Die Anforderungen ultraschneller I-V-Messverfahren im Bauteiletest

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I-V-Quellen charakterisieren unterschiedliche Bauteileeigenschaften

Akutelle Parameter-Analysatoren sind mit integrierten ultraschnelle I-V-Quellen- und Messmöglichkeiten ausgestattet, die unterschiedliche Bauteileigenschaften charakterisieren. Dazu zählen Negative Bias Temperature Instability, NBTI, und Positive Bias Temperature Instability, PBTI.

Mit diesen I-V-Messwerkzeugen lässt sich nicht nur die Zuverlässigkeit der Bauteile messen, sondern es lässt sich die Genauigkeit von DIR-Lebensdauermessungen (Designed-In Reliability) verbessern. Gerade im Bauteil- und Schaltungs-Design ist das bedeutend.

Noch bis vor kurzem mussten manche Forscher ihre ultraschnellen BTI-Testsysteme noch selbst konfigurieren. Diese selbst entwickelten Systeme enthielten normalerweise einen Impulsgenerator oder einen Arbitrary Waveform Generator sowie ein Oszilloskop mit Stromsonden oder mit einer Art Strom-Spannungs-Wandler, um kleine Ströme zu messen. Zwar lassen sich BTI-Systeme für derart spezielle Aufgabenstellung realisieren, trotzdem gibt es einige technische Herausforderungen:

• Signale erzeugen: Standard-Impulsgeneratoren und Arbitrary-Waveform-Generatoren sollen Signale mit einem festen zeitlichen Intervall erzeugen. Für die meisten Zuverlässigkeitstests wie NBTI und PBTI wird allerdings ein logarithmischer Maßstab benötigt.

• Mess-Timing und Datenspeicherung: Obwohl Oszilloskope auf ein bestimmtes Signalmerkmal triggern können, eignen sie nicht zum selektiven Speichern von ausgewähtlen Teilen eines Signals. Hierzu müssen große Datenmengen gespeichert und nachbearbeitet werden. Nur sehr teure Oszilloskope oder Geräte mit kostspieligen Speichererweiterungen speichern ausreichend.

• Präzision, Genauigkeit und Empfindlichkeit: Die Vorspannungs-Temperaturinstabilität ist ein sehr dynamisches Phänomen. Um es zu charakterisieren sind sehr empfindliche und schnelle Messungen notwendig. Angenommen alle anderen Faktoren sind konstant, dann definiert die Physik der Messung größtenteils den Zusammenhang zwischen Messgeschwindigkeit und Empfindlichkeit. Bei Messungen von <1 ms müssen alle Störquellen berücksichtigt werden. Bei weniger als einer Mikrosekunde können selbst Quanteneffekte nicht mehr ignoriert werden. Oszilloskope, Stromsonden und Strom-Spannungs-Wandler haben alle unabhängig voneinander definierte Leistungsspezifikationen und wurden nicht notwendigerweise im Hinblick auf die Zusammenarbeit optimiert. Es ist daher oftmals sehr schwierig, diese Komponenten so zu kombinieren, dass eine optimale Leistung über einen weiten Dynamikbereich gewährleistet werden kann, und dass sehr genaue Messungen bei hoher Geschwindigkeit möglich sind.

• Verbindungen: Selbsterstellte Systeme nutzen normalerweise Splitter und Bias-Tees, so genannte Diplexer, die das Verhalten des Testaufbaues begrenzen. So kann ein Bias-Tee die Bandbreite von 100 ns auf 10 µs herabsetzen. Obwohl dies für sehr schnelle Messungen ausreicht, verhindert es aussagekräftige Pre- und Post-Stress-DC-Messungen. Es verhindert die Durchführung von Messungen im dazwischenliegenden Timing-Bereich von 10 ms bis DC.

• Teststeuerung und Datenmanagement. Konventionelle Oszilloskope unterstützen kein Streaming von Daten, somit muss die Übertragung der Ergebnisse bis zum Ende des Tests warten. Sobald die Prüfung abgeschlossen ist, müssen große Datenmengen zum Steuerrechner zur Nachbearbeitung übertragen werden. Dann folgt eine Analyse komplexer Signale, um die einzelnen Testergebnisse der jeweiligen Messungen zu gewinnen.

• Test-Abbruch. Falls die Testergebnisse erst analysiert werden können, nachdem die Daten vom Oszilloskop übertragen wurden, dann muss die Testdauer vor dem Start des Tests abgeschätzt werden. Ansonsten kann der Test auf Grund von Parameterverschiebungen oder von in Echtzeit entdeckten schwerwiegenden Fehlern nicht mehr abgebrochen werden.

