Cosa vogliamo misurare?

Introduzione alla
caratterizzazione sperimentale
dei dispositivi a
semiconduttore
Caratterizzazione elettrica
• Cosa vogliamo misurare?
• Setup di misura
• Tipi di caraterizzazione e di misura
 DC
 AC
 caratterizzazione high-frequency
• Strutture di test
Cosa vogliamo misurare?
• Esempio: stabilità di processo
• Esempio: uniformità degli spessori di ossido
sull’intero wafer di silicio
Cosa vogliamo misurare?
• Esempio: parametri tecnologici dei transistori (VT, tOX, meff)
• Esempio: scaling della lunghezza di gate
• Cooperazione tra misure,
simulazioni e modello
analitico
Cosa vogliamo misurare?
• Performance dei transistori (ION, IOFF, ecc…)
Device Under Test (DUT)
• Transistore MOS integrato
Tipi di caratterizzazione (1)
• Test in corrente continua: impiegati per verificare che i
DUT assorbano le correnti previste dai terminali d’ingresso
o dalle alimentazioni,e/o eroghino le correnti previste dai
terminali di uscita.
• Gli strumenti tipicamente utilizzati per questo genere di
misure sono alimentatori, voltmetri e amperometri; in
alternativa, le SMU (Source Measurement Units) integrano
tutte queste funzioni.
Tipi di caratterizzazione (2)
• Test in corrente alternata: servono a verificare che i
dispositivi abbiano le previste caratteristiche AC: esempi di
tali caratteristiche sono la risposta in frequenza, l’ampiezza
di banda, il rumore, la distorsione, ecc.
• Le funzioni tipiche degli strumenti utilizzati per questo tipo
di test sono quelle dei generatori di forme d’onda
(simusoidali o meno) e misuratori in corrente alternata
Tipi di caratterizzazione (3)
• Test nel dominio del tempo: sono misure di ritardo di
propagazione, tempi di salita e discesa, ed altre, utili per
esempio per verificare che il dispositivo si comporti
correttamente quando interfacciato con altri. Le funzioni
tipiche sono quelle dei misuratori di (intervalli di) tempo –
come per esempio gli strumenti a contatore – e i
digitalizzatori ad alta frequenza.
Setup di misura
• Probe station per misure su wafer di silicio
• Ambiente controllato
(luce, temperatura, vibrazioni, schermatura)
• Sonde ad ago (“punte”) per i pad di contatto
• Microscopio (eventualmente con videocamera)
• Strumenti di misura e cavi
• (eventualmente) PC dotato di LabView
Setup di misura
Setup di misura
S.M.U.
• Source Measurement Unit
• Una SMU è un dispositivo in grado di fornire una
tensione, misurando la corrente erogata (a un carico) o,
alternativamente, di fornire corrente, misurando la tensione
prodotta sul carico.
• Nel primo caso si parla di funzionamento nella modalità
Vforce – Imeasure
• Nel secondo il funzionamento è di tipo
Iforce-Vmeasure
S.M.U.
• Le SMU sono dispositivi completamente programmabili
(per definire le modalità di funzionamento, ma anche i
valori di tensione o corrente erogati e il modo in cui essi
devono eventualmente variare nel tempo) utilizzabili come
unità indipendenti o, in numero opportuno e
opportunamente programmate e sincronizzate, all’interno di
uno strumento più complesso come l’Analizzatore di
Parametri
S.M.U.
Il commutatore evidenzia la possibilità di funzionamento in
una delle due modalità suddette, l’Amperometro consente
la misura della corrente (quando è attivo il generatore di
tensione), mentre il Voltmetro misura la tensione che il
generatore di corrente produce sul carico. Entrambi i
generatori sono programmabili e possono fornire tensione
(o corrente) costante, oppure variabile nel tempo con
andamento a rampa, a gradinata o secondo sequenze di
valori definite dall’utilizzatore.
S.M.U.
• Le SMU possono generalmente fornire o assorbire
potenza; si aprla pertanto di funzionamento su quattro
quadranti. Il punto rappresentativo del funzionamento della
SMU, riportato su un diagramma tensione-corrente (una
volta definito il verso positivo per le tensioni e le correnti)
può infatti essere caratterizzato dal segno concorde di
tensione e corrente (e in questo caso la SMU dissipa
potenza) o discorde (la potenza è allora erogata dalla
SMU)
S.M.U.
In accordo alle definizioni del verso di corrente e tensione,
nelle regioni I e III il dispositivo si comporta da generatore,
mentre nelle regioni II e IV si comporta da carico.
