专利名称：脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件性能测试领域，具体涉及一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置及其方法。
背景技术：
随着MOS器件的广泛运用，观察和监测MOSFET偏置温度不稳定性的需求也在逐渐曾加。偏置温度不稳定性指的是MOSFET的阈值电压在一定偏置和温度下会呈现出不稳定的特性。通常来说，10%的阈值电压变化就会引起逻辑和记忆电路无法正常启动。因此，测量阈值电压的变化具有重要的意义。目前有两家公司在这一领域具有相当先进的技术，他们分别是吉时利和安捷伦。 他们制造的该类型产品的核心测量方法都是一种叫做on-the-fly的间接测量法。用直流电压源对MOSFET的栅极和漏极提供特定的直流电压，然后通过安置在漏极的直流电流表读取漏极电流，最后通过漏极电流推算出阈值电压的大小和变化。然而，目前的测量方法最大缺陷就是
1)无法再缩小所给的栅极直流电压峰值的持续时间。比如，吉时利2600只能支持200 微秒的最小持续时间，安捷伦B1500也只能支持100微秒。而且，这两件仪器的价格都较昂贵，如安捷伦B1500需要45000美元；
2)直流电压峰值的持续时间(周期)是给定值。如果MOSFET的偏置温度应力时间为24 小时，短的峰值持续时间(如200微秒)，将产生太多的测试点(如4. 32X108个测试点)；而长的峰值持续时间(如I秒)，将无法测试I秒以内的阈值电压的大小和变化。
发明内容
本发明目的在于提供一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置及其方法，使其能过在更快的变化脉冲周期下进行长时间偏置温度应力测量工作，以提高实验测量的范围和精度。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供了一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，具体的技术方案是
一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，它包括计算机控制�？�、可程控多功能脉冲信号发生�？楹透咚俚缪故莶杉？椋扑慊刂颇？橥ü齊S232接口分别与可程控多功能脉冲信号发生�？椤⒏咚俚缪故莶杉？橄嗔樱豢沙炭囟喙δ苈龀逍藕欧⑸？榘ㄕぜ龀宓缪狗⑸？椤⒙┘龀宓缪狗⑸？楹鸵桓鍪�/模拟转换�？椋凰龈咚俚缪故莶杉？榈男藕攀淙攵肆哟獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆耍莶杉？榈氖涑龆肆拥郊扑慊刂颇？椋凰黾扑慊刂颇？榘ǚ⑺腿范龀逍藕盘卣鞯闹噶睿邮詹⒈４媸�、显示数据。对于上述技术方案，我们还有进一步的优化方案，作为补充，进一步，所述计算机控制模块设置有可改变所属可程控多功能信号发生�？榉⑺偷穆龀逍藕诺牟ㄐ�、周期与测试时间的关系、电压峰值和脉宽的按键。更进一步，可程控多功能信号发生�？榉⑺偷穆龀逍藕诺闹芷谟氩馐允奔涞墓叵捣窒咝怨叵岛投允叵盗街�。进一步，所述计算机控制�？樯柚糜斜４胬醋愿咚俚缪故莶杉？樾藕诺陌醇妥远诩扑慊聊簧舷允韭龀宓缪�、漏极电流和阈值电压特性曲线的按键。进一步，可程控多功能信号发生�？榭稍谕皇奔渲嵯路⑺筒煌穆龀逍藕牛徽ぜ龀宓缪狗⑸藕拍？槟芄欢月龀逍藕诺牟ㄐ�、周期与测试时间的关系、峰值以及脉宽进行改变，而漏极脉冲电压发生模块能够产生周期与栅极相同的脉冲信号。更进一步，漏极脉冲电压发生�？橛胍豢杀涞缱柘嗔蠼尤氪獬⌒в艿穆┘咚俚缪故莶杉？榈慕邮斩擞氪獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆讼嗔１痉⒚骰固峁┝艘恢致龀迨凳背⌒в茔兄档缪共问远饬糠椒ǎ咛宓募际醴桨溉缦�
一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量方法，它包括计算机控制模块、可程控多功能脉冲信号发生�？楹透咚俚缪故莶杉？椋咛灏ㄒ韵虏饬坎街�
