專利名稱：脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件性能測試領域，具體涉及一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置及其方法。
背景技術：
隨著MOS器件的廣泛運用，觀察和監測MOSFET偏置溫度不穩定性的需求也在逐漸曾加。偏置溫度不穩定性指的是MOSFET的閾值電壓在一定偏置和溫度下會呈現出不穩定的特性。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域具有相當先進的技術，他們分別是吉時利和安捷倫。 他們制造的該類型產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時間。比如，吉時利2600只能支持200 微秒的最小持續時間，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時間(周期)是給定值。如果MOSFET的偏置溫度應力時間為24 小時，短的峰值持續時間(如200微秒)，將產生太多的測試點(如4. 32X108個測試點)；而長的峰值持續時間(如I秒)，將無法測試I秒以內的閾值電壓的大小和變化。
發明內容
本發明目的在于提供一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數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行長時間偏置溫度應力測量工作，以提高實驗測量的范圍和精度。為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供了一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，具體的技術方案是
一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，它包括計算機控制模塊、可程控多功能脈沖信號發生模塊和高速電壓數據采集模塊，計算機控制模塊通過RS232接口分別與可程控多功能脈沖信號發生模塊、高速電壓數據采集模塊相連接；可程控多功能脈沖信號發生模塊包括柵極脈沖電壓發生模塊、漏極脈沖電壓發生模塊和一個數字/模擬轉換模塊；所述高速電壓數據采集模塊的信號輸入端連接待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端，數據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包括發送確定脈沖信號特征的指令，接收并保存數據、顯示數據。對于上述技術方案，我們還有進一步的優化方案，作為補充，進一步，所述計算機控制模塊設置有可改變所屬可程控多功能信號發生模塊發送的脈沖信號的波形、周期與測試時間的關系、電壓峰值和脈寬的按鍵。更進一步，可程控多功能信號發生模塊發送的脈沖信號的周期與測試時間的關系分線性關系和對數關系兩種。進一步，所述計算機控制模塊設置有保存來自高速電壓數據采集模塊信號的按鍵和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。進一步，可程控多功能信號發生模塊可在同一時間軸下發送不同的脈沖信號；柵極脈沖電壓發生信號模塊能夠對脈沖信號的波形、周期與測試時間的關系、峰值以及脈寬進行改變，而漏極脈沖電壓發生模塊能夠產生周期與柵極相同的脈沖信號。更進一步，漏極脈沖電壓發生模塊與一可變電阻相連后接入待測場效應管的漏極，高速電壓數據采集模塊的接收端與待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端相連。本發明還提供了一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量方法，具體的技術方案如下
一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量方法，它包括計算機控制模塊、可程控多功能脈沖信號發生模塊和高速電壓數據采集模塊，具體包括以下測量步驟
步驟一將可程控多功能信號發生模塊、高速電壓數據采集模塊通過RS232接口分別和計算機控制模塊相連，并且將可程控多功能信號發生模塊的輸出端接入待測場效應管的柵極和漏極，高速電壓數據采集模塊的接收端與待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端相連；
步驟二 在計算機控制模塊上設置控制可程控多功能信號發生模塊信號輸出的參數， 并初始化各個模塊，并且發送自檢信號；
步驟三在計算機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系、峰值、脈寬進行設定；
步驟四可以通過可程控多功能信號發生模塊將產生的具有特定特征的脈沖信號輸入待測場效應管，高速電壓數據采集模塊會接收并保存待測場效應管輸出的脈沖電壓信號； 步驟五高速電壓數據采集模塊會將接收的脈沖電壓信號轉化成數字信號，然后傳送給計算機控制模塊；
步驟六計算機控制模塊保存和顯示接收的脈沖電壓信號數據，根據內部設定的運算法則進行計算，在屏幕上顯示半導體漏極電路的曲線，進而推算并顯示閾值電壓的曲線。相對于現有技術中的方案，本發明的優點是
1.本發明在源信號發生端采用可程控多功能信號發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生模塊給待測場效應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據采集模塊和可變電阻的結構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，從而使測量結果更為準確，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據采集模塊的數據，自動完成繪制，加快了測試的速度；
