参数测量基础 - 何为参数测试? 深入了解参数测试原理（测量参数第一章）

何为参数测试?我们将在本文和今后几篇参数测量的文章中介绍所有各种参数测试。

参数测试原理

"作为一门科学分支，工程学的中心活动是设计新的器件，制程和系统"
— 梅伦·翠波斯 (Myron Tribus)

参考：*1999 年，惠普公司拆分，成立了安捷伦科技公司；2014 年，安捷伦科技公司再次拆分，独立出来的部门更名为现在的名称――是德科技 （Keysight Technologies)。本文中提到的原安捷伦公司产品也是是德科技的部分产品。

何为参数测试?

何为参数测试? 这是一个有趣的，但也可能是一个有争议的问题。不过通常的参数测试会涉及电气参数测试和四种主要半导体器件的特性表征，这四种器件包括电阻、二极管、晶体管和电容器。并不是说参数测试不会涉及其它类型的器件，但绝大多数参数测试结构都可归入这些类别或这些类别的组合。

图 1.1 — 参数测试设计这四种基本的器件类型

绝大多数参数测试都包括电流 - 电压 (IV) 测量或电容 - 电压 (CV) 测量。

对于许多人来说，参数测试意味的是“直流”测试，但这种表述是不准确的。当然，它可以用源/测量单元 (SMU) 在任何地方进行从毫秒级到秒级的测量，如果按照功能测试器 (通常可进行纳秒或皮秒范围的测量) 的标准，这确实是很“慢”的。近几年来，对极快参数测量的需要在急剧增长 (以纳秒级的数据采样率进行 1 µs 的单点测量)。这就需要研制符合这一需要的新的测量模块类型 (如波形发生器/快测量单元 - WGFMU)。未来，随着器件制程中更精密光刻技术和新型材料的采用，极快 IV 测量和脉冲 IV 测量的重要性将继续增加。

参数测试的一个主要子类别是可靠性测试。可靠性测试强烈依赖于描述化学反应速率常数 (K) 的著名 Arrhenius 方程:

这里: A 是指前因子

• Ea 是活化能

• R 是理想气体常数

• T 是开氏温度

在器件可靠性测试中，通常要向器件施加高电流和/或高电压的应力 (大于器件正常工作条件)，从而降低活化能的值和增加产生失效机制的概率。增加温度通常也能到同样目的。一旦产生失效机制，就可使用各种数学和统计技术推算正常工作条件时的预期失效率。

为什么要进行参数测试?

参数测试的目的是确定半导体制程的特性。概而言之，参数测试包括下面三个主要领域: 工艺开发，器件建模和工艺控制。

图 1.2 — 参数测试集中在三个主要领域: 工艺开发，器件建模和工艺控制。

前两项是在实验室、研发或试生产环境进行，最后一项则要在制造环境中进行。不同环境中所使用参数测量设备显然会有不同的要求，工艺开发和器件建模可使用台式仪器，而生产流程则应使用具有高吞吐率的测试仪。

图 1.3 — 为优化吞吐率专门设计的生产线用参数测试仪

必须了解参数测试几乎从不在最终产品上进行。相反，它是在能提供制程本身充分信息的特定测试结构上进行。参数测试总是直接在半导体晶圆片上执行。在生产测试中，参数测试结构有时是位于晶圆片的刻线行或“街道”中，从而尽量减少器件所占的晶圆片面积。通常只是对参数测试结构，而不是对整个晶圆片进行工艺开发和可靠性测试。

图 1.4 — 为节省宝贵的晶圆片面积，参数测试结构有时放在晶圆片的刻线行 (或“街道”) 内。

在何处进行参数测试

在生产中，参数测试通常是在晶圆片制造过程完成后 (即已进行了钝化)和对产品裸片的电气性能分选 (电分选) 前执行。

图 1.5 — 参数测试在晶圆片制造完成后和产品功能验证前进行。

要对每一批次的每一片晶圆片进行测试，并把数据保存到数据库中。显然这是洪量的数据，可使用各种软件工具将其处理成各种不同格式的数据。一种流行的格式是晶圆片图，在用标量绘制的晶圆片上，它用不同颜色表示数据值的不同范围。

图 1.6 — 晶圆片图的例子。

对于先进制程来说，放置在刻线行中的常规测试结构，甚至是放置在晶圆片周围的插入测试裸片，都可能难以充分描述这样的制程。由于其固有的复杂性，先进制程通常需要多得多的测试，有时很难让所有需要的测试结构都进入可用的测试区域。为保持探头卡上探针的合理寿命，探头卡上的探针在物理尺寸上受到限制，这也进而限制了探盘的最小尺寸。这意味着对于每一代新的制程，探盘不能随器件特性尺寸的下降而下降。

