Tecniche di misura I-V ad altissima velocità

COLLAUDO –

La misura e l’erogazione I-V ad altissima velocità permettono di effettuare collaudi altrimenti non possibili con le più tradizionali tecniche I-V in Dc.

Così come è accaduto per le misure C-V (capacità-tensione) e I-V (corrente-tensione) in continua (Dc), la capacità di effettuare misure I-V ad altissima velocità è divenuto un requisito indispensabile per tutti coloro che, all’interno dei laboratori di caratterizzazione, si occupano dello sviluppo di nuovi materiali, dispositivi o processi. Per eseguire questo tipo di misure è necessario generare forme d’onda impulsive ad alta velocità e misurare i segnali risultanti prima che il dispositivo sottoposto a collaudo abbia la possibilità di rilassarsi. Le prime implementazioni di sistemi di test I-V ad alta velocità, spesso denominati sistemi di collaudo I-V impulsivi, erano stati sviluppati per applicazioni quali caratterizzazione di dielettrici con elevata costante dielettrica (high-K) e misure I-V e collaudo isotermico di dispositivi Soi (Silicon-On-Insulator), oppure per generare i brevi impulsi necessari per la caratterizzazione di memorie flash. Le tecniche di misura I-V impulsive sono necessarie perché, quando si effettua il collaudo mediante le metodologie I-V tradizionali in continua, i substrati isolanti dei dispositivi Soi trattengono il calore prodotto dai segnali di test, con conseguente distorsione delle caratteristiche misurate: l’impiego di segnali di test impulsivi permette di minimizzare questo effetto. In passato, i sistemi di misura/generazione di impulsi ad alta velocità erano costituiti da un generatore di impulsi, un oscilloscopio a più canali e i dispositivi hardware di interconnessione, il tutto corredato dal software necessario per il controllo e l’integrazione degli strumenti. Il principale problema di sistemi di questo tipo era rappresentato dalle latenze, che contribuivano a complicare il coordinamento tra le funzioni di misura e di erogazione del segnale. A seconda della qualità degli strumenti e del loro grado di integrazione, un approccio di questo tipo poteva anche porre alcune limitazioni per quanto riguardava la durata degli impulsi e il loro duty cycle. Nonostante queste limitazioni, gli utilizzatori di questi primi sistemi di collaudo I-V impulsivi hanno iniziato a valutarne il loro impiego in un gran numero di altre attività di caratterizzazione, come ad esempio il collaudo di memorie non volatili, il test di affidabilità Nbti ultraveloce e molte altre ancora. In ogni caso, in considerazione del range dinamico piuttosto limitato, questi sistemi sono rimasti confinati in un ambito specialistico.
Al fine di potere godere di una più larga diffusione, i sistemi di test I-V ad altissima velocità della prossima generazione devono assicurare un range dinamico di erogazione e misura molto ampio. Ciò significa essere in grado di erogare sia una tensione sufficiente alta per la caratterizzazione dei dispositivi di memoria flash sia i bassi valori di tensione necessari per gestire i processi Cmos di ultima generazione. Si consideri ad esempio il caso di un dispositivo flash integrato in un processo Cmos: il dispositivo flash potrebbe richiedere fino a 20 V per la programmazione, mentre il processo Cmos prevede una tensione di funzionamento di 3V. Ne consegue che il sistema di test utilizzato deve essere in grado di fornire entrambe le tensioni. Esso inoltre deve disporre un range di corrente abbastanza ampio per poter gestire le più recenti tecnologie, oltre a garantire tempi di salita abbastanza veloci e impulsi di lunghezza adeguata per soddisfare le richieste di un’ampia gamma di applicazioni. Infine deve essere di semplice uso e disporre di un sistema di interconnessione che permetta al sistema di fornire risultati accurati in maniera affidabile.
Oggi le funzionalità di erogazione e misura I-V sono integrate negli analizzatori parametrici usati per la caratterizzazione di un numero sempre maggiore di caratteristiche dei dispositivi, in particolare il degrado imputabile a fenomeni di Nbti (Negative Bias Temperature Instability) e Pbti (Positive Bias Temperature Instability). Consentendo ai ricercatori di effettuare rapidamente e in maniera coerente queste misure di affidabilità dei dispositivi, i tool di misura I-V a elevata velocità migliorano l’accuratezza delle misure del tempo di vita che supportano la modellazione per il progetto di dispositivi e circuiti. Fino a non molto tempo fa alcuni ricercatori sono stati costretti a configurare i loro sistemi di test Bti ad altissima velocità. Si tratta di sistemi sviluppati internamente che solitamente abbinano un generatore di impulsi o un generatore di forme d’onda arbitrarie a un oscilloscopio equipaggiato con sonde di corrente o amplificatori a transimpedenza per la misura di correnti di bassa intensità.

