芯片測(cè)試大講堂——半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試與避坑指南

本期我們來聊聊半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試。內(nèi)容涉及半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試原理，參數(shù)測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)與實(shí)測(cè)避坑指南。

前言

半導(dǎo)體元器件是構(gòu)成現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞、穩(wěn)定性的高低直接影響到電子設(shè)備的性能和可靠性。從最籠統(tǒng)的角度說，我們可以利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行IV參數(shù)測(cè)試，即電壓和電流關(guān)系的測(cè)試，也可以延展到CV參數(shù)測(cè)試即電容相關(guān)的測(cè)試。

通過以上測(cè)試，我們可以得到半導(dǎo)體器件的電阻特性、電容特性和晶體管的增益特性；也可以通過精密的電器特性測(cè)量，得到器件的工藝參數(shù)直至半導(dǎo)體器件的物理信息，如離子注入濃度（也稱摻雜濃度）、薄膜厚度、線寬和氧化電荷等。經(jīng)常涉及的測(cè)量參數(shù)如下圖：

圖：半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試列表

這些參數(shù)的測(cè)試對(duì)于判斷半導(dǎo)體器件的性能、分析其工作機(jī)制，以及進(jìn)行進(jìn)一步的器件優(yōu)化都有著極其關(guān)鍵的作用，下面的篇幅，我們重點(diǎn)就直流靜態(tài)參數(shù)測(cè)試展開。

半導(dǎo)體靜態(tài)參數(shù)測(cè)試簡(jiǎn)介

靜態(tài)參數(shù)主要是指本身固有的，與其工作條件無關(guān)的相關(guān)參數(shù)，主要包括：門極開啟電壓、門極擊穿電壓，集電極發(fā)射極間耐壓、集電極發(fā)射極間漏電流、寄生電容（輸入電容、轉(zhuǎn)移電容、輸出電容），以及以上參數(shù)的相關(guān)特性曲線的測(cè)試。

除了普通硅基(Si)，碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等全新寬帶隙材料能夠支持大電壓和高切換速度，在新興大功率應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景，IGBT/SiC/GaN器件與模組，可以作為眾多應(yīng)用的電子開關(guān)，并且其重要性持續(xù)增加。在高電壓直流偏置條件下(高達(dá) 3 kV)，高擊穿電壓(達(dá) 10 kV)、大電流(數(shù)千安培)、柵極電荷以及連接電容表征和器件溫度特征和GaN器件電流崩潰效應(yīng)測(cè)量功能都十分必要，是推動(dòng)新器件盡快上市的重要保證。

面對(duì)功率器件高壓、高流的測(cè)試要求，可以使用B1505A和B1506A對(duì)芯片、分立器件及模組等功率器件進(jìn)行全參數(shù)測(cè)試，包括：

? 測(cè)量所有IV參數(shù)(Ron、BV、泄漏、Vth、Vsat等)；

? 測(cè)量高電壓3kV偏置下的輸入、輸出和反向轉(zhuǎn)移電容；

? 自動(dòng)CV測(cè)試；

? 測(cè)量柵極電荷(Qg)；

? 電流崩塌測(cè)試；

? 高低溫測(cè)試功能（-50°C至+250°C）。

一個(gè)典型的測(cè)試案例如下：

使用B1506A的Datasheet測(cè)試功能對(duì)某IGBT功率模塊進(jìn)行實(shí)測(cè)，整個(gè)測(cè)試過程使用非常簡(jiǎn)單，在極短的時(shí)間內(nèi)完成IV、CV和Qg參數(shù)測(cè)試。具體測(cè)試步驟如下：

? 選擇IGBT測(cè)試模板，按照測(cè)試要求設(shè)置測(cè)試條件；

? 設(shè)置測(cè)試曲線的顯示范圍；

? 選擇需要測(cè)試的參數(shù)；

? 點(diǎn)擊執(zhí)行測(cè)試。

圖：IGBT模塊Datasheet測(cè)試步驟

測(cè)試完成后，可以生成Datasheet測(cè)試報(bào)告如下所示，包括IV參數(shù)（擊穿電壓、漏電、開啟特性），CV參數(shù)（Rg、輸入、輸出和反向傳輸電容）和柵極電荷Qg。

圖：功率器件測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)避坑指南

在實(shí)際測(cè)量中，工程師會(huì)遇到不同的問題和困擾，這里總結(jié)了一些常見的可能出現(xiàn)的問題，幫大家在實(shí)際工作中避坑。

01、接地單元Ground Unit (GNDU) 連接使用

接地單元不能直接使用，必須通過設(shè)備自帶的適配器進(jìn)行連接后，適配器把接地單元的輸入轉(zhuǎn)換成Source和Sense，與SMU的輸出對(duì)應(yīng)。

02、不單獨(dú)使用Sense接口去做測(cè)試

如果用Sense接口做測(cè)試，電流會(huì)流經(jīng)內(nèi)部電阻Rs，如果DUT電阻小，測(cè)量精度會(huì)受到影響，F(xiàn)orce才是真正驅(qū)動(dòng)輸出的接口。

Tips：把Sense作為觀測(cè)通道，可連接到示波器，觀看輸出測(cè)量的電壓變化過程。

03、HFCV 測(cè)試的注意事項(xiàng)

a. 連接的線纜必須共地，否則線纜之間的互感影響會(huì)導(dǎo)致測(cè)量電容的精度下降；

b. CV測(cè)量時(shí)的Ground不與大地直接相連；

c. 測(cè)量的雙線連接線，越短越好，減少寄生參量的影響。

04、電流類SMU模塊的連接

電流類模塊端口定義與功率模塊不同，電流類模塊是自回流系統(tǒng)，所以連接接口不能直接使用，需要通過Kelvin轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)成4個(gè)接口使用。

05、大電流測(cè)試曲線異常

出現(xiàn)大電流測(cè)量異常，可能原因包括：

a. 脈沖設(shè)置參數(shù)不對(duì)，如脈寬太短等原因，通過增加脈寬和增加測(cè)量時(shí)間來修正；

b. 震蕩，通過雙絞線連接以減小互感；通過對(duì)柵極串聯(lián)電阻的選擇以減小信號(hào)反射的震蕩；通過外加磁環(huán)減少互感；通過柵極接50歐姆電阻到地吸收放射信號(hào)等方法改善DUT穩(wěn)定性來消除自激。

06、測(cè)試超低電流軟件設(shè)置

pA/fA級(jí)別電流設(shè)置，注意事項(xiàng)如下：

a. 測(cè)試模式Trace Mode選擇精確測(cè)試Fine；

b. 增加每點(diǎn)測(cè)量時(shí)間NPLC,如每點(diǎn)測(cè)量時(shí)間=50Hz*10=20ms*10=200ms；

c. 增加每點(diǎn)測(cè)試延遲時(shí)間Delay Time。

07、關(guān)于屏蔽，連接等

是德科技半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試家族

是德科技擁有完整的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試方案

如下圖 ?

圖：是德科技半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試家族

包括靜態(tài)參數(shù)測(cè)試的B1500A/B1505A/B1506A系列，模塊化的E5260A/E5270B系列，動(dòng)態(tài)參數(shù)DPT測(cè)試的PD1500A/PD1550A系列；歡迎大家與我們探討。