下一代超快I-V测量技术

与直流电流-电压(I-V)和电容-电压(C-V)测量一样，是否能够进行超快I-V测量对于从事新材料、器件或工艺研发特征分析实验室的所有人都变得十分必要。进行超快I-V测量需要产生高速脉冲波形，并且在待测器件可能发生松弛之前测量产生的信号。

早期实现的高速I-V测 试，通常是指脉冲式I-V测试系统，是针对某些特定应用而开发的，例如高k介质的特征分析和绝缘体上硅(SOI)恒温测试，或者生成Flash存储器特征 分析所需的短脉冲。采用脉冲式I-V测量技术是必需的，因为当采用传统直流I-V技术进行测试时，它们的绝缘衬底使得SOI器件保持了测试信号自身产生的 热量，使测得的特征曲线发生偏斜；采用脉冲式测试信号能够将这种影响降至最小。

过去，高速脉冲/测量测试系统通常由脉冲发生器、多通道示波器、 互连硬件以及用于集成和控制仪器的软件构成。不幸的是，这些系统由于存在延迟问题，使得信号源和测量函数之间的协同变得非常复杂。根据仪器的质量以及它们 集成的情况，这种方式还可能会限制脉冲的宽度及其占空比。即便有这些限制，这些早期脉冲式I-V测试系统的用户已经开始想办法将其用于其它一些特征分析工 作，包括非易失性存储器测试、超快NBTI可靠性测试和很多其它应用。不过，考虑到这些系统的动态量程有限，但是它们仍然保留了一些专业技术。

为 了成为主流测试技术，下一代超快I-V测试系统必须能够提供很宽的信号源和动态量程。这意味着它们必须能够提供Flash存储器特征分析所需的充足电压， 以及测量最新CMOS工艺所需的足够低的电压。例如，对于CMOS工艺下的嵌入式Flash器件，这种Flash器件可能需要高达20V的编程电压，但是 CMOS工艺的工作电压是3V，因此所使用的测试系统必须能够提供所需的两种电压。它还要能够提供足够宽的电流范围以处理最新的工艺，以及足够快的上升时 间和足够长的脉冲宽度以满足多种应用的需求。它必须简单易用，具有能够使系统可靠提交精确测量结果的互连系统。

当前，超快 I-V源和测量功能正被集成到参数式分析仪中，用于对越来越多的器件特性进行特征分析，尤其是负偏温不稳定性(NBTI)和正偏温不稳定性(PBTI)退 化。超快I-V测量工具通过使研究人员能够快速而一致地进行这类器件可靠性测量，提高了设计内可靠性(DIR)寿命测量精度，其支持器件和电路设计建模。

近 来，某些研究人员被迫配置他们自己的超快BTI测试系统。这些自己内部开发的系统通常包含一台脉冲发生器或任意波形发生器，和一台配备了电流探针或某种类 型互阻抗放大器的示波器，用于测量低电流。虽然经过仔细选择仪器和互连电路，完全可能构建一个BTI系统，去满足特定电气条件下的测量需求，但是其仍然具 有多个关键的技术挑战：

波形发生。标准脉冲发生器和任意波形发生器以固定的循环时间间隔产生波形，而不是大多数可靠性测试所需的Log(time)标度，包括NBTI和PBTI测试。

测量时间和数据存储器。尽管示波器经过配置可以根据波形特征(例如下降沿)进行触发，但是它们无法针对波形的特定部分有选择地存储样本。这就需要保存很大的数据集进行后处理。只有最昂贵的示波器或者那些具有存储器扩展功能的示波器，才能保存足够多的数据弥补这些缺陷。

准 确性、精度和灵敏度。偏温不稳定性是一种高度动态的现象，需要灵敏、高速的测量操作才能进行准确的特征分析。假设所有其它因素都保持不变，测量的物理过程 在很大程度上决定了测量速度和灵敏度之间的关系。当进行亚毫秒级测量时，必须把所有的噪声源考虑在内；对于亚微秒级应用，连量子效应也不能被忽略。示波 器、电流探针和互阻抗放大器都有各自特定的性能指标，它们不一定会针对协同工作而进行优化。我们很难在很宽的动态量程上，按照一种能够提供最佳性能的方式 将这些部件组合起来，以实现高速下的精确测量。

互连。自建的系统通常采用分线器和T型头，它们都会限制测试配置的性能。例如，T型头会限制带宽为100ns到10μs。尽管这适合进行高速测量，但是它无法在应力测量序列中进行任何有效的预应力和后应力直流测量。它也无法在10μs到直流的中间时序范围内进行测量。

测试控制与数据管理。传统的示波器不支持数据流，因此必须等到测试结束后才能传输结果。当测试结束时，大量的数据必须传输到控制计算机上进行后处理，需要将复杂的波形解析为单个的测试结果，然后才能进一步减少数据进行实际的测量。

测试终止。既然测试结果要等到从示波器上传输回数据之后才能进行分析，那么测试持续时间在测试开始之前就确定了。这使得我们不可