Problematiche tecniche da risolvere
Sebbene sia possibile realizzare un sistema Bti adatto per uno specifico insieme di condizioni elettriche – a patto di scegliere accuratamente gli strumenti e l’interconnessione – restano da risolvere alcune importanti problematiche di natura tecnica qui di seguito sintetizzate:
• Generazione della forma d’onda - I generatori di impulsi standard e di forme d’onda arbitrarie sono progettati per generare una forma d’onda su un intervallo di tempo periodico prestabilito piuttosto che su una scala logaritmica (Log(time)) come richiesto da numerosi test di affidabilità, tra cui i collaudi Nbti e Pbti.
• Temporizzazione della misura e memorizzazione dei dati - Sebbene sia possibile configurare gli oscilloscopi per effettuare il trigger in funzione di una caratteristica della forma d’onda (come ad esempio sul fronte di discesa), questi strumenti non sono progettati per memorizzare in modo selettivo specifiche porzioni della forma d’onda. Solamente gli oscilloscopi più costosi o quelli che prevedono espansioni di memoria (anch’esse costose) sono in grado di memorizzare un numero di dati sufficiente a compensare questa limitazione.
• Precisione, accuratezza e sensibilità - L’instabilità della temperatura di polarizzazione è un fenomeno caratterizzato da una dinamica molto elevata che richiede misure sensibili ad alta velocità per un’accurata caratterizzazione. Ipotizzando che tutti gli altri fattori rimangano costanti, i fenomeni fisici della misura determinano in larga misura la relazione tra sensibilità e velocità di misura. Quando si effettuano misure inferiori al millisecondo, è indispensabile prendere in considerazione tutte le sorgenti di rumore, mentre nel caso di misure al di sotto dei microsecondi non è possibile ignorare neppure gli effetti quantici. Oscilloscopi, sonde di corrente e amplificatori a transimpedenza sono caratterizzati da specifiche di prestazioni definite in modo indipendente e quindi non necessariamente ottimizzate per operare congiuntamente. Spesso risulta molto difficile abbinare questi componenti in modo che possano fornire prestazioni ottimali in un ampio range dinamico al fine di garantire misure accurate di precisione ad alta velocità.
• Interconnessione - I sistemi sviluppati internamente solitamente impiegano un divisore (splitter) e un circuito di bias tee (in pratica una rete a tre porte) che penalizzano le prestazione della struttura di test. Ad esempio un bias tee potrebbe limitare l’ampiezza di banda da 100 ns a 10 μs. Sebbene risulti adatto per misure ad alta velocità, esso impedisce l’esecuzione di misure in Dc significative prima e dopo la sollecitazione che fanno parte della sequenza di misura delle sollecitazioni. Esso inoltre non permette l’effettuazione di misure nel range di temporizzazione intermedio tra 10 μs e la Dc.
• Controllo del test e gestione dei dati - Poiché gli oscilloscopi tradizionali non supportano lo streaming dei dati, per il trasferimento dei risultati è necessario attendere la fine del test. Una volta completato il collaudo, una grande quantità di dati deve essere trasferita al computer di controllo per la post-elaborazione: ciò richiede la partizione di forme d’onda complesse in risultati di test singoli, seguita da un’ulteriore riduzione dei dati nelle misure effettive.
• Termine del test - Siccome i risultati del test non possono essere analizzati finche ì dati non sono trasferiti dall’oscilloscopio, la durata del collaudo deve essere determinata che lo stesso abbia inizio. Risulta pertanto impossibile terminare il test in funzione di cambiamenti parametrici o per rilevare guati di notevole entità in tempo reale.
• Automazione - L’automazione a livello di cassetti o di wafer richiede il controllo sia degli strumenti di test sia della stazione per il sondaggio (probing) dei wafer, operazione che non viene solitamente svolta da un sistema sviluppato internamente. Senza dimenticare che l’integrazioni di funzioni sofisticate come ad esempio il termine condizionale del test aggiunge un notevole grado di complessità al software sviluppato dall’utente necessario per far girare un sistema di questo tipo.
• Elevato numero di canali - Anche se il sistema sviluppato internamente opera in maniera soddisfacente appena installato, gli integratori di sistema potrebbero avere la necessità di aumentare il numero dei canali o dei sistemi di test per soddisfare nuove esigenze. L’aggiornamento di un sistema di collaudo custom può risultare un’operazione alquanto complicata. I tipici problemi di manutenzione di un sistema di test come ad esempio calibrazione, gestione e correlazione dei setup custom potrebbero richiedere un impiego di risorse tecniche troppo elevato.

