV。

高分辨率 SMU (HRSMU)

HRSMU适用于要求极高精度的测量，例如测量栅极漏电流，关断态漏电流和亚阈值电流测量。HRSMU的最小电流测量分辨率为1fA(MPSMU为10fA)。此外，当与阿安测量与开关单元(ASU)一起使用时，HRSMU更能实现100aA(0.1fA)的电流测量分辨率，并仍保持MPSMU相同的电压源和电流源能力。

高功率SMU(HPSMU)

顾名思义，HPSMU比其它SMU扩展了电压源和电流源能力。HPSMU的最大输出电压为±200V，最大输出电流为±1A。200V输出能力可用于击穿电压测量，1A输出能力支持重要的可靠性测试，如器件互联电迁移测试。所有B1500ASMU均为Kelvin型，具有单独的施加输入和测量输入端口。此外，所有SMU都能执行准静态CV(电容vs.电压)测量，其漏电流补偿特性可帮助进行薄栅极介电层测量。

多频率电容测量单元(MFCMU)

某些CMOS器件参数需要通过电容测量来评估，如栅极介电层厚度，端子重叠，以及介电层间的电容。B1500A的MFCMU模块能够执行这些电容测量，从而不再需要单独的外部电容表。该MFCMU的频率范围为1kHz至5MHz。并支持±25V的直流偏置。可选的SMUCMU复合单元(SCUU)支持基于定位器的晶圆检测环境中的自动切换电容-电压(CV)测量和电流-电压(IV)测量，因此能省略执行这一功能的开关矩阵。此外，SCUU还可将MPSMU或HRSMU作为偏置源，把电容测量的直流偏置电压扩展到±100V。

高压半导体脉冲发生器单元(HV-SPGU)

HV-SPGU专门用于应对先进非易失性存储器(NVM)的测试挑战，这些测试需要表征多层式(MLC)闪存的写入/擦除行为。每一HV-SPGU模块有两个独立通道，每个通道具有±40V的源能力及内置的三态特性。一台B1500A最多可装入5块HV-SPGU模块，并让所有模块通道同步输出，从而同时向多个器件端口提供脉冲激励。16445ASMU/PGU选择连接适配器允许B1500ASMU控制16440ASMU/脉冲发生器选择器单元，而16440A可以支持HV-SPGU和SMU间轻松切换。由于具有这些先进的功能特性，HV-SPGU可提供无与伦比的写入/擦除耐久性测试能力，可在短短几小时内完成一百万次循环。除了支持杰出的闪存单元表征能力外，HV-SPGU还具有任意线性波形产生(ALWG)能力，为表征新型NVM，如相变存储器(PRAM)和阻变存储器(RRAM)输出复杂的波形序列。

波形发生器/快速测量单元(WGFMU)

WGFMU是包括ALWG电压脉冲功能和超快速IV测量功能的双通道模块。可用10ns的最快采样率设定电压波形。WGFMU模块的电压输出有16位分辨率，覆盖的电压量程包括:-5V至5V，-10V至0V，0V至10V。模块在IV测量时的最小采样间隔为5ns，并支持1 μA，10μA，100μA，1mA和10mA的测量量程(14位分辨率)。模块覆盖的应用包括脉冲IV测量，先进超快速负偏置温度不稳定性(NBIT)/正偏置温度不稳定性(PBTI)测量(包括直流和交流应力)，随机电报噪声(RTN)测量，微机电系统(MEMS)电容器表征，新型非易失存储器表征，以及其它类型的瞬态或时域测量。

超窄脉冲IV测量系统

B1542A脉冲IV系统为在SOI晶圆上或使用高k栅极介电层制造的MOSFET提供测量本征IV特性的10ns脉冲IV能力。该B1542A包括B1500A，应用软件，脉冲发生器，示波器和专业配件。

便捷和直观的操作 EasyEXPERT

KeysightEasyEXPERT软件是基于PC的B1500A的标准软件，是用于控制B1500A的强大Microsoft®Windows应用程序。EasyEXPERT有直观的图形用户界面(GUI)，提供简捷而高效的测量和分析环境。可通过B1500A的触摸屏LCD面板，或通过可选的USB键盘及鼠标与EasyEXPERT互动。熟悉的Windows环境易于掌握，并支持联网以及数据输出至基于MSOffice的工具。

使用准备就绪的测量库

EasyEXPERT采用独特的"自上而下"方法表征器件，使用户能把精力集中于测量，而不需要去了解那些复杂的仪器硬件。EasyEXPERT配备了230多个按器件类型，应用和技术归类的测量算法。图2显示MOSFET阈值电压测量的应用测试例子。用户首先选择"CMOS"技术类别。接着在显示表中选择"VthgmMax"应用测试。其文档描述该应用测试如何从漏极电流线性区推算得到阈值电压。最后用户填入测量参数和点击起动按钮。测量随即开始，Vth由内置的分析功能自动提取得到。

测量完成后，测量结果被自动保存到EasyEXPERT的内置数据库中。如有必要，您也能容易地修改或自定义适合您特定需求的应用测试。该应用测试能容易地立刻开始进行高效率的参数测试。此外，这些应用程序也可用于其它类型的器件，如应用测试库中包括的双极晶体管(BJT)，分立器件，闪存单元，混合信号器件，碳纳米管或金属纳米管，功率FET和薄膜晶体管。这就极大地扩展了互补型金属 - 氧化物 - 半导体 (CMOS) 场效应管 (FET) 技术仍然是大规模集成电路，如微处理器和存储器器件的基础。CMOS技术现在已渗入人们的日常生活，如移动电话，高清电视和电脑。

改进 CMOS器件性能的主要挑战来自两个相悖的目标: 高速和低耗。为同时实现这两个目标，研究人员需要全面表征 MOSFET器件参数。不仅要表征静态特性，而且还要表征器件的动态特性和与时间相关的特性。近 20 年来，Keysight 4155 和 4156 半导体参数分析仪始终是工业界的标准仪器。Keysight B1500A半导体器件分析仪更是具有精确表征先进 CMOS器件所需测量能力的新一代半导体参数分析仪。

请下载指南并全面了解 B1500A半导体器件分析仪的主要性能特性，以及作为 CMOS器件电性表征的全面解决方案。