B1500A 半导体器件分析仪 - 全面的 CMOS 可靠性测试解决方案

B1500A 半导体器件分析仪支持全面的 CMOS 可靠性测试解决方案

随着 CMOS 器件的尺寸不断缩小，电场强度和电流密度也相应增加，导致器件的使用寿命受到很大影响。因此，为了保证集成电路 (IC) 的使用寿命，测试 CMOS 器件的可靠性问题变得至关重要，这些问题包括栅极和层间电介质性能的下降、热载流子效应、偏压温度不稳定以及互连开路和短路等。

Keysight B1500A 半导体器件分析仪是新一代半导体参数分析仪，具有评测先进 CMOS LSI（大规模集成）电路可靠性所需要的测量能力。此外，B1500A 中的 EasyEXPERT 控制软件标配了即用型测量程序库，涵盖了所有常见的 CMOS 可靠性测试。本应用指南概括介绍了 B1500A 的关键测量功能，并解释了 B1500A 何以成为验证 CMOS 工艺可靠性的全面解决方案。

全面的先进测量功能 

B1500A 配备 10 个模块插槽，可选用多种源表模块 (SMU) 以及其他先进的模块，因此能够满足 CMOS 工艺可靠性测试的绝大多数测量要求。下图汇总了可用的 B1500A 模块。

中等功率 SMU (MPSMU)

MPSMU 是一款通用型 SMU，拥有中等的电压和电流输出能力以及适中的测量分辨率。MPSMU 的最大输出电压为 ±100 V，最大输出电流为 ±100 mA。MPSMU 的最小电流测量分辨率为 10 fA，最小电压测量分辨率为 0.5 μV。

高分辨率 SMU (HRSMU)

HRSMU 是为需要极其精密的测量而设计的，例如栅极泄漏、断态泄漏和亚阈值电流测量。HRSMU 的最小电流测量分辨率为 1 fA（MPSMU 为 10 fA）。此外，当与自动感应和开关单元 (ASU) 结合使用时，HRSMU 的电流测量分辨率可以达到 100 aA (0.1 fA)，同时仍能保持与MPSMU 相同的电压和电流输出能力。

大功率 SMU (HPSMU)

顾名思义，与其他 SMU 相比，HPSMU 的电压和电流输出范围更宽广。HPSMU 的最大输出电压为 ±200 V，最大输出电流为 ±1 A。200 V 的电压输出范围对于故障测量非常有用，而 1 A 的电路输出范围则可用于重要的可靠性测试，例如器件互连电迁移测试。

B1500A 的所有 SMU 均采用开氏温标，配有独立的压力和感应输入，这对于准确测量小电阻和大电流器件是必需的。此外，所有 SMU 均支持准静态电容——电压 (QSCV) 测量，可以用于评测栅极电介质界面缺陷密度。SMU 的 QSCV 功能还具有泄漏电流补偿功能，能帮助测量较薄的栅极电介质。

高电压半导体脉冲发生器单元 (HV-SPGU)

B1500A 的 HV-SPGU 模块是专为半导体器件的电气测量而设计的。在可靠性测试中，用户可使用脉冲发生器通过电荷泵法评测栅极电介质和衬底之间的界面缺陷密度。脉冲发生器还能为 SMS（极限-测量-极限）测试施加脉冲 (AC) 极限偏置。HV-SPGU 的频率范围为 0.1 Hz 至 33 MHz，每个 HV-SPGU 模块都有两个独立通道。每个通道能够输出 ±40 V 电压（开路负载），且最小电压分辨率为 1.6 mV。是德科技还提供 16440A SMU/脉冲发生器选择器单元和 16445A SMU/PGU 选择器连接适配器供用户选配，它们极大方便了 HV-SPGU 和 SMU 之间的切换。

波形发生器/快速测量单元 (WGFMU)

WGFMU 是一个双通道模块，兼具 ALWG（任意线性波形发生器）电压脉冲功能和超快速 IV测量功能。电压波形的最小采样间隔为 10 ns。通过将 ALWG 和 IV 测量整合到单个模块中，用户既可施加 DC 极限偏置，也可施加 AC 极限偏置，并且可以实现无缝测量。WGFMU 模块的电压输出分辨率高到 16 位，并且覆盖下列电压范围：-5 V 至 5 V、-10 V 至 0 V 或 0 V 至 +10 V。该模块执行 IV 测量的最小采样间隔为 5 ns，并可支持 1 μA、10 μA、100 μA、1 mA 和 10 mA（14 位分辨率）的测量范围。

