一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统及方法，该系统包括：信号产生单元、输入探针、信号采集单元、装载有信号调制单元的输出探针、被测器件和控制单元；向被测器件施加一串连续、周期性循环重复的信号，记录器件开启工作后响应的一串连续、周期性循环重复但包含着随机涨落特性的信号，由此获得单个器件循环与循环的随机涨落特性。本发明专利技术测试效率高，可在一次测量中实现对单个器件的多次开关，获得器件的随机涨落特性，显著减少测量时间。本发明专利技术系统的自身噪声低，可有效避免其对器件本征随机涨落的影响。本发明专利技术适用于各类逻辑器件、存储类器件以及芯片阵列单元等各类半导体器件的随机涨落特性的表征。

A system and method for measuring intrinsic random fluctuation characteristics of high-speed devices

【技术实现步骤摘要】
一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统及方法
本专利技术属于半导体器件测试领域，具体涉及一种在对半导体器件尤其使晶体管的本征随机涨落特性进行高速量测的系统及方法。
技术介绍
随着半导体工艺的发展，半导体器件的特征尺寸进入纳米量级时代，器件本征的原子性引起的涨落正在严重影响着超大规模集成电路的稳定性和可靠性。当器件尺寸进一步缩小，尤其是进入45nm技术代后，一系列非理想的工艺条件以及物质的“粒子性”将导致器件的物理尺寸、电学参数偏离其原始的设定值，甚至超出其所容许的波动范围，而且这种偏离对于批次与批次(lottolot)、晶圆与晶圆(wafertowafer)、器件与器件(devicetodevice)、单个器件的循环与循环(cycletocycle)都是随机的，最终导致了器件的随机涨落特性，这已经成为目前先进工艺节点和大规模及超大规模集成电路技术发展的重大挑战。器件的本征随机涨落是指单个器件每次开关的特性的改变，它会受到不同类型的缺陷、及其填充速度和可能的填充的能级和空间位置的影响的填充发生变化。通过对单个器件进行大量的循环的重复的开关测试，才能获得足够多的样本数目，用以这些缺陷的填充行为及填充特性进行统计分析，进而对器件本征的随机涨落特性进行统计分析。但是，传统的半导体参数分析仪，测量一次开关的时间就需要大约几秒钟，而随机涨落特性测试往往需要大量的样本才能进行准确的涨落特性分析，因此需要花费很长的时间来进行此项工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统及方法，显著缩短量测器件本征随机涨落特性的时间，在不牺牲准确度的条件下提高量测效率。本专利技术的目的在于通过以下技术方案实现：一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统，该系统包括：信号产生单元、输入探针、信号采集单元、装载有信号调制单元的输出探针、被测器件和控制单元；所述信号产生单元的第一通道产生并输出一串连续、周期性循环重复的电压信号，作为栅极电压信号，经由输入探针施加在被测器件的栅极；所述信号产生单元的第二通道产生使被测器件工作的偏置电压，作为漏极电压信号，经由输出探针施加在被测器件的漏极；所述输出探针将被测器件开启工作后响应的一串连续、周期性循环重复且包含有随机涨落特性的信号，作为漏极电流信号，传输至信号采集单元；所述信号产生单元的第三通道产生与第一通道幅度、形状、相位完全一致的同步电压信号传输至信号采集单元；所述控制单元控制信号产生单元产生和输出信号、控制信号采集单元采集漏极电流信号和同步电压信号；所述控制单元收集信号采集单元的数据，记录栅极电压信号与时间的关系、漏极电流信号与时间的关系，将连续、周期性循环重复的栅极电压信号、漏极电流信号分别按照各自的周期重复叠加累计，获得器件本征的随机涨落特性。进一步地，所述信号产生单元的第一通道产生并输出的电压信号的周期小于10ns，通过设置成高速且周期性循环的电压，可以在一次测量中实现对器件的多次开关；所述信号产生单元、输入探针、信号采集单元、输出探针的极限带宽满足信号完整传输的要求。