步骤一将可程控多功能信号发生模块、高速电压数据采集模块通过RS232接口分别和计算机控制�？橄嗔⑶医沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈氖涑龆私尤氪獬⌒в艿恼ぜ吐┘咚俚缪故莶杉？榈慕邮斩擞氪獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆讼嗔�
步骤二 在计算机控制�？樯仙柚每刂瓶沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？樾藕攀涑龅牟问� 并初始化各个模块，并且发送自检信号；
步骤三在计算机控制�？榈挠没Ы缑娑运杪龀逍藕诺牟ㄐ�、周期与测试时间的关系、峰值、脉宽进行设定；
步骤四可以通过可程控多功能信号发生�？榻木哂刑囟ㄌ卣鞯穆龀逍藕攀淙氪獬⌒в埽咚俚缪故莶杉？榛峤邮詹⒈４娲獬⌒в苁涑龅穆龀宓缪剐藕牛� 步骤五高速电压数据采集�？榛峤邮盏穆龀宓缪剐藕抛墒中藕牛缓蟠透扑慊刂颇？椋�
步骤六计算机控制�？楸４婧拖允窘邮盏穆龀宓缪剐藕攀荩菽诓可瓒ǖ脑怂惴ㄔ蚪屑扑悖谄聊簧舷允景氲继迓┘缏返那撸扑悴⑾允俱兄档缪沟那�。相对于现有技术中的方案，本发明的优点是
1.本发明在源信号发生端采用可程控多功能信号发生模块替换以往测量中的直流电压电源，通过可程控多功能信号发生�？楦獬⌒в艿恼ぜ吐┘峁┞龀宓缪梗沟谜ぜ穆龀宓缪咕哂懈斓姆逯当浠俣龋诓饬慷死酶咚俚缪故莶杉？楹涂杀涞缱璧慕峁固婊涣艘酝饬抗痰牡缌鞅恚沟貌饬磕茉诒浠斓牡缪瓜陆校佣共饬拷峁既罚硗庹霾饬抗掏ü扑慊刂颇？榻邮詹⒈４娓咚俚缪故莶杉？榈氖荩远瓿苫嬷疲涌炝瞬馐缘乃俣龋�
2.本发明所提供的测量装置制作成本低，远低于现有设备，可大大节省测量成本；
3.本发明具有设定脉冲信号周期函数(偏置温度应力时间的线性或对数函数)、峰值以及脉宽三个变量/函数的输入按钮，具有向可程控多功能信号发生�？榉⑺褪莸姆⑺桶磁ズ椭罩勾偷陌磁ィ送饣咕哂薪邮崭咚俚缪故莶杉？槭莸陌磁ヒ约氨４娌⒒嬷平邮盏降氖莸陌磁ィδ苋娑姨峁┒嘌≡瘢缑婧侠矶腋诵曰�。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
图I为本发明的总体结构框图2为本发明的电路原理图3为现有阈值电压参数测量仪器的电路原理图4为本发明的工作流程图。
具体实施例方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。实施例I :
本发明提供了一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，如图I它包括计算机控制�？�、可程控多功能脉冲信号发生�？楹透咚俚缪故莶杉？椋扑慊刂颇？橥ü齊S232接口分别与可程控多功能脉冲信号发生�？�、高速电压数据采集�？橄嗔樱� 可程控多功能脉冲信号发生模块包括栅极脉冲电压发生�？�、漏极脉冲电压发生�？楹鸵桓鍪�/模拟转换�？椋桓咚俚缪故莶杉？榈男藕攀淙攵肆哟獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆耍莶杉？榈氖涑龆肆拥郊扑慊刂颇？椋患扑慊刂颇？榘ǚ⑺腿范龀逍藕盘卣鞯闹噶睿邮詹⒈４媸�、显示数据。计算机控制�？樯柚糜锌筛谋渌艨沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榉⑺偷穆龀逍藕诺牟ㄐ�、周期与测试时间的关系、电压峰值和脉宽的按键。计算机控制�？榛股柚糜斜４胬醋愿咚俚缪故莶杉？樾藕诺陌醇妥远诩扑慊聊簧舷允韭龀宓缪�、漏极电流和阈值电压特性曲线的按键。另外可程控多功能信号发生�？榭稍谕皇奔渲嵯路⑺筒煌穆龀逍藕牛徽ぜ龀宓缪狗⑸藕拍？槟芄欢月龀逍藕诺牟ㄐ�、周期、峰值以及脉宽进行改变，而漏极脉冲电压发生模块能够产生周期与栅极相同的脉冲信号。漏极脉冲电压发生�？橛胍豢杀涞缱柘嗔蠼尤氪獬⌒в艿穆┘咚俚缪故莶杉？榈慕邮斩擞氪獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆讼嗔�。图3所示的是目前的实时阈值电压参数测量装置的电路原理图，电流表是目前的实时阈值电压测量中必不可少的原件。