Moduli di misura ad alta velocità
Gli analizzatori parametrici di più recente generazione possono essere configurati per minimizzare o eliminare parecchie delle carenze che si riscontrano nei sistemi di caratterizzazione BTI sviluppati internamente. Invece di un oscilloscopio e un generatori di impulsi o di forme d’onda separati, essi includono queste funzionalità all’interno di moduli di misura ed erogazione a elevata velocità che consentono un coordinamento molto preciso delle temporizzazioni. Poiché tali moduli sono completamente integrati con l’analizzatore parametrico, possono sfruttare le funzionalità di automazione e di memorizzazione dati di questi’ultimo. I sistemi basati su chassis semplificano l’operazione di incremento del numero dei canali ad alta velocità, che richiede solamente l’aggiunta di più moduli. Gli analizzatori parametrici di ultima generazione consentono di includere misure I-V, I-V in continua e C-V ad altissima velocità nella medesima sequenza di test. Si tratta di una caratteristica molto utile in un numero crescente di applicazioni che prevedono l’esecuzione di più tipi di misura, come ad esempio il pompaggio della carica (CP - charge pumping), durante la quale si fornisce un impulso alla tensione di gate e contemporaneamente si misura una corrente continua nel substrato, oppure la determinazione delle caratteristiche elettriche delle celle fotovoltaiche, che prevedono la misura di corrente e capacità in funzione di una tensione continua applicata.
Il sistema per la caratterizzazione dei semiconduttori mod. 4200-SCS di Keithely Instruments è stato per lungo tempo impiegato per effettuare misure I-V in Dc di precisione (con unità Smu integrate) e misure C-V (con l’aggiunta di un modulo C-V opzionale). La recente introduzione dei modd. 4225-PMU I-V ad altissima velocità e 4225-Rpm (Remote Amplifier/Switch) consente l’aggiunta di funzioni di misura e di erogazione ad altissima velocità in modo da dar vita a un sistema ottimizzato anche per applicazioni di laboratorio emergenti quali misure I-V di tipo general-purpose ad altissima velocità, misure I-V impulsive e transitorie, test di dispositivi flash, Pcram e altre tipologie di memoria non volatili, collaudo isotermico di dispositivi di media potenza, collaudo di materiali per tecnologie Cmos contraddistinte da geometrie sempre più ridotte, come dielettrici ad elevato valore di k, test di affidabilità Nbti/PBTI. Sono disponibili quattro tipi di scansione (sweep) al fine di supportare una sempre più ampia gamma di applicazioni I-V ad altissima velocità: scansione I-V transitoria, nel quale la tensione e/o la corrente vengono continuamente digitalizzati; I-V impulsivo veloce, nel quale la tensione e/o la corrente vengono campionati una volta che l’impulso si è assestato; impulso filtrato, che prevede la generazione di tensione impulsiva variabile mentre una Smu in Dc misura la corrente risultante; sollecitazione impulsiva/misura in continua in cui dapprima si fornisce un impulso alla tensione e in seguito si effettua la misura in Dc mediante la Smu. Oltre a questi tipi di scansione tradizionali, il mod. 4225-Pmu integra funzionalità di generazione di forme d’onda completamente arbitrarie e supporta la modalità Arb segmentata (Segment ARB) che semplifica la creazione, la memorizzazione e la generazione di forme d’onda composte da un massimo di 2048 segmenti di linea definiti dall’utente a garanzia della massima flessibilità nella creazione di forme d’onda. In definitiva, nel momento in cui si affacciano alla ribalta nuovi dispositivi e applicazioni di collaudo e le esigenze dei ricercatori che operano nei laboratori di sviluppo dei semiconduttori evolvono, le funzionalità di misura ed erogazione a elevata velocità acquistano un’importanza sempre maggiore. I sistemi di collaudo che assicurano la flessibilità necessaria per adattarsi in modo economico al costante cambiamento delle richieste da parte degli utilizzatori consentiranno ai ricercatori di sfruttare il lavoro svolto in precedenza e mantenere il passo con i progressi della tecnologia di misura.

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