该模块可以执行超快速负偏置温度不稳定度 (NBTI) 和正偏置温度不稳定度 (PBTI) 测量（在直流和交流极限下），且不受动态恢复影响。它还可以执行超快速热载流子注入 (HCI) 测量。多频电容测量单元 (MFCMU)工程师通常根据电容表测得的高频电容与电压 (HFCV) 曲线来评测 CMOS 器件的电气特性，例如阈值电压、平带电压和衬底掺杂浓度曲线。此外，通过对比 HFCV 曲线与 SMU 测得的QSCV 曲线，可以提取界面缺陷密度的能量分布。

B1500A 的 MFCMU 模块不需要使用单独的外部电容表。MFCMU 拥有 1 kHz 至 5 MHz 的频率范围，可提供 ±25 V 的直流偏置。可选的 SMU CMU 统一单元 (SCUU) 支持在基于定位器的晶圆探测环境中自动切换电容——电压 (CV) 和电流——电压 (IV) 测量，而无需使用开关矩阵进行切换。SCUU 还可使用 MPSMU 或 HRSMU 作为偏置源，将可用的电容测量 DC 偏置电压扩展到 ±100V。

即用型可靠性测试库

基于计算机的 B1500A 装有 Keysight EasyEXPERT 软件，这是一款在 Microsoft Windows 环境中运行的参数测试应用程序，其功能非常强大。EasyEXPERT 不仅提供了简单高效的测量和分析环境，还采用了直观的图形用户界面 (GUI)。用户可以通过 B1500A 的 LCD 触摸屏或选配的 USB 键盘和鼠标，与 EasyEXPERT 进行交互。 熟悉的 Windows 环境极大降低了用户的学习难度，还能轻松联网并将数据导出到 MS Office 工具中。EasyEXPERT 采用独特的“自上而下”的方法进行器件表征，使用户可以立即专注于进行测量，而不必了解复杂的仪器硬件。EasyEXPERT 自带 240 多种测量算法，按照器件类型、应用和技术归类，包括下面要介绍的典型 CMOS 可靠性测试中的测量。

栅极电介质完整性

强电场对栅极电介质的影响是决定 LSI 电路可靠性的主要问题。 判断栅极电介质层完整性的方法主要有两种 ：零时电介质击穿和时变电介质击穿。零时电介质击穿 (TZDB) 将逐渐增加栅极电压，并测量电介质被击穿时的栅极泄漏电流。术语“零时”强调击穿主要是由栅极氧化物中迅速增加的电场引起的，而不是极限电压持续作用的结果。当然，在实际情况下，电压上升的斜率确实会影响击穿电压。

时变电介质击穿 (TDDB) 测量的是由于长期暴露在相对较 低的电 场中导致的电介质击穿。在 TDDB 测试期间施加的极限条件可以是恒定电压或恒定电流，而最关键的测量参数是电介质层被击穿所需的时间。一般来说，用户测量的是注入到栅极电介质中以实现击穿 (Qbd) 的总电荷。

两种常见的时变电介质击穿测试是恒增电压 (V-Ramp) 和恒增电流 (J-Ramp)。恒增电压测试以恒定的线性速率逐渐增加电介质两端的电压，直到发生击穿。恒增电流测试在对数间隔的时间点上增加通过电介质的电流。 两项测试均记录了击穿总电荷 (Qbd) 和击穿电压 (Vbd)。

这两种方法都可以在短时间内高效地评测栅极电介质质量，迅速为工艺工程师提供反馈信息。关于恒增电压和恒增电流测试的更多信息，请参见 JEDEC 标准“较薄电介质的晶圆级测试步骤”。表 1 中列出了 EasyEXPERT 中包含的所有栅极电介质完整性应用测试。

图 2 是恒增电压应用测试的一个示例。测试步骤如下 ：用户首先选择“可靠性”技术类别。然后在所显示的测试列表中选择“恒增电压”应用测试。这个应用测试将在屏幕上显示被测器件与 SMU 之间的连接，内置文档会说明应用测试如何执行恒增电压测试。最后，用户填写好参数并点击“开始”按钮。系统开始测量，测量结束后将自动提取击穿电压 (Qbd) 和击穿时间 (Tbd)，并在屏幕上显示这些结果和 I-V 图。测量结束后，系统会将测量结果自动存入 EasyEXPERT 自带的数据库中。

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