进一步地，所述信号产生单元为能够产生并同时输出至少3路信号的设备，包括但不限于任意信号发生器、任意波形发生器、脉冲发生器、码型发生器。进一步地，所述信号采集单元为能够在被测器件每次开启时采集到足够多的数据点的设备，且设备的存储深度满足能够存储所有周期采集的数据点的容量要求，包含但不限于含高速模拟-数字转换器的测量模块、数字存储示波器、数字荧光示波器、采样示波器。进一步地，所述输出探针中装载有信号调制单元，使得在所述信号产生单元的第一通道和第三通道输出高速信号时，仅通过一根探针既可以将高速的漏极电压信号加载在器件漏极，又可以将高速的漏极电流信号无失真地采集和输出。进一步地，所述栅极电压信号的周期、占空比、幅度均可调，包括但不限于阶梯式脉冲信号、三角波、锯齿波信号的连续、周期性循环重复。进一步地，所述信号产生单元、输入探针、信号采集单元、输出探针和被测器件均接入系统的公共接地端。一种利用上述系统高速量测器件本征随机涨落特性的方法，该方法包括：向被测器件的栅极施加一串连续、周期性循环重复的电压信号，同时向被测器件的漏极施加漏极电压信号；采集被测器件开启工作后响应的一串连续、周期性循环重复且包含有随机涨落特性的漏极电流信号；控制单元收集并记录栅极电压信号与时间的关系、漏极电流信号与时间的关系，将连续、周期性循环重复的栅极电压信号、漏极电流信号分别按照各自的周期重复叠加累计，获得器件本征的随机涨落特性。进一步地，在完成对被测器件的本征随机涨落特性的测量后，测量系统的随机噪声，剔除系统自身的噪声引入的对器件本征的随机涨落的影响。本专利技术的有益效果在于：第一，本专利技术测试效率高，可在一次测量中实现对单个器件的多次开关，利用所获得的多次开关的数据统计并分析器件的随机涨落特性，显著减少测量时间。第二，本专利技术所述测试系统的自身噪声低，可有效避免其对器件本征的随机涨落的影响；第三，本专利技术适用范围广泛，可用于逻辑器件如结、电容、晶体管和存储类器件如各类随机存取存储器、阵列单元等各类半导体器件的随机涨落特性的表征。附图说明图1为本专利技术高速量测器件本征随机涨落特性的系统的结构示意图。图2为本专利技术一实时例中高速量测器件本征随机涨落特性时施加的栅极电压信号和漏极电流信号的波形示意图。图3为本专利技术一实施例中通过高速量测得到的晶体管循环开关5万次时栅极电压信号重叠后示意图。图4为本专利技术一实施例中通过高速量测得到晶体管循环开关5万次时相应的漏极电流信号重叠后示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。图1给出了本专利技术所述高速量测器件本征随机涨落特性的系统的结构示意图，该系统包括：高速信号产生单元101、高速输入探针102、高速信号采集单元103、装载了信号调制单元的高速输出探针104、被测器件105、系统控制单元106和公共接地端107；高速信号产生单元101的第一通道产生并输出一串连续、周期性循环重复的高速电压信号，作为栅极电压信号201，经由高速输入探针103施加在被测器件104的栅极，高速信号产生单元101的第二通道产生是被测器件工作的偏置电压，作为漏极电压信号202，经由装载了信号调制单元的高速输出探针103施加在被测器件104的漏极，装载了信号调制单元的高速输出探针103将器件开启工作后响应的一串连续、周期性循环重复但包含着随机涨落特性的高速信号，作为漏极电流信号203，传输至高速信号采集单元105，高速信号产生单元101的第三通道产生与第一通道幅度、形状、相位完全一致的同步的栅极电压信号204传输至高速信号采集单元105，用于信号同步。图2为本专利技术一实时例中高速量测器件本征随机涨落特性时施加的栅极电压信号和漏极电流信号的波形示意图。