專利名稱：脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件性能測試領(lǐng)域，具體涉及一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置及其方法。
背景技術(shù)：
隨著MOS器件的廣泛運(yùn)用，觀察和監(jiān)測MOSFET偏置溫度不穩(wěn)定性的需求也在逐漸曾加。偏置溫度不穩(wěn)定性指的是MOSFET的閾值電壓在一定偏置和溫度下會呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性。通常來說，10%的閾值電壓變化就會引起邏輯和記憶電路無法正常啟動。因此，測量閾值電壓的變化具有重要的意義。目前有兩家公司在這一領(lǐng)域具有相當(dāng)先進(jìn)的技術(shù)，他們分別是吉時利和安捷倫。 他們制造的該類型產(chǎn)品的核心測量方法都是一種叫做on-the-fly的間接測量法。用直流電壓源對MOSFET的柵極和漏極提供特定的直流電壓，然后通過安置在漏極的直流電流表讀取漏極電流，最后通過漏極電流推算出閾值電壓的大小和變化。然而，目前的測量方法最大缺陷就是
1)無法再縮小所給的柵極直流電壓峰值的持續(xù)時間。比如，吉時利2600只能支持200 微秒的最小持續(xù)時間，安捷倫B1500也只能支持100微秒。而且，這兩件儀器的價格都較昂貴，如安捷倫B1500需要45000美元；
2)直流電壓峰值的持續(xù)時間(周期)是給定值。如果MOSFET的偏置溫度應(yīng)力時間為24 小時，短的峰值持續(xù)時間(如200微秒)，將產(chǎn)生太多的測試點(diǎn)(如4. 32X108個測試點(diǎn))；而長的峰值持續(xù)時間(如I秒)，將無法測試I秒以內(nèi)的閾值電壓的大小和變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置及其方法，使其能過在更快的變化脈沖周期下進(jìn)行長時間偏置溫度應(yīng)力測量工作，以提高實(shí)驗(yàn)測量的范圍和精度。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本發(fā)明提供了一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，具體的技術(shù)方案是
一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，它包括計算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，計算機(jī)控制模塊通過RS232接口分別與可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊相連接；可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊包括柵極脈沖電壓發(fā)生模塊、漏極脈沖電壓發(fā)生模塊和一個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊；所述高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的信號輸入端連接待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計算機(jī)控制模塊；所述計算機(jī)控制模塊包括發(fā)送確定脈沖信號特征的指令，接收并保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。對于上述技術(shù)方案，我們還有進(jìn)一步的優(yōu)化方案，作為補(bǔ)充，進(jìn)一步，所述計算機(jī)控制模塊設(shè)置有可改變所屬可程控多功能信號發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號的波形、周期與測試時間的關(guān)系、電壓峰值和脈寬的按鍵。更進(jìn)一步，可程控多功能信號發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號的周期與測試時間的關(guān)系分線性關(guān)系和對數(shù)關(guān)系兩種。進(jìn)一步，所述計算機(jī)控制模塊設(shè)置有保存來自高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號的按鍵和自動在計算機(jī)屏幕上顯示脈沖電壓、漏極電流和閾值電壓特性曲線的按鍵。進(jìn)一步，可程控多功能信號發(fā)生模塊可在同一時間軸下發(fā)送不同的脈沖信號；柵極脈沖電壓發(fā)生信號模塊能夠?qū)γ}沖信號的波形、周期與測試時間的關(guān)系、峰值以及脈寬進(jìn)行改變，而漏極脈沖電壓發(fā)生模塊能夠產(chǎn)生周期與柵極相同的脈沖信號。更進(jìn)一步，漏極脈沖電壓發(fā)生模塊與一可變電阻相連后接入待測場效應(yīng)管的漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端相連。本發(fā)明還提供了一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量方法，具體的技術(shù)方案如下
一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量方法，它包括計算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，具體包括以下測量步驟
步驟一將可程控多功能信號發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊通過RS232接口分別和計算機(jī)控制模塊相連，并且將可程控多功能信號發(fā)生模塊的輸出端接入待測場效應(yīng)管的柵極和漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端相連；