在MOSFET的栅极给予输入电压的时候，电流表监测漏极的电流，电流表能够探测到的电流变化速度不能小于100微秒。由于漏极电压的变化速度是和栅极电压的变化速度成正比的，也就是说栅极电压的变化速度也不能过快，根据文献的说明，这样就会导致短应力时间内数据不是十分精确。图2所示的是本发明研发的脉冲实时阈值电压测量装置的电路图。在漏极串入了一个变值电阻，并在漏极进行电压数据的采集。Vdd是外接的脉冲电压信号(其周期T是应力时间t的线性或对数函数)，Vds是数据采集�？�3监测并保存的电压信号数据，R是一个变值电阻，Id是漏极电流。通过点击计算机控制�？榈慕邮瞻磁ィ莶杉？�3会将Vds 的电压信号数据传送给计算机控制�？椋扑慊刂颇？橥ü健�1>计算并绘制Id随应力时间t变化的曲线。Id= (Vw- VDS) /R<1>
从上述漏极电流推导出阈值电压的过程如下给MOSFET的漏极加上如图所示的电压， 源极接地，并向栅极提供如图所示的脉冲电压VG (该脉冲的周期与Vdd相同，电压信号Ve 有峰值Vg+DV、中间值应力电压Vg和谷值Vg-DV)。这样在MOSFET的漏极监测电流信号 Vds，这样每一组脉冲信号就可以得到三个漏极电流的值[峰值电流Id(Vg+DV)、中间值电流 Id(Vg)和谷值电流Id(Vg-DV)]。经过η组后，得到η组Id的值，能够绘制出Id与应力时间 t的关系曲线图，再通过公式计算出阈值电压Vt与应力时间t的曲线图。从漏极电流推导到阈值电压需要如下的步骤。一种如图所示的栅极电压，土DV是一种电压微扰，能够干扰栅极应力电压Vg。在提供如图的栅极电压和漏极电压后，MOSFET 会产生第η组跨导gm (η)
gM = Ud{Vg+DV)~ IAVg-D^/^DV<2>
然后，取每三组漏极电流中对应位置的漏极电流数据来取差值
Δ Id{n) = Id(ji) -<3>
根据〈2X3〉，可以得到
Δ Vt (n) = - A Id (n) ZgmQ])〈3>
实施例2
本实施例提供了一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量方法，步骤流程如图4 所示，具体如下
步骤一将计算机控制�？橥ü齊S232接口与可程控多功能信号发生�？楹透咚俚缪故莶杉？榱樱⑶医沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈氖涑龆艘约案咚俚缪故莶杉？榈氖淙攵朔直鸢赐家挥隡OSFET相连接；
步骤二 通过计算机控制�？槔锏挠没Ы缑妫跏蓟鞲瞿？椋⑾蚵龀逍藕欧⑸？榉⑺鸵蛔樽约煨藕牛谌范ㄒ磺卸颊５那榭鱿拢绦惺笛椋�
步骤三据实验所需的条件设定脉冲信号的各个参数值和周期函数，点击发送按钮。可程控多功能信号发生�？榻邮盏嚼醋约扑慊刂颇？榈拿睿雌洳鏊璧穆龀宓缪剐藕攀涑龈鳰OSFET的栅极。计算机显示Vdd - t关系曲线和Ve - t关系曲线；
步骤四高速电压数据采集�？樵贛OSFET的漏极端监测并将监测到的数据传到计算机控制模模块，计算机显示Vds - t关系曲线；
步骤五点击计算机控制�？榈募扑惆磁ィ扑慊刂颇？槟芄煌ü谥玫墓郊扑愠雎┘缌鞯谋浠�(Id - t关系曲线)，进一步从漏极电流的数据推出阈值电压的变化曲线(AVt - t关系曲线)。上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，其特征在于，它包括计算机控制模块、可程控多功能脉冲信号发生�？楹透咚俚缪故莶杉？椋扑慊刂颇？橥ü� RS232接口分别与可程控多功能脉冲信号发生模块、高速电压数据采集�？橄嗔樱豢沙炭囟喙δ苈龀逍藕欧⑸？榘ㄕぜ龀宓缪狗⑸？�、漏极脉冲电压发生�？楹鸵桓鍪�/模拟转换�？椋凰龈咚俚缪故莶杉？榈男藕攀淙攵肆哟獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆耍莶杉？榈氖涑龆肆拥郊扑慊刂颇？椋凰黾扑慊刂颇？榘ǚ⑺腿范龀逍藕盘卣鞯闹噶睿邮詹⒈４媸荨⑾允臼荨�
2.根据权利要求I所述的脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，其特征在于，所述计算机控制�？樯柚糜锌筛谋渌艨沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榉⑺偷穆龀逍藕诺牟ㄐ巍⒅芷谟氩馐允奔涞墓叵�、电压峰值和脉宽的按键。