2.本發明所提供的測量裝置制作成本低，遠低于現有設備，可大大節省測量成本；
3.本發明具有設定脈沖信號周期函數(偏置溫度應力時間的線性或對數函數)、峰值以及脈寬三個變量/函數的輸入按鈕，具有向可程控多功能信號發生模塊發送數據的發送按鈕和終止傳送的按鈕，此外還具有接收高速電壓數據采集模塊數據的按鈕以及保存并繪制接收到的數據的按鈕，功能全面而且提供多樣選擇，界面合理而且更為人性化。
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
圖I為本發明的總體結構框圖2為本發明的電路原理圖3為現有閾值電壓參數測量儀器的電路原理圖4為本發明的工作流程圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例對上述方案做進一步說明。應理解，這些實施例是用于說明本發明而不限于限制本發明的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據具體廠家的條件做進一步調整，未注明的實施條件通常為常規實驗中的條件。實施例I :
本發明提供了一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，如圖I它包括計算機控制模塊、可程控多功能脈沖信號發生模塊和高速電壓數據采集模塊，計算機控制模塊通過RS232接口分別與可程控多功能脈沖信號發生模塊、高速電壓數據采集模塊相連接； 可程控多功能脈沖信號發生模塊包括柵極脈沖電壓發生模塊、漏極脈沖電壓發生模塊和一個數字/模擬轉換模塊；高速電壓數據采集模塊的信號輸入端連接待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端，數據采集模塊的輸出端連接到計算機控制模塊；計算機控制模塊包括發送確定脈沖信號特征的指令，接收并保存數據、顯示數據。計算機控制模塊設置有可改變所屬可程控多功能信號發生模塊發送的脈沖信號的波形、周期與測試時間的關系、電壓峰值和脈寬的按鍵。計算機控制模塊還設置有保存來自高速電壓數據采集模塊信號的按鍵和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生模塊可在同一時間軸下發送不同的脈沖信號；柵極脈沖電壓發生信號模塊能夠對脈沖信號的波形、周期、峰值以及脈寬進行改變，而漏極脈沖電壓發生模塊能夠產生周期與柵極相同的脈沖信號。漏極脈沖電壓發生模塊與一可變電阻相連后接入待測場效應管的漏極，高速電壓數據采集模塊的接收端與待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端相連。圖3所示的是目前的實時閾值電壓參數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，電流表監測漏極的電流，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，根據文獻的說明，這樣就會導致短應力時間內數據不是十分精確。圖2所示的是本發明研發的脈沖實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，并在漏極進行電壓數據的采集。Vdd是外接的脈沖電壓信號(其周期T是應力時間t的線性或對數函數)，Vds是數據采集模塊3監測并保存的電壓信號數據，R是一個變值電阻，Id是漏極電流。通過點擊計算機控制模塊的接收按鈕，數據采集模塊3會將Vds 的電壓信號數據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隨應力時間t變化的曲線。Id= (Vw- VDS) /R<1>
從上述漏極電流推導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、中間值應力電壓Vg和谷值Vg-DV)。這樣在MOSFET的漏極監測電流信號 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)]。經過η組后，得到η組Id的值，能夠繪制出Id與應力時間 t的關系曲線圖，再通過公式計算出閾值電壓Vt與應力時間t的曲線圖。從漏極電流推導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，能夠干擾柵極應力電壓Vg。在提供如圖的柵極電壓和漏極電壓后，MOSFET 會產生第η組跨導gm (η)
gM = Ud{Vg+DV)~ IAVg-D^/^DV<2>
然后，取每三組漏極電流中對應位置的漏極電流數據來取差值
Δ Id{n) = Id(ji) -<3>
根據〈2X3〉，可以得到
Δ Vt (n) = - A Id (n) ZgmQ])〈3>
實施例2
本實施例提供了一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量方法，步驟流程如圖4 所示，具體如下
步驟一將計算機控制模塊通過RS232接口與可程控多功能信號發生模塊和高速電壓數據采集模塊連接，并且將可程控多功能信號發生模塊的輸出端以及高速電壓數據采集模塊的輸入端分別按圖一與MOSFET相連接；
步驟二 通過計算機控制模塊里的用戶界面，初始化各個模塊，并向脈沖信號發生模塊發送一組自檢信號，在確定一切都正常的情況下，繼續進行實驗；
步驟三據實驗所需的條件設定脈沖信號的各個參數值和周期函數，點擊發送按鈕。可程控多功能信號發生模塊接收到來自計算機控制模塊的命令，并按其產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關系曲線和Ve - t關系曲線；