S.M.U.
Altri esempi di regioni di funzionamento per una S.M.U.
(da manuali e cataloghi di case costruttrici):
S.M.U.: esempi
• Caratteristica Tensione-Corrente di un bipolo: la SMU
può essere programmata per fornire tensioni variabile tra
Vmin e Vmax con passo DV, misurare la corrente in
corrispondenza di ciascun valore di tensione impostata e
arrestare l’incremento di tensione nel caso in cui la
corrente assorbita dal bipolo superi eventualmente un
determinato valore Imax
S.M.U.: Vforce measurement
• Percorso A1-R-A2(buffer): anello di reazione negativa;
• VA1+=VA1-=VA2+=VF -> il DUT è polarizzato a V
• Per ottenere la tensione richiesta si opera mediante il
convertitore D-A
• R è percorsa dalla stessa corrente del DUT
• La tensione su R, opportunamente amplificata, determina
una codifica della corrente di carico.
S.M.U.: esempi
• Nel caso in cui il campione assorba una corrente molto
esigua (materiale isolante, giunzione polarizzata
inversamente, struttura MOS), la corrente di perdita
attraverso l’isolante del cavo di collegamento del campione
allo strumento risulta non trascurabile
S.M.U.: esempi
• Si utilizza un elettrodo di guardia sul quale è riportata la
tensione presente sul carico
• La resistenza di perdita tra il conduttore centrale e
l’elettrodo di guardia (sottoposta a differenza di potenziale
pressoché nulla) non assorbe corrente
S.M.U.: esempi
S.M.U.: Iforce measurement
• VA1+=VA1-= tensione ai capi di R
S.M.U.
• Il passaggio da una configurazione Vforce a una Iforce (e
viceversa) avviene in fase di programmazione del
dispositivo, ad opera di opportuni commutatori elettronici.
• La possibilità di lavorare con più valori di R e Ad
condente di modificare la portata nella misura della
corrente (Imeasure) o l’intervallo di valori di corrente
selezionabili (Iforce)
Parameter Analyzer
Parameter Analyzer
• I moderni analizzatori di parametri alloggiano al loro
interno un numero di SMU generalmente compreso tra 2
e 8, tutte configurabili secondo quanto visto
precedentemente).
• dispongono di una opportuna interfaccia che permette
all’utente di programmarle in maniera agevole,
consentendo inoltre la visualizzazione su display delle
caratteristiche misurate.
• è possibile la memorizzazione numerica di risultati delle
misure su tabelle, anche nei formati dei più diffusi fogli di
calcolo e alcune forme di elaborazione dei dati già “a
bordo” dello strumento
Parameter Analyzer
• I moderni analizzatori di parametri alloggiano al loro
interno un numero di SMU generalmente compreso tra 2
e 8, tutte configurabili secondo quanto visto
precedentemente).
• dispongono di una opportuna interfaccia che permette
all’utente di programmarle in maniera agevole,
consentendo inoltre la visualizzazione su display delle
caratteristiche misurate.
• è possibile la memorizzazione numerica di risultati delle
misure su tabelle, anche nei formati dei più diffusi fogli di
calcolo e alcune forme di elaborazione dei dati già “a
bordo” dello strumento
Parameter Analyzer
• sono dotati di lettore floppy per per la memorizzazione
delle misure effettuate e per la loro “esportazione”
• le configurazioni più frequentemente utilizzate possono
anche essere memorizzate e richiamate all’occorrenza;
in questo modo si evita di dover ridefinire complessi
set-up di misura ogni volta che servono, evitando perdite
di tempo e possibilità di errori.
Parameter Analyzer
• la disponibilità di più SMU consente la caratterizzazione
di dispositivi più complessi del semplice bipolo.
• SMU1 in modalità Iforce in modo da imporre una corrente
di base che varia da IB,min a IB,max in un certo numero di
passi (o con un certo incremento DIB). La misura di
tensione ai terminali della SMU permette di ricavare la
relazione tra IB eVBE per diversi valori VCE
•SMU2 programmata Vforce-Imeasure per scandire un
determinato intervallo di valori VCE, misurando IC
Specifiche
• SENSIBILITA’ – la più piccola variazione nel segnale
che può essere rilevata
• RISOLUZIONE – la più piccola porzione del segnale che
può essere osservata
• RIPETIBILITA’ – l’accordo tra successive misure
effettuate sotto le stesse condizioni.
• RIPRODUCIBILITA’ – l’accordo tra misure della stessa
quantità effettuate con un dichiarato cambiamento nelle
condizioni