图 1.7 — 探盘尺寸不能随设计规则的改变而改变，从而限制了能放置在晶圆片上的常规测试结构数量。

一种解决方案是使用阵列，因为阵列允许测试器件共享探盘，从而提高了测试器件与探盘之比。下面是采用这种方案的一个例子。

图 1.8 — 用于生产中参数测试的一个可寻址阵列方案例子。

与常规的器件测试方案相比，可寻址阵列的吞吐率有明显改进，虽然能大幅缩短测试时间，但需要有重新实现所有参数测试过程的工程量。

参数仪器的历史

可执行这类参数测量的第一种仪器是模拟图示仪。不过这些仪器存在着种种限制，特别是“数据”是显示在 CRT 屏幕上。保存数据的唯一方法是用宝丽来相机拍摄屏幕显示的照片，但仍不能为您提供实际的数值信息。

1980 年代

在 1980 年代早期，安捷伦公司* (当时是惠普公司的一部分) 推出了世界上首台数字参数分析仪 4145A。4145A 是在一台仪器中融入 4 个源/测量单元，并配有集成所有资源所需软件的第一种仪器。4146A 产生类似图示仪的曲线图，但 4145 的曲线图中包括数字数据的离散点，可将其传送到用于保存和分析的其它软件中。这是半导体行业的革命性产品，除少数特殊应用外，4145A 很快取代了图示仪。在 1980 年代的晚些时候又继续推出了改进版的 4145B。

*1999 年，惠普公司拆分，成立了安捷伦科技公司；2014 年，安捷伦科技公司再次拆分，独立出来的部门更名为现在的名称――是德科技。

图 1.9 — 4145B 半导体参数分析仪

1990 年代

在 1990 年代早期，安捷伦公司 (当时是惠普公司的一部分)推出了 4155 和 4156 半导体参数分析仪。这是在 4145A/B 基础上增加各种新功能的仪器，这些新功能包括彩色显示屏和键盘，自动数据分析能力，脉冲扫描功能，削薄采样模式，DC 和 AC 应力及待机模式 (仅是新功能中的少数几种)。该产品有多个版本 (“A”，“B”和“C”)，每一相继的版本都增添新的功能特性和测量能力。特别是“C”版中增加了准静态电容 - 电压 (QSCV) 测量能力，并极大改进了电压测量单元 (VMU) 的测量能力。

图 1.10 — 4156C 精密半导体参数分析仪

2000 年代

随着 21 世纪的来临，人们清楚地看到对参数测试的要求变得越来越复杂，需要有超过 IV 测量的完整解决方案。解决方案不仅要能执行 CV 和 IV 这两种类型的测量，还要有能随未来测试需求的发展增加其它测量资源的灵活性。为应对这些挑战，安捷伦公司于 2005 年推出 Keysight/Agilent B1500A半导体器件分析仪和 Agilent EasyEXPERT 软件。

B1500A 支持参数测试的所有方方面面，从基本的手动测量到与半自动晶圆片探测器联动的晶圆片测试自动化。由于B1500A 采用 Microsoft® Windows® XP 专业版操作系统，因此能容易地集成至各种 PC 基工作环境。此外，熟悉的 Windows 图形用户界面 (GUI) 和便捷的在线帮助菜单也把对仪器的培训需要减到最少。作为当代参数测量的选择工具， B1500A 已经取代了 4155C 和 4156C。

图 1.11 — B1500A 半导体器件分析仪

B1500A 是一种支持多种不同模块类型的模块化仪器。模块化是非常重要的性能特性，因为参数测试仍是极具活力的领域，不断有新类型的测试要求出现。参数测试需要的不仅是简单的源/测量单元资源，包括电容测试、高速测试和快脉冲测量的复杂测试变得越来越普遍。模块化保证了测量设备不会过时，随着未来测试需要的发展，您有能力为参数测量设备增添新的测试能力。

图 1.12 — 10 槽 B1500A 支持多种类型的源/测量单元，以及电容测量模块、高压脉冲发生器模块和波形发生器/快测量单元模块。

为满足不断增长的高功率市场需要，并提供传统模拟图示仪 (各大厂商已不再制造) 的替代产品，是德科技/安捷伦公司在 2009 年推出 B1505A 功率器件分析仪/图示仪。

B1505A 具有 ±20 V (脉冲) 和 ±3000 V 的输出能力。此外，B1505A还有支持旋钮扫描能力的图示仪测试模式。

图 1.13 — B1505A 功率器件分析仪/图示仪

与模拟图示仪不同，B1505A 是 PC 基的，并使用与 B1500A半导体器件参数分析仪/半导体表征系统主机 相同的用户友好 Agilent EasyEXPERT 软件。

与传统图示仪相比，B1505A 功率器件分析仪/曲线追踪仪测试模式的一些新功能特性在可使用性上有很大改进。您能用截屏特性保存和显示多条数据示踪，从而容易地与当前测量数据相比较。您也能用信号灯特性以图形方式定义禁止区 (基于电压或电流)，如果示踪进入禁止区，就立即停止测量。尤为可贵的是自动记录特性可保持最新示踪变化的运行记录，因此您能回放和保存测量示踪数据，即使器件不经意地损坏。所有这些改进显示出图示仪设计的革命性进步，它将显著缩短器件的表征时间。