CC BY
22
УДК 621.3.083.92: 621.317.35: 621.317.619
ИСТОЧНИК-ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР НА ПЛАСТИНЕ
Г.В.Гудков, А.В.Желаннов*, А.С.Ионов*, Б.И.Селезнев, А.В.Штро
SOURCE MEASURE UNIT FOR MAKING PULSE MEASUREMENTS OF CHARACTERISTICS OF POWER SEMICONDUCTOR STRUCTURES ON THE WAFER
G.V.Gudkov, A.V.Zhelannov*, A.S.Ionov*, B.I.Seleznev, A.V.Shtro
Институт электронных и информационных систем НовГУ, ggudkov@yandex.ru *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, ionovas@okbplaneta.ru
Рассматриваются оборудование и методика зондовых импульсных измерения вольтамперных характеристик силовых диодов в области больших прямых токов. Приведена структурная схема программируемого устройства, сочетающего функции источника измерительных импульсов и измерителя напряжения и тока. Сравниваются результаты измерений, выполненных данным источником-измерителем, с результатами, полученными с помощью системы Keithley 4200-SCS.
Ключевые слова: вольтамперная характеристика, импульсные измерения, импульсное воздействие, источник-измеритель, полупроводниковая структура, диод Шоттки
This article considers the equipment and technique for making probe pulse measurements of voltage-current characteristics of power diodes in the region of high forward currents. A block diagram of programmable device combining the functions of a pulse source and a voltage current meter, is presented. The results of measurements performed with this source measure unit are compared with the results obtained using the Keithley 4200-SCS system.
Keywords: voltage-current characteristic, pulse measurements, pulse action, source measure unit, semiconductor structure, Schottky diode
Введение
Важнейшим этапом технологического процесса изготовления полупроводникового прибора является контроль его электрических параметров на соответствие требованиям технических условий. Этот контроль начинается непосредственно после формирования приборных структур на пластине, что позволяет исключить из дальнейшего технологического процесса те из них, значения параметров которых выходят за установленные пределы. Измерения параметров осуществляются с использованием зондовых станций и специального тестового оборудования. В условиях производства используют, как правило, автоматизированные методы измерений, в процессе конструкторско-технологических работ — ручные.
Наиболее полную информацию о параметрах структур можно получить по результатам измерений вольтамперных характеристик (ВАХ). В настоящее время ведущими мировыми производителями на рынке измерительной техники представлена широкая номенклатура оборудования для измерения ВАХ полупроводниковых структур на пластине и готовых приборов в корпусе. Большинство из них комплектуется по модульному принципу, позволяющему по заказу потребителя включать в состав измерительных систем опции, обеспечивающие выполнение нескольких видов измерений [1]. Однако следует заметить, что хотя та или другая система предназначена для решения целого ряда измерительных задач, зачастую их возможности ограничены. Особенно это касается диапазона токов и напряжений. Для изме-
рения ВАХ силовых структур приходится использовать специальное оборудование, такое, например, как производимый Keysight Technologies анализатор B1506A, предназначенный для автоматизированного тестирования силовых полупроводниковых приборов. Приобретение таких систем не всегда экономически обоснованно, а отечественная промышленность практически не производит их аналогов. По этой причине разработчики электронных компонентов вынуждены сами создавать измерительные устройства, хотя и уступающие по своим метрологическим характеристикам изделиям зарубежных производителей, но имеющие многократно меньшую стоимость. Почти всегда они представляют собой совокупность конструктивно обособленного блока источника-измерителя, который формирует измерительное воздействие и выполняет измерение отклика на него, и связанного с ним посредством того или иного интерфейса персонального компьютера (ПК), который осуществляет управление [2]. Использование ПК значительно расширяет возможности устройства, например, обеспечивает визуализацию ВАХ, а также автоматизацию процесса измерения, сохранения и обработки результатов, в том числе расчет параметров. Для этого должно быть разработано соответствующее программное обеспечение. Аппаратная часть источника-измерителя обязательно содержит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также может включать в себя блок питания, управляемые источники, преобразователи ток-напряжение и т. д.
