专利名称：脉冲i-v与脉冲c-v半导体参数自动测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及半导体材料器件性能测试领域，涉及一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体 参数测量系统和方法。
背景技术：
如今我们使用的MOS (金属_氧化物_半导体)器件，由于结构的不完美性会在其 氧化物即栅介质(3102或!1 )2等)层中引入电荷或能量状态，从而对器件的稳定性造成影 响，这些电荷与能量状态统称为缺陷。随着半导体器件尺寸的不断减�。氲继迤骷�(主要 是MOS器件)的漏电流对其性能的影响越来越明显，而器件生产过程中产生的缺陷或外部 应力诱发的缺陷会产生一定的漏电流，当漏电流达到一定程度将会使器件失效。为了研究缺陷对器件参数漂移和性能退化的影响，一般通过I_V(电流-电压)与 C-V(电容-电压)测量来探测缺陷的充电与放电过程，从而评估器件中栅介质材料的缺陷 密度。普通的测量方法其测量速度一般为秒级，但半导体器件栅介质-半导体界面附近的 缺陷充放电时间远远小于1秒，由于测量速度过慢会无法探测到部分栅介质-半导体界面 缺陷的充放电过程，从而严重低估栅介质界面附近的缺陷密度。为了克服这个问题，研究者 发明了脉冲I-V与脉冲C-V测量技术，通过将普通的测量电压改为脉冲电压，使测试速度提 高到了微秒级，从而能够更好的探测整个栅介质层中缺陷的充放电过程。但是，目前脉冲I-V与脉冲C-V测量一般都采用自搭电路，通过将脉冲发生器与示 波器等器件连接起来进行手动测量。由于自搭电路的不稳定性，导致实验结果不可靠。并 且测量仪器都是手动进行参数的设置，导致测试效率低下并可能引入人为操作误差，使得 测量结果不精确。同时自搭电路对于实验数据的保存也比较困难。另外，现有的各种检测 仪器价格昂贵，使用于脉冲I-V与脉冲C-V测量的整套系统价格不菲。而现有的一些脉冲I-V与脉冲C-V测试仪器通常只具有部分测量功能。单通道的 测量仪器通常需要多个仪器组合来完成一次测量过程。还有的测量仪器只具有测量功能， 需要依靠外接示波器来完成波形的显示功能。这些都导致了测量成本的增加。还有的测量 系统由于其产生脉冲电压周期的限制，从而影响了系统的测量范围和使用范围。
发明内容
本发明目的是为了克服以上问题，提供一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动 测量装置和方法，造价便宜，测量方便快速，并能快速保存测量数据。整个实验过程自动进 行，数据自动处理并直接在屏幕上实现I-V、C-V特性曲线的绘制，提高测试效率。本发明的技术方案是一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，包括脉 冲信号发生模块、电流转换�？�、数据采集�？椋拱ㄓ肎PIB接口分别和脉冲信号发生 �？�、电流转换�？�、数据采集�？橄嗔拥募扑慊刂颇？椋凰雎龀逍藕欧⑸？椴� 脉冲周期、电压峰值、边沿上升时间和脉冲数量由计算机控制�？樯瓒ǖ穆龀逍藕牛凰龅� 流转换�？榘龀濡�-ν测试电流转换�？橛肼龀錍-V测试电流转换�？椋馄骷奈⒌缌鞣糯螅⒆晃缪剐藕牛凰鍪莶杉？榘Ｄ�/数字转换装置，数据采 集�？榈男藕攀淙攵朔直鹆勇龀逍藕欧⑸？橛氲缌髯荒？榈男藕攀涑龆耍湫藕攀� 出端连接计算机控制�？椋藕糯突丶扑慊刂颇？椋凰黾扑慊刂颇？榘ń邮铡� 保存数据的存储装置和用于显示I-V或C-V特性曲线的屏幕。进一步的，所述脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置的计算机控制模块 上设置有保存来自数据采集�？樾藕诺陌醇＝徊降模雎龀錓-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置的计算机控制�？� 上设置有自动在计算机屏幕上绘制I-V或C-V特性曲线的按键。