晶圆上特性表征

测试仪器:

半导体器件表征系统(DC&CV):Keysight B1500A

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半导体器件分析仪(B1500A)测量能力:
1.IV、CV、脉冲/动态IV范围为0.1 fA-1 A/0.5 uV-200 V
2.器件、材料、半导体、有源/无源元件的评估
3.1kHz至5MHz多频率下的交流电容测量
4.NBTI/PBTI,电荷泵送,电迁移,热载流子注入,TDDB,
5.脉冲IV测量最小10ns栅极脉冲宽度,具有2ns上升和下降时间,具有1us当前测量分辨率

以下模块和附件可用于B1500A:

  • B1520A CMU:1 kHz至5 MHz CV能力(1个插槽)
  • B1511A MPSMU:100 mA/100 V力能力,10 fA/0.5 mV测量分辨率(1个插槽)
  • B1517A HRSMU:100 mA/100 V的强制能力。1 fA/0.5 mV测量分辨率(1个插槽)
  • B1510A HPSMU:1 A/200 V力能力,10 fA/2 mV测量分辨率(2个插槽)
  • N1301A-100/102:SMU CMU统一单元(SCUU)和电缆组件
  • N1301A-200/201/202:保护开关单元(GSWU)电缆组件
  • E5288A ASU:0.1 fA/0.5 mV测量分辨率,支持IV/CV切换ASU(Atto-sense/switching unit)可与用其校准的HRSMU一起使用。SCUU可与CMU(插槽N)、SMU(插槽N-1)和SMU(槽N-2)一起使用。GSWU可以与SCUU一起使用。

脉冲IV系统:Maury Microwaves AM3221

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主要功能:

  • ==双极+25V/1A(栅极)和高压250V/30A(漏极)==型号
  • 脉冲宽度低至200ns
  • 高精度IV测量
  • 同步脉冲S参数测量
  • 混合和匹配输入和输出脉冲发生器
  • 长达数十秒和数百秒的长脉冲,用于捕获和热表征
  • 嵌入式快速测量采样器
  • 以太网和USB控制

射频测量:网络分析仪

  • 通常使用范围为-10KHz至-200 GHz。
  • 在双端口配置中测量DUT的反射和透射特性
  • RF波被注入到DUT并且反射,并且传输被测量。也可以测量反向,允许S11、S12、S21和S22测量
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网络分析仪通常测量s参数,因为在高频下很容易测量电网的反射和传输,但也有其他网络参数集,如y参数、z参数和h参数。网络分析器通常用于表征放大器和滤波器等双端口网络,但它们也可以用于具有任意端口数的网络。
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高频器件特性(微波网络分析仪)

  • 100Khz至8.5 GHz和10 MHz至43.5 GHz
  • 具有两个内置电源的2端口和4端口
  • 高输出功率(+16 dBm)
  • 最佳动态精度:0.1 dB压缩,接收器输入功率为+15 dBm
  • 在10 Hz中频带宽下,低噪声本底为-111 dBm
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功率器件表征系统:KeysightB1505

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  • 适用于1500 A和10 kV以下电力设备特性的一体化解决方案
  • 具有高电压偏置的中等电流测量(例如,在1200V时为500mA)
  • uΩ电阻测量能力
  • 在高电压偏置下进行精确的亚皮安级电流测量
  • 在高达3000 V的直流偏压下进行全自动电容测量
  • 低至10 us的高功率脉冲测量
  • 封装器件和片上IGBT/FET栅极电荷测量
  • 用于表征GaN电流崩溃效应的高电压/高电流快速开关选项
  • 从-50摄氏度到+250摄氏度的全自动热测试

N8975B噪声系数分析仪,多点触摸,10 MHz至26.5 GHz

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N8975B高性能噪声系数分析仪旨在进行快速、准确和可重复的噪声系数测量。
主要功能和规格:

  • 单盒解决方案的频率范围为10 MHz至26.5 GHz
  • 包括频谱分析仪和IQ分析仪(基本)模式
  • N型(f)输入连接器
  • SNS系列噪声源兼容性:N4000A、N4001A、N4002A
  • 使用特殊的块下变频器将NFA解决方案扩展到110 GHz
  • 包括U7227C 100 MHz至26.5 GHz外部USB前置放大器