步驟二 在計算機(jī)控制模塊上設(shè)置控制可程控多功能信號發(fā)生模塊信號輸出的參數(shù)， 并初始化各個模塊，并且發(fā)送自檢信號；
步驟三在計算機(jī)控制模塊的用戶界面對所需脈沖信號的波形、周期與測試時間的關(guān)系、峰值、脈寬進(jìn)行設(shè)定；
步驟四可以通過可程控多功能信號發(fā)生模塊將產(chǎn)生的具有特定特征的脈沖信號輸入待測場效應(yīng)管，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊會接收并保存待測場效應(yīng)管輸出的脈沖電壓信號； 步驟五高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊會將接收的脈沖電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后傳送給計算機(jī)控制模塊；
步驟六計算機(jī)控制模塊保存和顯示接收的脈沖電壓信號數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的運(yùn)算法則進(jìn)行計算，在屏幕上顯示半導(dǎo)體漏極電路的曲線，進(jìn)而推算并顯示閾值電壓的曲線。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1.本發(fā)明在源信號發(fā)生端采用可程控多功能信號發(fā)生模塊替換以往測量中的直流電壓電源，通過可程控多功能信號發(fā)生模塊給待測場效應(yīng)管的柵極和漏極提供脈沖電壓，使得柵極的脈沖電壓具有更快的峰值變化速度，而在測量端利用高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊和可變電阻的結(jié)構(gòu)替換了以往測量過程的電流表，使得測量能在變化更快的電壓下進(jìn)行，從而使測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，另外整個測量過程通過計算機(jī)控制模塊接收并保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，自動完成繪制，加快了測試的速度；
2.本發(fā)明所提供的測量裝置制作成本低，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有設(shè)備，可大大節(jié)省測量成本；
3.本發(fā)明具有設(shè)定脈沖信號周期函數(shù)(偏置溫度應(yīng)力時間的線性或?qū)?shù)函數(shù))、峰值以及脈寬三個變量/函數(shù)的輸入按鈕，具有向可程控多功能信號發(fā)生模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送按鈕和終止傳送的按鈕，此外還具有接收高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)的按鈕以及保存并繪制接收到的數(shù)據(jù)的按鈕，功能全面而且提供多樣選擇，界面合理而且更為人性化。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
圖I為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明的電路原理圖3為現(xiàn)有閾值電壓參數(shù)測量儀器的電路原理圖4為本發(fā)明的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。實(shí)施例I :
本發(fā)明提供了一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，如圖I它包括計算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，計算機(jī)控制模塊通過RS232接口分別與可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊相連接； 可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊包括柵極脈沖電壓發(fā)生模塊、漏極脈沖電壓發(fā)生模塊和一個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊；高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的信號輸入端連接待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計算機(jī)控制模塊；計算機(jī)控制模塊包括發(fā)送確定脈沖信號特征的指令，接收并保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。計算機(jī)控制模塊設(shè)置有可改變所屬可程控多功能信號發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號的波形、周期與測試時間的關(guān)系、電壓峰值和脈寬的按鍵。計算機(jī)控制模塊還設(shè)置有保存來自高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號的按鍵和自動在計算機(jī)屏幕上顯示脈沖電壓、漏極電流和閾值電壓特性曲線的按鍵。另外可程控多功能信號發(fā)生模塊可在同一時間軸下發(fā)送不同的脈沖信號；柵極脈沖電壓發(fā)生信號模塊能夠?qū)γ}沖信號的波形、周期、峰值以及脈寬進(jìn)行改變，而漏極脈沖電壓發(fā)生模塊能夠產(chǎn)生周期與柵極相同的脈沖信號。