进一步的，所述脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置的计算机控制模块 上设置有改变所述脉冲信号发生�？榉⑺偷穆龀逍藕诺闹芷凇⒌缪狗逯�、边沿上升时间和 脉冲数量的按键。进一步的，所述脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置中，所述脉冲I-V测 试电流转换�？榘ㄒ恢绷鞯缪乖从胍豢杀涞缱瑁黾扑慊刂颇？樯仙柚糜懈谋渲绷� 电压源电压的按键；所述脉冲C-V测试电流转换�？榘ㄒ坏缌�/电压放大装置；所述计 算机控制模块上设置有改变电流/电压放大装置增益的按键。本发明还公开了一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量方法，应用在包括 计算机控制�？�、脉冲信号发生�？�、电流转换�？�、数据采集�？榈陌氲继宀问远饬� 装置上，包括如下步骤步骤1 将脉冲信号发生�？椤⒌缌髯荒？�、数据采集�？橥ü鼼PIB接口分别和 计算机控制模块相连；步骤2 在计算机控制�？樯仙柚寐龀逍藕欧⑸？�、电流转换�？楹褪莶杉� �？榈牟问⒊跏蓟髂？椋徊街�3 计算机控制�？橄蚵龀逍藕欧⑸？榉⑺筒馐灾噶睿龀逍藕欧⑸？� 输出脉冲信号给待测器件；步骤4:电流转换�？榻馄骷奈⒌缌鞣糯蟛⒆晃缪剐藕牛缓笫涑龈� 数据采集�？椋徊街�5 数据采集模块接收脉冲信号发生�？楹偷缌髯荒？榈男藕牛⒔渥� 化成数字信号，然后传送给计算机控制�？椋徊街�6 计算机控制�？楸４娼邮盏氖荩⒔屑扑悖谄聊簧舷允景氲继宓� I-V或C-V波形曲线。进一步的，所述脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量方法中，步骤2包括如下 子步骤步骤21 在计算机控制�？橹猩柚酶髂？榈腉PIB地址为控制程序中分配的地 址；步骤22 设置信号发生�？榈穆龀逍藕诺闹芷�、电压峰值与边沿上升时间；步骤23 在进行脉冲I-V测试时设置电流转换�？榈穆龀錓-V测试电流转换�？� 的直流电压源的电压参数，在进行脉冲C-V测试时，设置电流转换�？榈穆龀錍-V测试电流 转换�？榈脑鲆�。本发明的优点是
1.和由脉冲发生器与示波器等仪器搭建的测试电路相比，本发明的测量装置用计 算机屏幕代替示波器来显示信号波形节省了测量成本；2.本发明通过数据采集�？榻饬渴荽椭良扑慊刂颇？椋赏ü聊皇凳� 显示测量结果与信号波形，方便使用者观察；3.通过将脉冲I-V与脉冲C-V测试集合到了一个装置中，可以简化人为搭建两套 测试系统的步骤，节约测试时间，提高测试效率；4.通过计算机控制�？榭梢酝鄙柚谜鬃爸美锼心？榈牟饬坎问谑×舜� 量人力操作时间，提高了测试效率与测试精度；5.通过计算机控制�？榭梢宰远硎笛槭莶⒈４娼峁涌觳馐运俣�。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为本发明的自动测量装置的结构示意图；图2为本发明的脉冲信号发生�？樵硗迹煌�3为本发明的脉冲I-V测量的原理图；图4为本发明的脉冲C-V测量的原理图；图5为本发明的自动测量方法的流程图。其中1脉冲信号发生�？椋�2电流转换�？椋�3数据采集�？椋�31脉冲I_V测试电 流转换�？椋�32脉冲C-V测试电流转换�？椋�4计算机控制�？�。
具体实施例方式实施例如图1所示，一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，包括脉 冲信号发生�？�2、电流转换�？�3、数据采集�？�4，以及分别和以上装置用GPIB接口相连 接的计算机控制�？�1。脉冲信号发生�？�2的输出端连接待测器件，待测器件的一极连接 电流转换模块3。所述脉冲信号发生�？�2用于产生可变脉冲信号。计算机控制�？�1上设置有改 变脉冲信号发生模块2发送的脉冲信号的周期、电压峰值、边沿上升时间和脉冲数量的按 键，可以对脉冲信号的参数进行设置。脉冲信号发生�？�2接收来自计算机控制�？榈牟� 试指令，进行自动脉冲发送工作，可以根据测试指令发送不同周期、峰值、上升/下降沿时 间和不同个数的脉冲信号，来完成不同的测试实验。