1. Методы измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов
Существуют различные методы измерений, которые можно классифицировать по различным признакам [3]. По характеру подаваемых измерительных воздействий они могут быть непрерывными, импульсными и комбинированными. При непрерывном воздействии на тестируемую полупроводниковую структуру подается непрерывный во времени сигнал с изменяющейся амплитудой, имеющий чаще всего ступенчатую форму. При этом, как правило, используются цифровые, в том числе компьютерные, измерительные системы. Главным недостатком непрерывных методов является то, что через измеряемую полупроводниковую структуру постоянно протекает ток, что приводит к ее разогреву. Это особенно актуально в следующих случаях:
а) при измерении ВАХ силовых полупроводниковых структур, так как при этом через них протекают большие токи;
б) при многократной подаче воздействия на тестируемую структуру, например при измерении семейств характеристик транзисторов;
в) при измерении ВАХ структур СВЧ-транзисторов, так как при этом помимо разогрева имеет место захват носителей заряда [4].
При импульсном воздействии на тестируемую полупроводниковую структуру подается последовательность измерительных импульсов различной амплитуды. В большинстве случаев используют импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых изменяется по линейному закону. В паузах между импульсами воздействие на структуру отсутствует и она охлаждается. Благодаря этому импульсный метод измерений позволяет расширить диапазон измерений за пределы области безопасного режима работы, т. е. высокой рассеиваемой мощности и электрического
пробоя, без повреждения прибора. Импульсные методы также представляют ценность для экспериментов по изучению физических процессов в приборах и исследованию новых систем приборов и материалов на начальной стадии разработки [4].
Комбинированные методы используют при измерении ВАХ приборов с тремя выводами, например выходных характеристик транзисторов. В этом случае воздействие в выходной цепи будет импульсным, а во входной — непрерывным.
2. Устройство и работа виртуального источника-измерителя
Разработанный нами источник-измеритель VAH_10 предназначен для импульсных измерений ВАХ диодных и транзисторных структур на пластине в области больших прямых токов (до 10 А). Прибор имеет два идентичных измерительных канала. Управление прибором осуществляется посредством ПК. Связь между ПК и микроконтроллером C8051F353, который управляет измерительными каналами 1 и 2, осуществляется по последовательному интерфейсу. Структурная схема прибора показана на рис.1.
Микроконтроллер формирует воздействующую импульсную последовательность в виде последовательного цифрового кода, который передается в ЦАП1, ЦАП2 через DATA. Чтобы активировать ЦАП1, ЦАП2, подается «0» на CS1 и CS2 соответственно. В случае, когда в качестве измерительного воздействия заданы импульсы тока, «0»
подается на CS1. Если заданы импульсы напряжения, то «0» подается на CS2 . На выходе соответствующего ЦАП формируется последовательность импульсов напряжения с возрастающей амплитудой.
Рис.1. Структурная схема источника-измерителя 9
Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), преобразует импульсы напряжения, поступающие от ЦАП1, в импульсы тока. Источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), усиливает импульсы напряжения, поступающие от ЦАП2. Имеется обратная связь, которая позволяет более точно осуществлять установку напряжения. ИТУН поддерживает постоянный ток на выходе, а ИНУН — заданное напряжение на своем выходе независимо от нагрузки. ИТУН и ИНУН включены параллельно.
Измеритель тока (ИТ) усиливает напряжение, падающее на резисторе Rизм при протекании тока. Сигнал с выхода измерителя тока подается на плату
микроконтроллера, где оцифровывается встроенным в микросхему контроллера С805№353 АЦП. Резистор Rизм при любом воздействии (импульсы тока или импульсы напряжения) включен последовательно с измеряемой структурой, поэтому ток через этот резистор равен току, протекающему через структуру.
Оконечные каскады ИТУН и ИНУН выполнены на мощных МОП-транзисторах, установленных на радиаторах. Для более активного охлаждения осуществляется принудительная циркуляция воздуха с помощью вентиляторов.
Кратко рассмотрим работу описанного выше источника-измерителя VAH_10. При запуске управ-
Рис.2. Основное окно управляющей программы
Рис.3. Окно «Настройка источников» 10
ляющей программы открывается окно, изображенное на рис.2. В верхней части окна имеются две закладки — «Измерение» и «Настройка», при этом последняя используется только при проведении калибровки прибора. Назначение первой закладки представлено на рис.3. Прежде всего здесь запускается процесс измерения (клавиша «Пуск») и строится график измеряемой ВАХ. Слева расположены элементы, позволяющие выбрать вид цифрового фильтра и его параметры. Здесь же можно разрешить работу вентиляторов воздушного охлаждения и задать мощность, рассеиваемую структурой, при которой произойдет их автоматическое включение. В нижней части имеются два поля, куда должны быть введены временные параметры импульсного воздействия — длительность импульса (левое поле) и длительность паузы между импульсами (правое поле). Справа расположена клавиша «Сохранить», предназначенная для запоминания результатов измерений в виде файла с расширением .dat. Левее находится клавиша «Настройка», кликнув на которую, оператор открывает окно «Настройка источников» (рис.3). Здесь прежде всего необходимо из выпадающего списка «Меняем» выбрать вид импульсного воздействия, т. е. импульсы напряжения (U) или импульсы тока (I), а из выпадающего списка «Измеряем» — величину, которую будем измерять, т.е. ток (I) или напряжение (U). Для импульсного воздействия необходимо задать параметры развертки — минимальное и максимальное значение амплитуды импульсов, а также шаг, с которым она изменяется. Для измеряемой величины задается максимальное значение, при достижении которого процесс измерения останавливается. Источник 2 используется при тестировании структур с тремя выводами, когда воздействие прикладывается одновременно к входной и выходной цепи.