漏極脈沖電壓發(fā)生模塊與一可變電阻相連后接入待測場效應(yīng)管的漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端相連。圖3所示的是目前的實(shí)時閾值電壓參數(shù)測量裝置的電路原理圖，電流表是目前的實(shí)時閾值電壓測量中必不可少的原件。在MOSFET的柵極給予輸入電壓的時候，電流表監(jiān)測漏極的電流，電流表能夠探測到的電流變化速度不能小于100微秒。由于漏極電壓的變化速度是和柵極電壓的變化速度成正比的，也就是說柵極電壓的變化速度也不能過快，根據(jù)文獻(xiàn)的說明，這樣就會導(dǎo)致短應(yīng)力時間內(nèi)數(shù)據(jù)不是十分精確。圖2所示的是本發(fā)明研發(fā)的脈沖實(shí)時閾值電壓測量裝置的電路圖。在漏極串入了一個變值電阻，并在漏極進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)的采集。Vdd是外接的脈沖電壓信號(其周期T是應(yīng)力時間t的線性或?qū)?shù)函數(shù))，Vds是數(shù)據(jù)采集模塊3監(jiān)測并保存的電壓信號數(shù)據(jù)，R是一個變值電阻，Id是漏極電流。通過點(diǎn)擊計算機(jī)控制模塊的接收按鈕，數(shù)據(jù)采集模塊3會將Vds 的電壓信號數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)控制模塊，計算機(jī)控制模塊通過公式〈1>計算并繪制Id隨應(yīng)力時間t變化的曲線。Id= (Vw- VDS) /R<1>
從上述漏極電流推導(dǎo)出閾值電壓的過程如下給MOSFET的漏極加上如圖所示的電壓， 源極接地，并向柵極提供如圖所示的脈沖電壓VG (該脈沖的周期與Vdd相同，電壓信號Ve 有峰值Vg+DV、中間值應(yīng)力電壓Vg和谷值Vg-DV)。這樣在MOSFET的漏極監(jiān)測電流信號 Vds，這樣每一組脈沖信號就可以得到三個漏極電流的值[峰值電流Id(Vg+DV)、中間值電流 Id(Vg)和谷值電流Id(Vg-DV)]。經(jīng)過η組后，得到η組Id的值，能夠繪制出Id與應(yīng)力時間 t的關(guān)系曲線圖，再通過公式計算出閾值電壓Vt與應(yīng)力時間t的曲線圖。從漏極電流推導(dǎo)到閾值電壓需要如下的步驟。一種如圖所示的柵極電壓，土DV是一種電壓微擾，能夠干擾柵極應(yīng)力電壓Vg。在提供如圖的柵極電壓和漏極電壓后，MOSFET 會產(chǎn)生第η組跨導(dǎo)gm (η)
gM = Ud{Vg+DV)~ IAVg-D^/^DV<2>
然后，取每三組漏極電流中對應(yīng)位置的漏極電流數(shù)據(jù)來取差值
Δ Id{n) = Id(ji) -<3>
根據(jù)〈2X3〉，可以得到
Δ Vt (n) = - A Id (n) ZgmQ])〈3>
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供了一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量方法，步驟流程如圖4 所示，具體如下
步驟一將計算機(jī)控制模塊通過RS232接口與可程控多功能信號發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊連接，并且將可程控多功能信號發(fā)生模塊的輸出端以及高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端分別按圖一與MOSFET相連接；
步驟二 通過計算機(jī)控制模塊里的用戶界面，初始化各個模塊，并向脈沖信號發(fā)生模塊發(fā)送一組自檢信號，在確定一切都正常的情況下，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
步驟三據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的條件設(shè)定脈沖信號的各個參數(shù)值和周期函數(shù)，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕?？沙炭囟喙δ苄盘柊l(fā)生模塊接收到來自計算機(jī)控制模塊的命令，并按其產(chǎn)生出所需的脈沖電壓信號輸出給MOSFET的柵極。計算機(jī)顯示Vdd - t關(guān)系曲線和Ve - t關(guān)系曲線；
步驟四高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊在MOSFET的漏極端監(jiān)測并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳到計算機(jī)控制模模塊，計算機(jī)顯示Vds - t關(guān)系曲線；
步驟五點(diǎn)擊計算機(jī)控制模塊的計算按鈕，計算機(jī)控制模塊能夠通過內(nèi)置的公式計算出漏極電流的變化曲線(Id - t關(guān)系曲線)，進(jìn)一步從漏極電流的數(shù)據(jù)推出閾值電壓的變化曲線(AVt - t關(guān)系曲線)。