與直流電流-電壓(I-V)和電容-電壓(C-V)測量一樣，是否能夠進行超快I-V測量對于從事新材料、器件或工藝研發特征分析實驗室的所有人都變得十分必要。進行超快I-V測量需要產生高速脈沖波形，并且在待測器件可能發生松弛之前測量產生的信號。

　　早期實現的高速I-V測試，通常是指脈沖式I-V測試系統，是針對某些特定應用而開發的，例如高k介質的特征分析和絕緣體上硅(SOI)恒溫測試，或者生成Flash存儲器特征分析所需的短脈沖。采用脈沖式I-V測量技術是必需的，因為當采用傳統直流I-V技術進行測試時，它們的絕緣襯底使得SOI器件保持了測試信號自身產生的熱量，使測得的特征曲線發生偏斜;采用脈沖式測試信號能夠將這種影響降至最小。

　　過去，高速脈沖/測量測試系統通常由脈沖發生器、多通道示波器、互連硬件以及用于集成和控制儀器的軟件構成。不幸的是，這些系統由于存在延遲問題，使得信號源和測量函數之間的協同變得非常復雜。根據儀器的質量以及它們集成的情況，這種方式還可能會限制脈沖的寬度及其占空比。即便有這些限制，這些早期脈沖式I-V測試系統的用戶已經開始想辦法將其用于其它一些特征分析工作，包括非易失性存儲器測試、超快NBTI可靠性測試和很多其它應用。不過，考慮到這些系統的動態量程有限，但是它們仍然保留了一些專業技術。

　　為了成為主流測試技術，下一代超快I-V測試系統必須能夠提供很寬的信號源和動態量程。這意味著它們必須能夠提供Flash存儲器特征分析所需的充足電壓，以及測量最新CMOS工藝所需的足夠低的電壓。例如，對于CMOS工藝下的嵌入式Flash器件，這種Flash器件可能需要高達20V的編程電壓，但是CMOS工藝的工作電壓是3V，因此所使用的測試系統必須能夠提供所需的兩種電壓。它還要能夠提供足夠寬的電流范圍以處理最新的工藝，以及足夠快的上升時間和足夠長的脈沖寬度以滿足多種應用的需求。它必須簡單易用，具有能夠使系統可靠提交精確測量結果的互連系統。

　　當前，超快I-V源和測量功能正被集成到參數式分析儀中，用于對越來越多的器件特性進行特征分析，尤其是負偏溫不穩定性(NBTI)和正偏溫不穩定性(PBTI)退化。超快I-V測量工具通過使研究人員能夠快速而一致地進行這類器件可靠性測量，提高了設計內可靠性(DIR)壽命測量精度，其支持器件和電路設計建模。

　　近來，某些研究人員被迫配置他們自己的超快BTI測試系統。這些自己內部開發的系統通常包含一臺脈沖發生器或任意波形發生器，和一臺配備了電流探針或某種類型互阻抗放大器的示波器，用于測量低電流。雖然經過仔細選擇儀器和互連電路，完全可能構建一個BTI系統，去滿足特定電氣條件下的測量需求，但是其仍然具有多個關鍵的技術挑戰：

　　波形發生。標準脈沖發生器和任意波形發生器以固定的循環時間間隔產生波形，而不是大多數可靠性測試所需的Log(time)標度，包括NBTI和PBTI測試。

　　測量時間和數據存儲器。盡管示波器經過配置可以根據波形特征(例如下降沿)進行觸發，但是它們無法針對波形的特定部分有選擇地存儲樣本。這就需要保存很大的數據集進行后處理。只有最昂貴的示波器或者那些具有存儲器擴展功能的示波器，才能保存足夠多的數據彌補這些缺陷。

　　準確性、精度和靈敏度。偏溫不穩定性是一種高度動態的現象，需要靈敏、高速的測量操作才能進行準確的特征分析。假設所有其它因素都保持不變，測量的物理過程在很大程度上決定了測量速度和靈敏度之間的關系。當進行亞毫秒級測量時，必須把所有的噪聲源考慮在內;對于亞微秒級應用，連量子效應也不能被忽略。示波器、電流探針和互阻抗放大器都有各自特定的性能指標，它們不一定會針對協同工作而進行優化。我們很難在很寬的動態量程上，按照一種能夠提供最佳性能的方式將這些部件組合起來，以實現高速下的精確測量。

　　互連。自建的系統通常采用分線器和T型頭，它們都會限制測試配置的性能。例如，T型頭會限制帶寬為100ns到10μs。盡管這適合進行高速測量，但是它無法在應力測量序列中進行任何有效的預應力和后應力直流測量。它也無法在10μs到直流的中間時序范圍內進行測量。

