Introduzione alla caratterizzazione sperimentale dei dispositivi a semiconduttore

1. Introduzione alla caratterizzazione sperimentale dei dispositivi a semiconduttore

2. Caratterizzazione elettrica • Cosa vogliamo misurare? • Setup di misura • Tipi di caraterizzazione e di misura • DC • AC • caratterizzazione high-frequency • Strutture di test

3. Cosa vogliamo misurare? • Esempio: stabilità di processo • Esempio: uniformità degli spessori di ossido sull’intero wafer di silicio

4. Cosa vogliamo misurare? • Esempio: parametri tecnologici dei transistori (VT, tOX, meff) • Esempio: scaling della lunghezza di gate • Cooperazione tra misure, simulazioni e modello analitico

5. Cosa vogliamo misurare? • Performance dei transistori (ION, IOFF, ecc…)

6. Device Under Test (DUT) • Transistore MOS integrato

7. Tipi di caratterizzazione (1) • Test in corrente continua: impiegati per verificarechei DUT assorbano le correntiprevistedaiterminalid’ingresso o dallealimentazioni,e/o eroghino le correntiprevistedaiterminalidiuscita. • Glistrumentitipicamenteutilizzati per questogeneredimisuresonoalimentatori, voltmetri e amperometri; in alternativa, le SMU (Source Measurement Units) integranotuttequestefunzioni.

8. Tipi di caratterizzazione (2) • Test in correntealternata: servono a verificarecheidispositiviabbiano le previstecaratteristiche AC: esempiditalicaratteristichesono la risposta in frequenza, l’ampiezzadibanda, ilrumore, la distorsione, ecc. • Le funzionitipichedeglistrumentiutilizzati per questotipodi test sonoquelledeigeneratoridiformed’onda (simusoidali o meno) e misuratori in correntealternata

9. Tipi di caratterizzazione (3) • Test neldominio del tempo: sonomisurediritardodipropagazione, tempi disalita e discesa, edaltre, utili per esempio per verificarecheildispositivosicomporticorrettamentequandointerfacciato con altri. Le funzionitipichesonoquelledeimisuratoridi (intervallidi) tempo – come per esempioglistrumenti a contatore – e idigitalizzatori ad altafrequenza.

10. Setup di misura • Probe station per misuresu wafer disilicio • Ambientecontrollato(luce, temperatura, vibrazioni, schermatura) • Sonde ad ago (“punte”) per i pad dicontatto • Microscopio(eventualmente con videocamera) • Strumentidimisura e cavi • (eventualmente) PC dotatodiLabView

11. Setup di misura

12. Setup di misura

13. 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

14. S.M.U. • Le SMU sonodispositivicompletamenteprogrammabili (per definire le modalitàdifunzionamento, ma ancheivaloriditensione o correnteerogati e ilmodo in cui essidevonoeventualmentevariarenel tempo) utilizzabili come unitàindipendenti o, in numeroopportuno e opportunamenteprogrammate e sincronizzate, all’internodiunostrumentopiùcomplesso come l’AnalizzatorediParametri

15. 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.

16. 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)

17. 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.

18. S.M.U. Altri esempi di regioni di funzionamento per una S.M.U. (da manuali e cataloghi di case costruttrici):

19. S.M.U.: esempi • CaratteristicaTensione-Correntedi un bipolo: la SMU puòessereprogrammata per forniretensionivariabiletraVmin e Vmaxcon passoDV, misurare la corrente in corrispondenzadiciascunvaloreditensioneimpostata e arrestarel’incrementoditensionenelcaso in cui la correnteassorbitadalbipolosuperieventualmente un determinatovaloreImax

20. 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.

21. 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

22. S.M.U.: esempi • Si utilizza un elettrododiguardiasulquale è riportata la tensionepresentesulcarico • La resistenzadiperditatrailconduttorecentrale e l’elettrododiguardia(sottoposta a differenzadipotenzialepressochénulla) non assorbecorrente

23. S.M.U.: esempi

24. S.M.U.: Iforce measurement • VA1+=VA1-= tensione ai capi di R

25. 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)

26. Parameter Analyzer

27. Parameter Analyzer • I modernianalizzatoridiparametrialloggiano al lorointerno un numerodi SMU generalmentecompresotra 2 e 8, tutteconfigurabilisecondoquantovistoprecedentemente). • dispongonodiunaopportunainterfacciachepermetteall’utentediprogrammarle in manieraagevole, consentendoinoltre la visualizzazionesu display dellecaratteristichemisurate. • è possibile la memorizzazionenumericadirisultatidellemisuresutabelle, ancheneiformatideipiùdiffusifoglidicalcolo e alcuneformedielaborazionedeidatigià “a bordo” dellostrumento

28. Parameter Analyzer • I modernianalizzatoridiparametrialloggiano al lorointerno un numerodi SMU generalmentecompresotra 2 e 8, tutteconfigurabilisecondoquantovistoprecedentemente). • dispongonodiunaopportunainterfacciachepermetteall’utentediprogrammarle in manieraagevole, consentendoinoltre la visualizzazionesu display dellecaratteristichemisurate. • è possibile la memorizzazionenumericadirisultatidellemisuresutabelle, ancheneiformatideipiùdiffusifoglidicalcolo e alcuneformedielaborazionedeidatigià “a bordo” dellostrumento

29. 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-updi misura ogni volta che servono, evitando perdite di tempo e possibilità di errori.

30. 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

31. 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