專利名稱：脈沖實時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種半導(dǎo)體器件性能測試領(lǐng)域，具體涉及ー種脈沖實時場效應(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ー領(lǐng)域具有相當(dāng)先進的技術(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ー種叫做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I)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)是固定值。如果MOSFET的偏置溫度應(yīng)カ時間為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(如4. 32X108個測試點)；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)容本實用新型目的在于提供一種脈沖實時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，使其能過在更快的變化脈沖周期下進行長時間偏置溫度應(yīng)カ測量工作，以提高實驗測量的范圍和精度。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題，本實用新型提供的技術(shù)方案是一種脈沖實時場效應(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，計算機控制模塊通過RS232接ロ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)生模塊和ー個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊能夠根據(jù)計算機控制模塊的指令對柵極脈沖電壓發(fā)生模塊和漏極脈沖電壓發(fā)生模塊進行控制；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，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計算機控制模塊；所述計算機控制模塊發(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，我們還有進ー步的優(yōu)化方案，作為補充，進一歩，所述計算機控制模塊設(shè)置有可改變所述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。更進一歩，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。進ー步，所述計算機控制模塊設(shè)置有用來保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號的按鍵，還設(shè)置有用來自動在計算機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。進ー步，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、峰值以及脈寬進行改變，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。更進一歩，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)管的漏極相連。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本實用新型的優(yōu)點是I.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)カ時間的線性或?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。
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進ー步描述圖I為本實用新型的總體結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實用新型的電路原理圖；圖3為現(xiàn)有閾值電壓參數(shù)測量儀器的電路原理圖；圖4為本實用新型的工作流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例對上述方案做進ー步說明。應(yīng)理解，這些實施例是用于說明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進ー步調(diào)整，未注明的實施條件通常為常規(guī)實驗中的條件。實施例本發(fā)明提供了一種脈沖實時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，如

圖1，它包括計算機控制模塊、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，計算機控制模塊通過RS232接ロ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)生模塊和ー個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊能夠根據(jù)計算機控制模塊的指令對柵極脈沖電壓發(fā)生模塊和漏極脈沖電壓發(fā)生模塊進行控制；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，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計算機控制模塊；計算機控制模塊發(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。所述計算機控制模塊設(shè)置有用來保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號的按鍵，還設(shè)置有用來自動在計算機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)管的漏極相 連。圖3所示的是目前的實時閾值電壓參數(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微妙。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)文獻的說明，這樣就會導(dǎo)致短應(yīng)カ時間內(nèi)數(shù)據(jù)不是十分精確。圖2所示的是本發(fā)明研發(fā)的脈沖實時閾值電壓測量裝置的電路圖。在漏極串入了ー個變值電阻，并在漏極進行電壓數(shù)據(jù)的采集。VDD是外接的脈沖電壓信號(其周期T是應(yīng)カ時間t的線性或?qū)?shù)函數(shù))，VDS是數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測并保存的電壓信號數(shù)據(jù)，R是ー個變值電阻，Id是漏極電流。通過點擊計算機控制模塊的接收按鈕，數(shù)據(jù)采集模塊會將VDS的電壓信號數(shù)據(jù)傳送給計算機控制模塊，計算機控制模塊通過公式〈1>計算并繪制Id隨應(yīng)カ時間t變化的曲線。Id= (Vdd-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，井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VG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)カ時間t的關(guān)系曲線圖，再通過公式計算出閾值電壓Vt與應(yīng)カ時間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是ー種電壓微擾，能夠干擾柵極應(yīng)カ電壓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(n)gm (η) = [Id (Vg+DV) -Id (Vg-DV) ] /2DV<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 (n)-Id (n-1) <3>[0036]根據(jù)〈2X3〉，可以得到Δ Vt (η) =- Δ Id (n) /gm (η) <3>具體工作流程如圖4所示，步驟流程包括步驟ー將計算機控制模塊通過RS232接ロ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；步驟ニ通過計算機控制模塊里的用戶界面，初始化各個模塊，井向脈沖信號發(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)進行實驗；步驟三據(jù)實驗所需的條件設(shè)定脈沖信號的各個參數(shù)值和周期函數(shù)，點擊發(fā)送按鈕。可程控多功能信號發(fā)生模塊接收到來自計算機控制模塊的命令，并按其產(chǎn)生出所需的 脈沖電壓信號輸出給MOSFET的柵極。計算機顯示VDD-t關(guān)系曲線和VG-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)傳到計算機控制模模塊，計算機顯示VDS-t關(guān)系曲線；步驟五點擊計算機控制模塊的計算按鈕，計算機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)，進ー步從漏極電流的數(shù)據(jù)推出閾值電壓的變化曲線(vt-t關(guān)系曲線)。上述實例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種脈沖實時場效應(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，計算機控制模塊通過RS232接ロ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)生模塊和ー個數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊能夠根據(jù)計算機控制模塊的指令對柵極脈沖電壓發(fā)生模塊和漏極脈沖電壓發(fā)生模塊進行控制； 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，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端連接到計算機控制模塊； 所述計算機控制模塊發(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，所述計算機控制模塊設(shè)置有可改變所述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，所述計算機控制模塊設(shè)置有用來保存高速電壓數(shù)據(jù)采集模塊信號的按鍵，還設(shè)置有用來自動在計算機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)管的漏極相連。
專利摘要本實用新型提供了一種脈沖實時場效應(yīng)管閾值電壓參數(shù)自動測量裝置，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G01R31/26GK202661592SQ20112053604
公開日2013年1月9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, 黃鼎, 魏小莽 申請人:西交利物浦大學(xué), 西安交通大學(xué)蘇州研究院