芯片测试大讲堂——半导体参数测试与避坑指南

 

 

芯片测试大讲堂系列

又和大家见面了

 

本期我们来聊聊

半导体参数测试

内容涉及半导体参数测试原理，

参数测试面临的挑战与实测避坑指南。

 

   

前言

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半导体元器件是构成现代电子设备和系统的基础，其性能的好坏、稳定性的高低直接影响到电子设备的性能和可靠性。从最笼统的角度说，我们可以利用半导体参数分析仪对半导体器件进行IV参数测试，即电压和电流关系的测试，也可以延展到CV参数测试即电容相关的测试。

通过以上测试，我们可以得到半导体器件的电阻特性、电容特性和晶体管的增益特性；也可以通过精密的电器特性测量，得到器件的工艺参数直至半导体器件的物理信息，如离子注入浓度（也称掺杂浓度）、薄膜厚度、线宽和氧化电荷等。经常涉及的测量参数如下图：

图：半导体参数测试列表

这些参数的测试对于判断半导体器件的性能、分析其工作机制，以及进行进一步的器件优化都有着极其关键的作用，下面的篇幅，我们重点就直流静态参数测试展开。

 

 

 

半导体静态参数测试简介

 

静态参数主要是指本身固有的，与其工作条件无关的相关参数，主要包括：门极开启电压、门极击穿电压，集电极发射极间耐压、集电极发射极间漏电流、寄生电容（输入电容、转移电容、输出电容），以及以上参数的相关特性曲线的测试。

除了普通硅基(Si)，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等全新宽带隙材料能够支持大电压和高切换速度，在新兴大功率应用领域具有广阔前景，IGBT/SiC/GaN器件与模组，可以作为众多应用的电子开关，并且其重要性持续增加。在高电压直流偏置条件下(高达 3 kV)，高击穿电压(达 10 kV)、大电流(数千安培)、栅极电荷以及连接电容表征和器件温度特征和GaN器件电流崩溃效应测量功能都十分必要，是推动新器件尽快上市的重要保证。

面对功率器件高压、高流的测试要求，可以使用B1505A和B1506A对芯片、分立器件及模组等功率器件进行全参数测试，包括：

❶ 测量所有IV参数(Ron、BV、泄漏、Vth、Vsat等)；

❷ 测量高电压3kV偏置下的输入、输出和反向转移电容；

❸ 自动CV测试；

❹ 测量栅极电荷(Qg)；

❺ 电流崩塌测试；

❻ 高低温测试功能（-50°C至+250°C）。

 

 

一个典型的测试案例如下：

 

使用B1506A的Datasheet测试功能对某IGBT功率模块进行实测，整个测试过程使用非常简单，在极短的时间内完成IV、CV和Qg参数测试。具体测试步骤如下：

❶ 选择IGBT测试模板，按照测试要求设置测试条件；

❷ 设置测试曲线的显示范围；

❸ 选择需要测试的参数；

❹ 点击执行测试。

图：IGBT模块Datasheet测试步骤

 

测试完成后，可以生成Datasheet测试报告如下所示，包括IV参数（击穿电压、漏电、开启特性），CV参数（Rg、输入、输出和反向传输电容）和栅极电荷Qg。

图：功率器件测试结果

 

 

 

实测避坑指南

 

 

在实际测量中，工程师会遇到不同的问题和困扰，这里总结了一些常见的可能出现的问题，帮大家在实际工作中避坑。

01

接地单元Ground Unit (GNDU) 连接使用

           

接地单元不能直接使用，必须通过设备自带的适配器进行连接后，适配器把接地单元的输入转换成Source和Sense，与SMU的输出对应。

 

02

不单独使用Sense接口去做测试

           

如果用Sense接口做测试，电流会流经内部电阻Rs，如果DUT电阻小，测量精度会受到影响，Force才是真正驱动输出的接口。

Tips：把Sense作为观测通道，可连接到示波器，观看输出测量的电压变化过程。

 

03

HFCV 测试的注意事项

           

a. 连接的线缆必须共地，否则线缆之间的互感影响会导致测量电容的精度下降；

b. CV测量时的Ground不与大地直接相连；

c. 测量的双线连接线，越短越好，减少寄生参量的影响。

 

04

电流类SMU模块的连接

            电流类模块端口定义与功率模块不同，电流类模块是自回流系统，所以连接接口不能直接使用，需要通过Kelvin转接器转成4个接口使用。

 

05

大电流测试曲线异常

           

出现大电流测量异常，可能原因包括：

a. 脉冲设置参数不对，如脉宽太短等原因，通过增加脉宽和增加测量时间来修正；

b. 震荡，通过双绞线连接以减小互感；通过对栅极串联电阻的选择以减小信号反射的震荡；通过外加磁环减少互感；通过栅极接50欧姆电阻到地吸收放射信号等方法改善DUT稳定性来消除自激。

 

06

测试超低电流软件设置

           

pA/fA级别电流设置，注意事项如下：

a. 测试模式Trace Mode选择精确测试Fine；

b. 增加每点测量时间NPLC,如每点测量时间=50Hz*10=20ms*10=200ms；

c. 增加每点测试延迟时间Delay Time。

 

07

关于屏蔽，连接等

           

 

   

是德科技半导体

参数测试家族

 

 

是德科技拥有完整的

半导体参数测试方案

 

如下图 ☟

图：是德科技半导体参数测试家族

 

包括静态参数测试的B1500A/B1505A/B1506A系列，模块化的E5260A/E5270B系列，动态参数DPT测试的PD1500A/PD1550A系列；欢迎大家与我们探讨。

 

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关于是德科技

 

是德科技（NYSE：KEYS）启迪并赋能创新者，助力他们将改变世界的技术带入生活。作为一家标准普尔 500 指数公司，我们提供先进的设计、仿真和测试解决方案，旨在帮助工程师在整个产品生命周期中更快地完成开发和部署，同时控制好风险。我们的客户遍及全球通信、工业自动化、航空航天与国防、汽车、半导体和通用电子等市场。我们与客户携手，加速创新，创造一个安全互联的世界。了解更多信息，请访问是德科技官网 www.keysight.com.cn。

 

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原文标题：芯片测试大讲堂——半导体参数测试与避坑指南

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