Introduzione alla caratterizzazione sperimentale dei dispositivi a semiconduttore Caratterizzazione elettrica • Cosa vogliamo misurare? • Setup di misura • Tipi di caraterizzazione e di misura DC AC caratterizzazione high-frequency • Strutture di test Cosa vogliamo misurare? • Esempio: stabilità di processo • Esempio: uniformità degli spessori di ossido sull’intero wafer di silicio Cosa vogliamo misurare? • Esempio: parametri tecnologici dei transistori (VT, tOX, meff) • Esempio: scaling della lunghezza di gate • Cooperazione tra misure, simulazioni e modello analitico Cosa vogliamo misurare? • Performance dei transistori (ION, IOFF, ecc…) Device Under Test (DUT) • Transistore MOS integrato Tipi di caratterizzazione (1) • Test in corrente continua: impiegati per verificare che i DUT assorbano le correnti previste dai terminali d’ingresso o dalle alimentazioni,e/o eroghino le correnti previste dai terminali di uscita. • Gli strumenti tipicamente utilizzati per questo genere di misure sono alimentatori, voltmetri e amperometri; in alternativa, le SMU (Source Measurement Units) integrano tutte queste funzioni. Tipi di caratterizzazione (2) • Test in corrente alternata: servono a verificare che i dispositivi abbiano le previste caratteristiche AC: esempi di tali caratteristiche sono la risposta in frequenza, l’ampiezza di banda, il rumore, la distorsione, ecc. • Le funzioni tipiche degli strumenti utilizzati per questo tipo di test sono quelle dei generatori di forme d’onda (simusoidali o meno) e misuratori in corrente alternata Tipi di caratterizzazione (3) • Test nel dominio del tempo: sono misure di ritardo di propagazione, tempi di salita e discesa, ed altre, utili per esempio per verificare che il dispositivo si comporti correttamente quando interfacciato con altri. Le funzioni tipiche sono quelle dei misuratori di (intervalli di) tempo – come per esempio gli strumenti a contatore – e i digitalizzatori ad alta frequenza. Setup di misura • Probe station per misure su wafer di silicio • Ambiente controllato (luce, temperatura, vibrazioni, schermatura) • Sonde ad ago (“punte”) per i pad di contatto • Microscopio (eventualmente con videocamera) • Strumenti di misura e cavi • (eventualmente) PC dotato di LabView Setup di misura Setup di misura 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 S.M.U. • Le SMU sono dispositivi completamente programmabili (per definire le modalità di funzionamento, ma anche i valori di tensione o corrente erogati e il modo in cui essi devono eventualmente variare nel tempo) utilizzabili come unità indipendenti o, in numero opportuno e opportunamente programmate e sincronizzate, all’interno di uno strumento più complesso come l’Analizzatore di Parametri 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. 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) 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. S.M.U. Altri esempi di regioni di funzionamento per una S.M.U. (da manuali e cataloghi di case costruttrici): S.M.U.: esempi • Caratteristica Tensione-Corrente di un bipolo: la SMU può essere programmata per fornire tensioni variabile tra Vmin e Vmax con passo DV, misurare la corrente in corrispondenza di ciascun valore di tensione impostata e arrestare l’incremento di tensione nel caso in cui la corrente assorbita dal bipolo superi eventualmente un determinato valore Imax 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. 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 S.M.U.: esempi • Si utilizza un elettrodo di guardia sul quale è riportata la tensione presente sul carico • La resistenza di perdita tra il conduttore centrale e l’elettrodo di guardia (sottoposta a differenza di potenziale pressoché nulla) non assorbe corrente S.M.U.: esempi S.M.U.: Iforce measurement • VA1+=VA1-= tensione ai capi di R 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) Parameter Analyzer Parameter Analyzer • I moderni analizzatori di parametri alloggiano al loro interno un numero di SMU generalmente compreso tra 2 e 8, tutte configurabili secondo quanto visto precedentemente). • dispongono di una opportuna interfaccia che permette all’utente di programmarle in maniera agevole, consentendo inoltre la visualizzazione su display delle caratteristiche misurate. • è possibile la memorizzazione numerica di risultati delle misure su tabelle, anche nei formati dei più diffusi fogli di calcolo e alcune forme di elaborazione dei dati già “a bordo” dello strumento Parameter Analyzer • I moderni analizzatori di parametri alloggiano al loro interno un numero di SMU generalmente compreso tra 2 e 8, tutte configurabili secondo quanto visto precedentemente). • dispongono di una opportuna interfaccia che permette all’utente di programmarle in maniera agevole, consentendo inoltre la visualizzazione su display delle caratteristiche misurate. • è possibile la memorizzazione numerica di risultati delle misure su tabelle, anche nei formati dei più diffusi fogli di calcolo e alcune forme di elaborazione dei dati già “a bordo” dello strumento 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-up di misura ogni volta che servono, evitando perdite di tempo e possibilità di errori. 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 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