3. Методика измерений ВАХ диодных структур на пластине
Измерения выполняются по четырехпроводной схеме (схеме Кельвина). Это позволяет исключить влияние сопротивления кабелей и контактов зондов со структурой на результаты измерений. Кабели и зонды, через которые импульсное воздействие подается на структуру, будем называть токовыми, а кабели и зонды, предназначенные для дистанционного считывания отклика (падения напряжения на структуре) — потенциальными. Считываемое падение напряжения оцифровывается таким же образом, как и при рассмотренном выше измерении тока. При измерении ВАХ диодных структур достаточно одного канала. Токовый зонд, соединенный с выходом ИТУН или ИНУН, устанавливается на анод структуры, туда же устанавливается потенциальный зонд, соединенный со входом встроенного АЦП. Оставшаяся пара зондов (токовый и потенциальный), каждый из которых соединен с общим проводом источника-измерителя, устанавливается на катод структуры. При измерении ВАХ вертикальных диодных структур катодом является металлизация подложки. При этом протекание тока через структуру и измере-
ние падения напряжения обеспечивается при установке вышеупомянутой пары зондов, соединенных с общим проводом, непосредственно на держатель пластин.
При импульсных измерениях ВАХ полупроводниковых структур очень важно правильно выбрать параметры импульсного воздействия. Эта задача осложняется тем, что в разных полупроводниковых приборах происходят разные физические процессы. При этом прибор (структура) может находиться в одном из следующих состояний [3]:
— произвольном;
— изотермическом;
— изодинамическом;
— изотермическом и изодинамическом одновременно.
Очевидно, что для силовых полупроводниковых структур, если только они не относятся к СВЧ устройствам, необходимо обеспечить изотермическое состояние, т. е. постоянство их температуры в процессе измерения. Это означает, что за время импульса структура не должна сильно разогреваться, а в паузе между импульсами успевать полностью остыть. Зондовые измерения имеют свою специфику, так как в первую очередь разогреваются места контактов зондов со структурой. Сопротивление контакта может достигать 1 Ом, так что при токе в несколько ампер мгновенная мощность может составлять десятки ватт. При этом номенклатура зондов, которые могут использоваться на имеющейся в нашем распоряжении зондовой станции, сильно ограничена (максимальный диаметр полусферического наконечника 100 мкм), что усугубляет проблему. Таким образом, оптимальное отношение длительности импульса к паузе может быть установлено только опытным путем.
4. Анализ результатов испытаний
Целью проведения испытаний являлись подбор оптимального режима измерений и оценка достоверности результатов, полученных с использованием источника-измерителя VAH_10. ^Шку 4200-SCS выступает в данном случае в качестве эталона. К сожалению, диапазоны измерений этих приборов перекрываются только в небольшом интервале токов (примерно от 0,1 до 0,7 А).
В качестве объекта измерений были использованы GaN диоды Шоттки с вертикальной структурой на подложке из SiC [1], имеющие различный диаметр выпрямляющего контакта (300 мкм, 150 мкм, 75 мкм). Прямые ветви ВАХ исследуемых структур были измерены двумя приборами: ^Шку 4200-SCS и VAH_10. Чтобы минимизировать негативные последствия подключения через держатель [3], частота следования импульсов устанавливалась достаточно низкой (не более 100 Гц). Опытным путем было установлено, что коэффициент заполнения (отношение длительности импульса к периоду следования) не должен превышать 0,1%. Развертка по напряжению выполнялась с шагом 0,1 В. При выполнении измерений были использованы зонды с диаметром наконечника 50 мкм. В ходе эксперимента было определено макси-
мальное значение импульсного тока, не приводящее к разрушению контактных площадок. Оно составило около 4 А.