• Automatisierung:Eine Automatisierung auf Wafer- oder Kassetten-Ebene erfordert eine Steuerung sowohl der Testinstrumente, als auch des Wafer-Prober, was normalerweise selbstgebaute Systeme nicht leisten können. Auch intelligente Merkmale wie bedingter Testabbruch würde die kundenspezifische Software erheblich komplexer gestalten.

• Größere Kanalzahl: Funktioniert ein selbsterstelltes System am Anfang gut, müssen die Systemintegratoren die Anzahl der Kanäle oder der Testsysteme erhöhen, um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden. Die Erweiterung eines kundenspezifischen Systems kann äußerst kompliziert sein. Typische Wartungsaspekte von Testsystemen, wie Kalibrierung, Betrieb und die Korrelation dieser kundenspezifischen Aufbauten können zudem überproportional viele technische Ressourcen binden, die oft nur eingeschränkt zur Verfügung stehen.

Die neuste Generation von Parameter-Analysatoren kann so konfiguriert werden, dass sich viele dieser Defizite der selbsterstellten BTI-Charakterisierungssysteme minimieren lassen. Anstatt einen separate Impuls- oder Signalgenerator und Oszilloskop einzusetzen, kombinieren diese modernen Geräte diese Funktionen in schnellen Quellen- und Messmodulen, die eine straffe Timing-Koordinierung erlauben.

Die Module sind voll in den Parameteranalyzer integriert und nutzen die Datenspeicherungs- und die Automatisierungsmöglichkeiten. Bei Chassis-basierten Systemen lässt sich die Anzahl der durch Ausbau weiterer Module erhöhen.

I-V-, DC-I-V und C-V-Messungen in der gleichen Testfolge

Die neuste Generation der Parameter-Analysatoren integriert ultraschnelle I-V-, DC-I-V- und C-V-Messungen innerhalb der gleichen Testfolge. Das ist für die steigende Anzahl von Anwendungen nützlich, die verschiedene Messverfahren benötigen. Dazu zählt das Charakterisieren von Charge Pumping, das normalerweise eine impulsförmige Gate-Spannung und eine gleichzeitige Messung des DC-Substratstroms erfordert. Oder sollen die elektrischen Eigenschaften von Photovoltaik-Zellen bestimmt werden, bei denen normalerweise der Strom und die Kapazität als eine Funktion einer angelegten DC-Spannung gemessen werden muss.

Das Halbleiter-Charakterisierungs-System Modell 4200-SCS von Keithley unterstützt hochgenaue DC-I-V-Messungen mit integrierten SMUs und C-V-Messungen mit einem optionalen C-V-Modul. Mit solch einem System lassen sich ultraschnelle universelle I-V-Messungen; gepulste I-V- und transiente I-V-Messungen; den Test von Flash-, PCRAM und anderen nichtflüchtigen Speichern; einen isothermen Test von mittelgroßen Leistungsbauteilen; sowie einen Test von CMOS-Materialien, wie High-K-Dielektrikas und NBTI/PBTI-Zuverlässigkeitstests. Das Diagramm in Bild 2 zeigt viele dieser künftigen Anwendungen für die DC-I-V- und ultraschnellen I-V-Einspeise- und Messbereiche des Modells 4200.

Die vier künftig wichtigsten I-V-Anwendungen

Die vier verfügbaren Signalverläufe im Bild 3 sollen künftig die immer wichtigeren ultraschnellen I-V-Anwendungen unterstützen:

• transiente I-V-Sweeps:Die Spannung und/oder der Strom wird kontinuierlich digitalisiert,

• schnelle gepulste I-V:misst die Spannung und/oder Strom im ausgeschwungenen Zustand,

• gefilterter Impuls:erzeugt eine variable Impulsspannung, während ein DC-SMU den resultierenden Strom misst und

• Impuls-Stress/DC-Messung:bei der die Spannung gepulst und anschließend eine DC-SMU-Messung ausgeführt wird.

Neben diesen konventionellen Abläufen enthält das Modell 4225-PMU eine vollständige AWG-Funktionalität, sowie einen Segment-ARB-Modus. Damit lassen sich Signale aus bis zu 2048 Anwenderdefinierten Liniensegmenten erzeugen und speichern. Jedes Segment kann eine unterschiedliche Dauer haben.

* * Lee Stauffer ist Senior Staff Technologist der Semiconductor Measurements Group von Keithley Instruments in Cleveland, Ohio.

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