　　測試控制與數據管理。傳統的示波器不支持數據流，因此必須等到測試結束后才能傳輸結果。當測試結束時，大量的數據必須傳輸到控制計算機上進行后處理，需要將復雜的波形解析為單個的測試結果，然后才能進一步減少數據進行實際的測量。

　　測試終止。既然測試結果要等到從示波器上傳輸回數據之后才能進行分析，那么測試持續時間在測試開始之前就確定了。這使得我們不可能根據參數偏移情況或者實時檢測到的災難性故障終止測試過程。

　　自動化。晶圓級或晶匣級自動測試需要同時控制測試儀器和晶圓探針臺，自建的系統通常無法做到。此外，合成一些高級的功能，例如帶條件的測試終止，將會大大增加運行這類系統所需的定制軟件的復雜性。

　　更多的通道數。 即使自建的系統最初安裝時運行很好，系統集成者也可能需要增加通道或者測試系統的數量以滿足應用的發展需求，這時定制系統的升級是極其復雜的。典型的測試系統維護問題，例如校準、操作和這些自定義設置的關聯，也需要大量的技術資源，而這些資源通常都是有限的。

　　最新的參數分析儀經過配置可以最大限度減少或者消除很多與自建的BTI特征分析系統相關的缺陷問題。與單獨的脈沖或波形發生器以及示波器不同，它們能夠將這些功能集成在高速源測量模塊中實現緊湊的時序協同。由于這些模塊與參數分析儀完全集成，它們能夠利用系統的數據存儲和自動測量功能。機架式系統在增加高速通道的數量時也比較容易，只需添加更多的模塊即可。

　　最新的參數分析儀能夠將超快I-V、直流I-V和C-V測量功能集成到同一個測試序列中。這種功能對于越來越多的涉及多種測量類型的應用來說是非常有用的，例如電荷泵(CP)，它通常需要產生一個柵電壓脈沖，同時測量直流襯底電流;或者判斷光伏電池的電氣特征，通常需要測量電流和電容與所加載直流電壓的函數關系。

　　吉時利的4200-SCS半導體特征分析系統(如圖1所示)始終支持精確的直流I-V測量(采用集成的SMU)和C-V測量(采用可選的C-V模塊)。采用最新推出的4225-PMU超快I-V模塊和4225-RPM遠程放大器/開關，可以增加超高速源和測量功能，構建針對新興實驗室應用而優化的測量系統，例如超快通用I-V測量;脈沖式I-V和瞬態I-V測量;Flash、PCRAM和其它一些非易失性存儲器測試;中等功率器件的恒溫測試;縮放CMOS工藝的材料測試，例如高k介質;以及NBTI/PBTI可靠性測試。(圖2將很多這類新興的應用映射到4200的直流I-V和超快I-V源與測量范圍內。)

　　注意傳統的SMU設計如何能夠提供并測量高達1A和低至1pA左右的電流。盡管通過增加遠程前置放大器能夠解析低至0.1fA的信號，但是這些僅支持直流I-V測試配置的最佳速度是10毫秒左右。相比之下，超快I-V方案能夠進行最快10ns的測量，這對于涉及器件恢復特征分析的應用是非常關鍵的。特別針對超快I-V測試而設計的可選遠程放大器，將這類新型解決方案的電流分辨率向下擴展到了幾十皮安，僅僅稍高于待測器件產生的約翰遜噪聲施加的限制。將超快I-V源和測量儀器與遠程放大器集成在一起的系統，在單個機架內支持比以往任何時候都更廣泛的特征分析應用，包括測試相變存儲器、單脈沖電荷俘獲/高k介質測試、LDMOS或砷化鎵中等功率放大器的特征分析、SOI恒溫測試、超快負偏溫不穩定性(NBTI)測試、基于電荷的電容測量(CBCM)、MEM電容測試和越來越多的其它一些測試。

　　圖3給出了支持日益增長的超快I-V測試應用的四種掃描類型：瞬態I-V掃描，其中電壓和/或電流被連續數字化;快速脈沖式I-V，其中電壓和/或電流在脈沖穩定后被采樣;濾波式脈沖，其中包括要產生一個可變的脈沖電壓，同時利用直流SMU測量產生的電流;脈沖應力/直流測量，其中施加電壓脈沖，然后接一次直流SMU測量。除了這些傳統的掃描類型，4225-PMU還具有完整的任意波形發生功能，以及分段式ARB模式，能夠方便地創建、保存和產生最多由2048條用戶自定義線段組成的波形。每條線段可以有不同的持續時間，從而具有極大波形生成靈活性。

　　本文小結

　　隨著新型器件和測試應用的出現以及半導體實驗室研究人員需求的不斷發展，超高速源/測量功能將變得越來越重要。采用具有適應這些變化需求靈活性的高性價比測試系統，研究人員既能夠延續之前的工作，同時又能夠跟上測量技術發展的趨勢。