图2为脉冲信号发生�？樵硗迹髡窦兜缏酚勺约ざ嘈痴竦雌�、晶体振荡器或 锁相振荡器构成，能够产生频率可调的同步脉冲。延迟级由单稳电路和微分电路组成，能够 产生与同步脉冲有一定延迟量的主脉冲。脉冲形成级由单稳态触发器等电路组成，通过调 节脉宽与上升下降沿时间产生宽度准确、波形良好的矩形脉冲。该�？榈幕竟δ馨� 够发出可变边沿上升/下降时间为10微秒至1毫秒的脉冲信号，精度1微秒；可产生最高 电压为5V的脉冲信号；脉冲周期可变最小脉冲周期为100微秒并能发出多个连续的脉冲信 号。该�？樗泄δ芏伎捎杉扑慊刂颇？�4的控制设定。所述电流转换�？�3将待测器件产生的微电流放大并转换为电压信号，包括脉冲 I-V测试电流转换�？�31与脉冲C-V测试电流转换�？�32。计算机控制模块1对电流转换模块3进行控制，控制电流转换�？�3的工作模式，具体为在测试开始之前设置实验参 数并选择相应�？榻尤氩馐缘缏罚毖≡馡-V测试时，脉冲I-V测试电流转换�？�31工作， 脉冲C-V测试电流转换�？椴还ぷ鳎坏毖≡馛-V测试时，脉冲C-V测试电流转换模块32工 作，脉冲I-V测试电流转换�？椴还ぷ�。如图3所示，脉冲I-V测试电流转换�？�31包括一直流电压源与一可变电阻。计
算机控制�？樯仙柚糜懈谋渲绷鞯缪乖吹缪沟陌醇�。在待测器件上加一脉冲电压，该器件
将会产生微小不易被探测到的电流，脉冲I-V测试电流转换�？�31负责将脉冲I-V测试过
程中器件产生的微小电流放大并转化为电压信号，方便采集与显示，通过调节可变电阻阻
值可以改变电流的放大倍数。直流电压源的功能是使待测器件在栅极电压的作用下导通，
可变电阻负责将电流放大并转化为电压信号。根据实验需要设置相应的电压值与电阻值，
然后将设置好的电压源与可变电阻接入电路进行测量，通过该�？榈缌鹘岜环糯蟛⒆�
为电压信号，其中Vds为直流电压源，Vg为加在待测器件栅极上的脉冲电压信号。待测器件
漏极在Vds作用下产生的微小电流Id经过可变电阻R转化为电压信号VD，该信号被数据采
集�？榛竦貌⒋透扑慊斜４嬗氩ㄐ蜗允�。根据计算机保存的电压数据，通过式(1)
转换成电流值
VV-V⑴
VDΚ脉冲C-V测试电流转换�？�32包括一可编程电流/电压放大装置，可以对ηΑ级 脉冲电流进行放大并转化为电压。由于脉冲C-V测试产生的漏电流十分微�。嘉�10_9 10_6安培，使用传统的电阻来放大电流时会产生延迟，根据时间延迟公式t = RC计算发现， 由于电阻的影响，将会使得信号延迟时间几乎与脉冲上升/下降沿时间相等，从而无法判 断获得的C-V曲线中充放电时间是由栅介质中的缺陷充放电还是由信号延迟时间所导致 的。为了避免信号延迟对测试结果造成影响，因此使用电流/电压放大器件将脉冲C-V测 试过程中器件产生的微小漏电流放大并转化为电压信号，计算机控制�？樯仙柚糜懈谋涞� 流/电压放大装置增益的按键，可以设置电流/电压放大装置的增益来获得所需的电流放 大倍数。如图4所示，测量过程中待测器件通过具有屏蔽作用的同轴线与脉冲C-V转换模 块连接，待测器件产生的微小电流通过脉冲C-V转换�？榉糯蟛⑹涑�。脉冲C-V转换�？� 的主要原理是利用负反馈电路对电流进行放大。采用负反馈技术虽然减弱了信号的放大倍 数，但是使系统的工作状态变得更加稳定。电流信号通过电流/电压放大�？榉糯蟛⒆缪购螅ü莶杉？榇� 回计算机控制�？榻斜４�。根据保存的电压数据，由公式(2)可以得到器件的电容值。C = V°UT ~ V°FFSET( 2)