上述實(shí)例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，其特征在于，它包括計算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，計算機(jī)控制模塊通過 RS232接口分別與可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊相連接；可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊包括柵極脈沖電壓發(fā)生模塊、漏極脈沖電壓發(fā)生模塊和一個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊；所述高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的信號輸入端連接待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計算機(jī)控制模塊；所述計算機(jī)控制模塊包括發(fā)送確定脈沖信號特征的指令，接收并保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，其特征在于，所述計算機(jī)控制模塊設(shè)置有可改變所屬可程控多功能信號發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號的波形、周期與測試時間的關(guān)系、電壓峰值和脈寬的按鍵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，其特征在于，可程控多功能信號發(fā)生模塊發(fā)送的脈沖信號的周期與測試時間的關(guān)系分線性關(guān)系和對數(shù)關(guān)系兩種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，其特征在于，所述計算機(jī)控制模塊設(shè)置有保存來自高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號的按鍵和自動在計算機(jī)屏幕上顯示脈沖電壓、漏極電流和閾值電壓特性曲線的按鍵。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，其特征在于，可程控多功能信號發(fā)生模塊可在同一時間軸下發(fā)送不同的脈沖信號；柵極脈沖電壓發(fā)生信號模塊能夠?qū)γ}沖信號的波形、周期、峰值以及脈寬進(jìn)行改變，而漏極脈沖電壓發(fā)生模塊能夠產(chǎn)生周期與柵極相同的脈沖信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，其特征在于，漏極脈沖電壓發(fā)生模塊與一可變電阻相連后接入待測場效應(yīng)管的漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端相連。
7.—種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量方法，其特征在于，它包括計算機(jī)控制模塊、可程控多功能脈沖信號發(fā)生模塊和高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊，具體包括以下測量步驟步驟一將可程控多功能信號發(fā)生模塊、高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊通過RS232接口分別和計算機(jī)控制模塊相連，并且將可程控多功能信號發(fā)生模塊的輸出端接入待測場效應(yīng)管的柵極和漏極，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的接收端與待測場效應(yīng)管的漏極和可程控多功能信號發(fā)生模塊的兩個輸出端相連；步驟二 在計算機(jī)控制模塊上設(shè)置控制可程控多功能信號發(fā)生模塊信號輸出的參數(shù)， 并初始化各個模塊，并且發(fā)送自檢信號；步驟三在計算機(jī)控制模塊的用戶界面對所需脈沖信號的波形、周期與測試時間的關(guān)系、峰值、脈寬進(jìn)行設(shè)定；步驟四可以通過可程控多功能信號發(fā)生模塊將產(chǎn)生的具有特定特征的脈沖信號輸入待測場效應(yīng)管，高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊會接收并保存輸入的脈沖信號以及待測場效應(yīng)管輸出的脈沖電壓信號；步驟五高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊會將接收的脈沖電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后傳送給計算機(jī)控制模塊；步驟六計算機(jī)控制模塊保存和顯示接收的脈沖電壓信號數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的運(yùn)算法則進(jìn)行計算，在屏幕上顯示半導(dǎo)體漏極電路的曲線，進(jìn)而推算并顯示閾值電壓的曲線。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種脈沖實(shí)時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置及其方法，在源信號發(fā)生端采用可程控多功能信號發(fā)生模塊替換以往測量中的直流電壓電源，通過可程控多功能信號發(fā)生模塊給待測場效應(yīng)管的柵極和漏極提供脈沖電壓，使得柵極的脈沖電壓具有更快的峰值變化速度，而在測量端利用高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊和可變電阻的結(jié)構(gòu)替換了以往測量過程的電流表，使得測量能在變化更快的電壓下進(jìn)行。因此，本儀器相對于之前的測量裝置擁有更廣的測量范圍并且測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，另外整個測量過程通過計算機(jī)控制模塊接收并保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，自動完成繪制，加快了測試的速度。
文檔編號G01R19/165GK102608508SQ20111042904
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者趙策洲, 魏小莽, 黃鼎 申請人:西交利物浦大學(xué), 西安交通大學(xué)蘇州研究院