3.根据权利要求2所述的脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，其特征在于，可程控多功能信号发生�？榉⑺偷穆龀逍藕诺闹芷谟氩馐允奔涞墓叵捣窒咝怨叵岛投允叵盗街帧�
4.根据权利要求I所述的脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，其特征在于，所述计算机控制�？樯柚糜斜４胬醋愿咚俚缪故莶杉？樾藕诺陌醇妥远诩扑慊聊簧舷允韭龀宓缪�、漏极电流和阈值电压特性曲线的按键。
5.根据权利要求I或2或3所述的脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，其特征在于，可程控多功能信号发生模块可在同一时间轴下发送不同的脉冲信号；栅极脉冲电压发生信号�？槟芄欢月龀逍藕诺牟ㄐ�、周期、峰值以及脉宽进行改变，而漏极脉冲电压发生模块能够产生周期与栅极相同的脉冲信号。
6.根据权利要求I所述的脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置，其特征在于，漏极脉冲电压发生�？橛胍豢杀涞缱柘嗔蠼尤氪獬⌒в艿穆┘咚俚缪故莶杉？榈慕邮斩擞氪獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆讼嗔�。
7.—种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量方法，其特征在于，它包括计算机控制模块、可程控多功能脉冲信号发生�？楹透咚俚缪故莶杉？椋咛灏ㄒ韵虏饬坎街璨街枰唤沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？�、高速电压数据采集�？橥ü齊S232接口分别和计算机控制�？橄嗔⑶医沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈氖涑龆私尤氪獬⌒в艿恼ぜ吐┘咚俚缪故莶杉？榈慕邮斩擞氪獬⌒в艿穆┘涂沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？榈牧礁鍪涑龆讼嗔徊街瓒� 在计算机控制�？樯仙柚每刂瓶沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？樾藕攀涑龅牟问� 并初始化各个�？椋⑶曳⑺妥约煨藕牛徊街枞诩扑慊刂颇？榈挠没Ы缑娑运杪龀逍藕诺牟ㄐ�、周期与测试时间的关系、峰值、脉宽进行设定；步骤四可以通过可程控多功能信号发生�？榻木哂刑囟ㄌ卣鞯穆龀逍藕攀淙氪獬⌒в埽咚俚缪故莶杉？榛峤邮詹⒈４媸淙氲穆龀逍藕乓约按獬⌒в苁涑龅穆龀宓缪剐藕牛徊街栉甯咚俚缪故莶杉？榛峤邮盏穆龀宓缪剐藕抛墒中藕牛缓蟠透扑慊刂颇？椋徊街枇扑慊刂颇？楸４婧拖允窘邮盏穆龀宓缪剐藕攀荩菽诓可瓒ǖ脑怂惴ㄔ蚪屑扑悖谄聊簧舷允景氲继迓┘缏返那撸扑悴⑾允俱兄档缪沟那�。
全文摘要
本发明提供了一种脉冲实时场效应管阈值电压参数自动测量装置及其方法，在源信号发生端采用可程控多功能信号发生�？樘婊灰酝饬恐械闹绷鞯缪沟缭矗ü沙炭囟喙δ苄藕欧⑸？楦獬⌒в艿恼ぜ吐┘峁┞龀宓缪梗沟谜ぜ穆龀宓缪咕哂懈斓姆逯当浠俣龋诓饬慷死酶咚俚缪故莶杉？楹涂杀涞缱璧慕峁固婊涣艘酝饬抗痰牡缌鞅恚沟貌饬磕茉诒浠斓牡缪瓜陆�。因此，本仪器相对于之前的测量装置拥有更广的测量范围并且测量结果更为准确，另外整个测量过程通过计算机控制�？榻邮詹⒈４娓咚俚缪故莶杉？榈氖荩远瓿苫嬷疲涌炝瞬馐缘乃俣�。
文档编号G01R19/165GK102608508SQ20111042904
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者赵策洲, 魏小莽, 黄鼎 申请人:西交利物浦大学, 西安交通大学苏州研究院
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