AdV I dt其中Vtm是经过电流转换�？榈玫降牡缪故荩琕cwset是电流/电压放大�？榈钠� 移电压，A是电流/电压放大器的增益，dV/dt是脉冲发生器发出脉冲的上升/下降沿斜率。所述数据采集�？�4包括模拟/数字转换装置，具体为具有高速A/D转换功能的 集成电路�？椋梢圆杉阶钚∩仙�/下降沿时间为10微秒的脉冲电压信号，用于采集测 量脉冲信号发生模块2与电流转换�？�3产生的信号数据，并将数据传送回计算机控制�？�1。计算机控制�？�1安装有控制程序，包括指令发送单元、存储装置和屏幕，对整套 系统进行自动化控制，给脉冲信号发生�？�2发送测试指令，接收数据采集�？�4传来的数 据，具体为通过数据采集�？榛竦檬笛椴饬康降牧礁龅缪剐藕牛直鹗锹龀宓缪褂肫骷� 通电流经过转换后的电压，并保存在存储装置中，对测得的数据进行处理，将绘制的I-V或 C-V波形曲线显示在屏幕上。计算机控制�？橹械目刂瞥绦蛴霉浇礁龅缪共ㄐ巫� I-V或C-V特性曲线并显示在计算机屏幕上。本发明的测量系统的测量方法包括如下步骤步骤1 将脉冲信号发生�？�2、电流转换�？�3、数据采集�？�4通过GPIB接口 和计算机控制�？�1分别相连；计算机控制�？�1控制管理接口与测量装置内的各个�？�。步骤2 在计算机控制�？�1上设置脉冲信号发生�？�2、电流转换�？�3、数据 采集�？�4的参数，并初始化各�？�。具体为开启所有�？椋と龋蚩扑慊械目刂� 程序，在控制程序中将脉冲信号发生�？�2、电流转换�？�3的脉冲I-V测试电流转换�？� 31和脉冲C-V测试电流转换�？�32、数据采集�？�4的GPIB地址设置为软件中分配的地 址。该控制程序为一个用C++编写的MFC(微软基本类库)可视界面，系统中的每个�？榫� 在编写的控制软件中为其分配有固定的GPIB地址。然后设置信号发生�？�2的脉冲信号 的周期，电压峰值与边沿上升时间；设置电流转换�？�3的参数在进行脉冲I-V测试时设 置脉冲I-V测试电流转换�？�31的直流电压源的电压参数，在进行脉冲C-V测试时设置脉 冲C-V测试电流转换�？�32的增益。计算机通过GPIB接口向各�？榉⑺�8位的ASCII码 (其中最高位是任意的)要求本地封锁，当各�？榻邮盏秸飧鲋噶詈螅涌障凶刺湮冻� 控制状态。在初始化结束后，各�？榻柚贸稍诩扑慊刂颇？�1中设定的参数。步骤3 计算机控制�？�1向脉冲信号发生模块2发送测试指令，脉冲信号发生模 块2输出脉冲信号给待测器件；随着测试的进行，脉冲信号发生模块产生的脉冲信号由计 算机控制�？榭刂疲菁扑慊刂颇？榈纳瓒ǘ浠佣迪植馐缘淖远校恍枞� 工不断地改参数。步骤4 电流转换模块3将待测器件的微电流放大并转换为电压信号，然后输出给 数据采集�？�4。步骤5 由于测量中的信号都是模拟的，所以，数据采集模块4接收脉冲信号发生 �？�2和电流转换�？�3的信号，并将其转化成数字信号，经过编码后再传送回计算机控制 �？�1。步骤6 计算机控制�？�1保存接收的数据，并进行计算，在屏幕上显示半导体的 I-V或C-V波形曲线。以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本 发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。
权利要求
1.一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，包括脉冲信号发生�？�(2)、电 流转换模块(3)、数据采集�？�(4)，其特征在于还包括用GPIB接口分别和脉冲信号发生 模块(2 )、电流转换�？�(3 )、数据采集�？�(4 )相连接的计算机控制�？�(1)；所述脉冲信号发生模块(2)产生脉冲周期、电压峰值、边沿上升时间和脉冲数量由计算 机控制�？�(1)设定的脉冲信号；所述电流转换�？�(3)包括脉冲I-V测试电流转换�？�(31)与脉冲C-V测试电流转换 �？�(32)，将待测器件产生的微电流放大，并转换为电压信号；所述数据采集�？�(4)包括模拟/数字转换装置，数据采集�？�(4)的信号输入端分别 连接脉冲信号发生�？�(2)与电流转换�？�(3)的信号输出端，其信号输出端连接计算机 控制�？�(1 )，将信号传送回计算机控制�？�(1)；所述计算机控制�？�(1)包括接收、保存数据的存储装置和用于显示I-V或C-V特性 曲线的屏幕。
2.根据权利要求1中所述的脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，其特征在 于所述计算机控制�？�(1)上设置有保存来自数据采集�？�(4)信号的按键。