Графики измеренных ВАХ для разных диаметров выпрямляющего контакта представлены на рис.4. В области малых токов (до 100 мА) VAH_10 имеет высокий уровень шумов. Наиболее вероятной причиной является использование в качестве источника питания данного источника-измерителя блока питания от ПК, который имеет заметные пульсации выходных напряжений. В области больших токов графики ВАХ, измеренных КейЫеу 4200-SCS и VAH_10, для структур с диаметрами контактов 75 мкм и 150 мкм практически совпадают. Графики для структур диаметром 300 мкм имеют разный наклон. Это является следствием того, что структура подключается к КейЫеу 4200-SCS по двухпроводной схеме, в результате чего измеряется не напряжение на структуре, а суммарное напряжение на структуре и контактах. В результате график ВАХ, измеренной КейЫеу 4200-SCS, имеет меньший наклон. Так как структуры диаметром 75 мкм и 150 мкм в рассматриваемой области токов имеют большее сопротивление по сравнению со структурой диаметром 300 мкм, то влияние сопротивления контактов сказывается меньше, и графики ВАХ совпадают.
-Keitley 4200-SCS -VAH_10
I 3
; • / ■
ж
Ш'
; / r \ j
: ; 3
i : У . i i
; : ;
\ : : : JT : : : : :
—;— —;— ... г..;...;...;...!...;... —i—
--i —г — J — j.—| — | — | — | — ^— ^—J
□ 123456 ?■
Напряжение. В
а
Напряжение. R б
-Keith ley 4200-SCS -VAH_10
—
i i i i i i i
1 i
0.3 03 з.О 1.5 2.0 2.1 3.0 4,0 4.5
Напряжение В
в
Рис.4. Прямые ветви ВАХ GaN диодов Шоттки с вертикальной структурой на проводящей SiC подложке при различных диаметрах выпрямляющего контакта: а) 75; б) 150; в) 300 мкм
Заключение
Источник-измеритель VAH_10 представляет собой доступное и недорогое решение при необходимости выполнения измерений ВАХ в области больших токов. В то же время по результатам испытаний было выявлено, что в области токов до 0,1 А прибор имеет высокий уровень шумов. Было подтверждено, что четырехпро-водная схема измерений позволяет исключить погрешность, вносимую сопротивлением контактов между измерительными зондами и структурой. Установлено, что соотношение длительность /период (коэффициент заполнения) для импульсной последовательности не должно превышать 0,1%. Для зонда с диаметром наконечника 50 мкм разрушение контактной площадки структуры происходит при токе около 4 А.
Публикация подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках проектной части государственного задания, проект №3.3572.2017/ПЧ.
1. Гудков Г.В., Желаннов А.В., Ионов А.С. и др. Измерительный комплекс характеристик микроструктур на пластине // Вестн. НовГУ. Сер.: Техн. науки. 2016. №7 (98). С.12-16.
2. Кудреватых Е.Ф. Виртуальный измеритель вольтампер-ных характеристик полупроводниковых приборов АСС-4211 // Контрольно-измерительные приборы и системы. 2002. №1. C.17-19.
3. Ермоленко Е.А. Классификация методов измерения вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2014. № 2-3. С.3-11.
4. Parker A., Rathmell J., Scott J. Pulsed measurements. Boca Raton: CRC Press, Inc., 2003. 28 p.
References
1. Gudkov G.V. et al. Izmeritel'nyi kompleks kharakteristik mikrostruktur na plastine [Measuring complex for characterization of microstructures on wafers]. Vestnik NovGU. Ser. Tekhnicheskie nauki - Vestnik NovSU. Issue: Engineering Sciences, 2016, no. 7(98), pp. 12-16.
2. Kudrevatykh E.F. Virtual'nyi izmeritel' vol'tampernykh kharakteristik poluprovodnikovykh priborov ACC-4211 [The PC-based universal meter ACC-4211 for measurement of voltagecurrent characteristics of semi-conductor devices]. Kontrol'no-izmeritel'nye pribory i sistemy - Test & Measuring Instruments and Systems, 2002, no. 1, pp. 17-19.
3. Ermolenko E.A. Klassifikatsiia metodov izmereniia vol'tampernykh kharakteristik poluprovodnikovykh priborov [Classification of methods for measuring current-voltage characteristics of semiconductor devices]. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2014, no.2-3, p.3-11.
4. Parker A., Rathmell J., Scott J. Pulsed measurements. Boca Raton, CRC Press, Inc., 2003.