步驟四高速電壓數據采集模塊在MOSFET的漏極端監測并將監測到的數據傳到計算機控制模模塊，計算機顯示Vds - t關系曲線；
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置的公式計算出漏極電流的變化曲線(Id - t關系曲線)，進一步從漏極電流的數據推出閾值電壓的變化曲線(AVt - t關系曲線)。上述實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人是能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，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生模塊和高速電壓數據采集模塊，計算機控制模塊通過 RS232接口分別與可程控多功能脈沖信號發生模塊、高速電壓數據采集模塊相連接；可程控多功能脈沖信號發生模塊包括柵極脈沖電壓發生模塊、漏極脈沖電壓發生模塊和一個數字/模擬轉換模塊；所述高速電壓數據采集模塊的信號輸入端連接待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端，數據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包括發送確定脈沖信號特征的指令，接收并保存數據、顯示數據。
2.根據權利要求I所述的脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，其特征在于，所述計算機控制模塊設置有可改變所屬可程控多功能信號發生模塊發送的脈沖信號的波形、周期與測試時間的關系、電壓峰值和脈寬的按鍵。
3.根據權利要求2所述的脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，其特征在于，可程控多功能信號發生模塊發送的脈沖信號的周期與測試時間的關系分線性關系和對數關系兩種。
4.根據權利要求I所述的脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，其特征在于，所述計算機控制模塊設置有保存來自高速電壓數據采集模塊信號的按鍵和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.根據權利要求I或2或3所述的脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，其特征在于，可程控多功能信號發生模塊可在同一時間軸下發送不同的脈沖信號；柵極脈沖電壓發生信號模塊能夠對脈沖信號的波形、周期、峰值以及脈寬進行改變，而漏極脈沖電壓發生模塊能夠產生周期與柵極相同的脈沖信號。
6.根據權利要求I所述的脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置，其特征在于，漏極脈沖電壓發生模塊與一可變電阻相連后接入待測場效應管的漏極，高速電壓數據采集模塊的接收端與待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端相連。
7.—種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量方法，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生模塊和高速電壓數據采集模塊，具體包括以下測量步驟步驟一將可程控多功能信號發生模塊、高速電壓數據采集模塊通過RS232接口分別和計算機控制模塊相連，并且將可程控多功能信號發生模塊的輸出端接入待測場效應管的柵極和漏極，高速電壓數據采集模塊的接收端與待測場效應管的漏極和可程控多功能信號發生模塊的兩個輸出端相連；步驟二 在計算機控制模塊上設置控制可程控多功能信號發生模塊信號輸出的參數， 并初始化各個模塊，并且發送自檢信號；步驟三在計算機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系、峰值、脈寬進行設定；步驟四可以通過可程控多功能信號發生模塊將產生的具有特定特征的脈沖信號輸入待測場效應管，高速電壓數據采集模塊會接收并保存輸入的脈沖信號以及待測場效應管輸出的脈沖電壓信號；步驟五高速電壓數據采集模塊會將接收的脈沖電壓信號轉化成數字信號，然后傳送給計算機控制模塊；步驟六計算機控制模塊保存和顯示接收的脈沖電壓信號數據，根據內部設定的運算法則進行計算，在屏幕上顯示半導體漏極電路的曲線，進而推算并顯示閾值電壓的曲線。
全文摘要
本發明提供了一種脈沖實時場效應管閾值電壓參數自動測量裝置及其方法，在源信號發生端采用可程控多功能信號發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生模塊給待測場效應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據采集模塊和可變電阻的結構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。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果更為準確，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據采集模塊的數據，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 優先權日2011年12月20日
發明者趙策洲, 魏小莽, 黃鼎 申請人:西交利物浦大學, 西安交通大學蘇州研究院