测量软件

  • Keysight Connection Exeprt:用于确认仪器连接是否需要设置
  • Keysight IC-CAP:用于DUT的IV、CV和RF测量以及紧凑建模和参数扩展
  • WinCal:用于校准至DUT参考平面、S参数测量和功率放大器测量
  • IVCAD:用于PIV、DC IV、负载拉力和RF测量
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校准

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  • 考虑与VNA连接到DUT相关的寄生效应所需的测量设置的校准
  • 连接会导致额外的损耗、反射不连续性和相移
  • 通过测量位于DUT参考平面处的已知标准物(用于晶片上测量的探针尖端,并应用算法来确定12个误差项)来实现校准
  • 可用的几种校准技术
    -开路短路
    -SOLT(短开路负载直通)
    -SOLR(短开路负载往复)
    -TRL(直通反射线)
    -LRM/LRRM(线反射匹配/线反射匹配)
  • 不同的技术需要不同的标准,但一般来说,对于非常低的已知寄生现象,标准必须是精确的
  • 使用具有精确定义标准的特殊阻抗标准基板(ISS)
    -通常使用SOLT,即使用于110GHz测量

阻抗标准衬底(续)

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S参数测量

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  • 测量的S参数使用矢量网络分析仪(VNA)(例如。安捷伦E5071C ENA频率范围为100kHz-8.5GHz)
  • 去嵌入
    -使用去嵌入去除寄生
    -使用校准基板去除探针/导线寄生
    -使用OPEN-SHORT去嵌入来去嵌入焊盘到器件寄生

去嵌

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  • 即使进行了校准,由于晶片上测试结构互连(探针焊盘、传输线、接地平面等),参考平面仍然不在本征器件的边界处
    -必须测量额外的晶圆上测试结构,以校准(消除)剩余的寄生效应
  • 最常见的片上去嵌技术是OPEN-SHORT方法,其中
    -OPEN测试结构被设计去表示平行(G)寄生
    -SHORT测试结构被设计去表示串联(Z)寄生
  • 如果OPEN、SHORT和DUT本质上是线性和时不变的(LTI),则去嵌入结果是有效的
    -OPEN和SHORT是被动的,因此LTI
    -如果DUT与施加的输入功率呈线性关系,则DUT为LTI——在选择S参数测量的功率水平时必须小心

测量和去嵌入

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校准后,测量参考平面位于探头尖端
测量的是器件的响应和与焊盘相关的寄生效应

去嵌入和验证测试结构

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去嵌入(续)

OPEN-SHORT去嵌入方法:
1.测量嵌入焊盘集中的DUT的S参数(Smeas)。
2.测量OPEN和SHORT去嵌入标准(分别为Sopen和Sshort)的S参数。
3.转换Sopen和Sshort到 Y参数(分别为Yopen和Yshort)。从Yopen中减去Yshort,得到Y’short(去除焊盘和衬底的并联电容和电阻贡献的短标准的Y参数)。
4.将Y’short或转换为Z’short。Z’short现在表示由三个串联阻抗(Z1、Z2和Z3)组成的组合网络。
5.将Smeas转换为Ymeas,并从中减去Yopen。这产生Y’meas(DUT的Y-参数,去掉焊盘和衬底的并联电容和电阻贡献)。将Y’meas转换为Z’meas,其中除了所需的DUT端子特性外,还包含与Z1、Z2和Z3相关的串联阻抗。
6.从Z’short减去Z’meas,得到Z”meas(在没有所有焊盘集寄生的情况下,DUT的Z参数),最后将Z”meas转换回焊盘集校正后的S参数(S”meas),用于分析DUT端子特性。

负载拉力测量

负载拉动系统
对于小信号应用,S参数可以通过矢量网络分析仪(VNA)测量,S11和S22的复数共轭用于创建输入和输出匹配网络,以获得最大增益和功率,这只适用于小信号,不适用于功率应用!
负载拉动的好处:

  • 了解阻抗匹配并开发高效功率放大器
  • 测试任何不匹配情况下的稳定性
  • S参数对于大信号Osc是不准确的。
  • 测试耐用性-提高可靠性并避免放大器退化或故障
  • 表征非线性设备
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