3.根据权利要求1中所述的脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，其特征在 于所述计算机控制�？�(1)上设置有自动在计算机屏幕上绘制I-V或C-V特性曲线的按 键。
4.根据权利要求1中所述的脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，其特征在 于所述计算机控制�？�(1)上设置有改变所述脉冲信号发生�？�(2)发送的脉冲信号的 周期、电压峰值、边沿上升时间和脉冲数量的按键。
5.根据权利要求1中所述的脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，其特征在 于所述脉冲I-V测试电流转换�？�(31)包括一直流电压源与一可变电阻，所述计算机控 制�？�(1)上设置有改变直流电压源电压的按键；所述脉冲C-V测试电流转换�？�(32 )包 括一电流/电压放大装置；所述计算机控制�？�(1)上设置有改变电流/电压放大装置增 益的按键。
6.一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量方法，应用在包括计算机控制�？� (1)、脉冲信号发生�？�(2)、电流转换�？�(3)、数据采集�？�(4)的半导体参数自动测量 装置上，其特征在于包括如下步骤步骤1 将脉冲信号发生�？�(2)、电流转换�？�(3)、数据采集�？�(4)通过GPIB接口 分别和计算机控制�？�(1)相连；步骤2 在计算机控制�？�(1)上设置脉冲信号发生模块(2)、电流转换�？�(3)和数据 采集�？�(4)的参数，并初始化各�？椋徊街�3 计算机控制�？�(1)向脉冲信号发生�？�(2)发送测试指令，脉冲信号发生模 块(2)输出脉冲信号给待测器件；步骤4 电流转换�？�(3)将待测器件的微电流放大并转换为电压信号，然后输出给数 据采集�？�(4);步骤5 数据采集�？�(4)接收脉冲信号发生�？�(2)和电流转换�？�(3)的信号，并 将其转化成数字信号，然后传送给计算机控制�？�(1)；步骤6 计算机控制�？�(1)保存接收的数据，并进行计算，在屏幕上显示半导体的I-V或C-V波形曲线。
7.根据权利要求6中所述的一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量方法，其特 征在于步骤2包括如下子步骤步骤21 在计算机控制�？�(1)中设置各模块的GPIB地址为控制程序中分配的地址； 步骤22 设置信号发生�？�(2)的脉冲信号的周期、电压峰值与边沿上升时间； 步骤23 在进行脉冲I-V测试时设置电流转换�？�(3)的脉冲I-V测试电流转换�？� (31)的直流电压源的电压参数，在进行脉冲C-V测试时，设置电流转换�？�(3)的脉冲C-V 测试电流转换�？�(32)的增益。
全文摘要
本发明公开了一种脉冲I-V与脉冲C-V半导体参数自动测量装置，包括脉冲信号发生�？椤⒌缌髯荒？�、数据采集�？楹图扑慊刂颇？椋换构寺龀錓-V与脉冲C-V半导体参数自动测量方法，在计算机控制�？樯仙柚酶髂？榈牟问⒊跏蓟扑慊刂颇？橄蚵龀逍藕欧⑸？榉⑺筒馐灾噶睿蛊涫涑雎龀逍藕鸥馄骷缌髯荒？榻馄骷奈⒌缌鞣糯螅晃缪剐藕藕笫涑觯莶杉？榻邮盏男藕抛墒中藕藕蟠透扑慊刂颇？椋患扑慊刂颇？楸４�、计算数据，在屏幕上显示波形曲线。本发明的装置造价便宜，测量方便快速，整个实验过程自动进行，数据自动处理并直接显示特性曲线，提高了测试效率。
文档编号G01R31/26GK102116827SQ201010602838
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者周云龙, 赵策洲, 魏小莽 申请人:西交利物浦大学, 西安交通大学, 西安交通大学苏州研究院
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