图(a)为一串连续、周期性循环重复的阶梯式脉冲信号，幅值为0到晶体管工作电压VDD，信号的占空比为50％，作为栅极电压信号，周期的循环次数由所需统计随机涨落特性的样本大小决定；图(b)为晶体管在图(a)所示的栅极电压信号下的相对应的漏极电流响应，同样也是一串连续、周期性循环重复的阶梯式脉冲信号，但是每一周期之间会有细微的差别，将每个周期的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统，其特征在于，该系统包括：信号产生单元(101)、输入探针(102)、信号采集单元(103)、装载有信号调制单元的输出探针(104)、被测器件(105)和控制单元(106)；所述信号产生单元(101)的第一通道产生并输出一串连续、周期性循环重复的电压信号，作为栅极电压信号(201)，经由输入探针(102)施加在被测器件(105)的栅极；所述信号产生单元(101)的第二通道产生使被测器件(105)工作的偏置电压，作为漏极电压信号(202)，经由输出探针(104)施加在被测器件(105)的漏极；所述输出探针(104)将被测器件(105)开启工作后响应的一串连续、周期性循环重复且包含有随机涨落特性的信号，作为漏极电流信号(203)，传输至信号采集单元(103)；所述信号产生单元(101)的第三通道产生与第一通道幅度、形状、相位完全一致的同步电压信号(204)传输至信号采集单元(103)；所述控制单元(106)控制信号产生单元(101)产生和输出信号、控制信号采集单元(105)采集漏极电流信号(203)和同步电压信号(204)；所述控制单元(106)收集信号采集单元(103)的数据，记录栅极电压信号(201)与时间的关系、漏极电流信号(203)与时间的关系，将连续、周期性循环重复的栅极电压信号(201)、漏极电流信号(203)分别按照各自的周期重复叠加累计，获得器件本征的随机涨落特性。...

【技术特征摘要】
1.一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统，其特征在于，该系统包括：信号产生单元(101)、输入探针(102)、信号采集单元(103)、装载有信号调制单元的输出探针(104)、被测器件(105)和控制单元(106)；所述信号产生单元(101)的第一通道产生并输出一串连续、周期性循环重复的电压信号，作为栅极电压信号(201)，经由输入探针(102)施加在被测器件(105)的栅极；所述信号产生单元(101)的第二通道产生使被测器件(105)工作的偏置电压，作为漏极电压信号(202)，经由输出探针(104)施加在被测器件(105)的漏极；所述输出探针(104)将被测器件(105)开启工作后响应的一串连续、周期性循环重复且包含有随机涨落特性的信号，作为漏极电流信号(203)，传输至信号采集单元(103)；所述信号产生单元(101)的第三通道产生与第一通道幅度、形状、相位完全一致的同步电压信号(204)传输至信号采集单元(103)；所述控制单元(106)控制信号产生单元(101)产生和输出信号、控制信号采集单元(105)采集漏极电流信号(203)和同步电压信号(204)；所述控制单元(106)收集信号采集单元(103)的数据，记录栅极电压信号(201)与时间的关系、漏极电流信号(203)与时间的关系，将连续、周期性循环重复的栅极电压信号(201)、漏极电流信号(203)分别按照各自的周期重复叠加累计，获得器件本征的随机涨落特性。2.根据权利要求1所述的一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统，其特征在于，所述信号产生单元(101)的第一通道产生并输出的电压信号的周期小于10ns，通过设置成高速且周期性循环的电压，可以在一次测量中实现对器件的多次开关；所述信号产生单元(101)、输入探针(102)、信号采集单元(103)、输出探针(104)的极限带宽满足信号完整传输的要求。3.根据权利要求1所述的一种高速量测器件本征随机涨落特性的系统，其特征在于，所述信号产生单元(101)为能够产生并同时输出至少3路信号的设备，包括但不限于任意信号发生器、任意波形发生器、脉冲发生器、码...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵毅，曲益明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33