PCM测试原理及方法简介_final

PCM测试原理及方法简介PCM即Process Control Monitor (工艺控制监控)的缩写。

从名称上我们可以看出PCM测试的基本作用即通过电参数对工艺控制起到监控作用，同时它也是反映产品质量的一种手段。

PCM 作为一个技术支持部门，主要把线上一些工艺异常进行及时的反映出来，在产品入库前对其进行最后一道质量的检验，其作用归纳起来，有如下几点：（1）对产品进行参数质量检验；（2）通过PCM测试，获取线上异常信息；（3）为线上的工艺实验提取参数信息；（4）进行客户反馈产品失效原因分析；（5）数据统计分析工作；PCM测试在划片槽内有专门的测试图形，它们是与芯片内的图形同时完成的，因此它可以有效而准确的反映工艺情况。

但是由于图形本身与电路中管芯并不完全相同，实际情况可能比PCM 图形复杂。

因此圆片在PCM测试完成以后还需要进行中测即成品率测试以反映芯片的功能。

在这里我们只就PCM参数测试从以下四方面进行简要介绍。

一．PCM测试原理及测试系统二．PCM常见参数测试方法三．PCM常见参数描述一．PCM测试原理及测试系统简单的说PCM测试就是在被测器件上施加的一定大小和方向的电流或电压，然后监控被测器件的电压或电流情况来反映被测器件的电学特性来达到监控工艺情况和产品质量的目的。

这一过程是通过一套完整的测试系统来完成的。

PCM测试系统包括控制终端，测试仪，测试头，开关矩阵，探针台和HP-IB CABLE 构成。

系统(以HP4062为例)连线如下图所示：测试过程：计算机控制终端根据我们的要求发出指令（测试程序）控制测试仪和探针台进行动作（例如施加电压）。

测试仪中的SMU单元（Source Monitor Unit，在DCS中）将电压通过AUX Cable 加至测试头上的开关矩阵（SWM），开关矩阵再通过探针的接触将电压加到了被测器件上，SMU单元再根据程序的要求量出所需要的结果（例如电流值），并将这一结果返回计算机内保存，也可以显示在计算机屏幕上。

以此类推，如果我们要测量电容，则是控制测试仪中CMU（电容仪）进行测量。

二．PCM常见参数测试方法目前PCM测试的主要参数项包括：●开启电压（NXSTRW/PXSTRW）●击穿电压（NXSTRW/PXSTRW）●导通电流（NXSTRW/PXSTRW）●单管漏电流（NXSTRW/PXSTRW）●方块电阻（NPLUS/PPLUS/TUBS/PGT/M1LSVDP/M2LSVDP）●接触电阻（NPLUS/PPLUS/PGT/GT）●条形电阻（RESNW/RESPW/RESGT）●电容及电容击穿（CAPNP/CAPPC/TDDB）同时为了满足不同工艺实验要求，我们还会测试一些特殊的参数，例如：（1） COMB 漏电测试（ALLIN3BL/ALLIN3BR）（2） M1/M2 Ratio （ALLIN3BL/ALLIN3BR）（3）有效沟长（NXSTRW2/PXSTRW2）1．MOS Transistor➢开启电压：简单的来说“开启”就是在栅上加电压使硅表面反型，然后在漏上加一定电压，使源漏之间有电流通过的过程。

我们通常用的方法是最大跨导法。

测试时在漏上固定一个电压，扫描栅上电压，找到最大跨导（栅电压的变化对应漏源电流的变化）点。

沿最大跨导点做一漏电流曲线的切线，切线与栅电压的交点为Vintercept, Vth=Vintercept-1/2 Vd。

如下图所示：Ids图1在线性区：Ids =β[ ( Vgs - Vth ) Vds – Vds^2 / 2 ]β= max[ΔIds / ΔVg] / Vds由上面公式推导出： Vth = Vg – [ΔVg / ΔIds] Ids – Vd / 2= Vintercept – Vd / 2另外也有使用饱和法测试的产品，测试时在漏上固定一个电压，扫描栅上电压，在线性区记录漏源电流分别为Ids1，Ids2时对应的栅电压Vg1，Vg2。

利用下面的公式计算：Vth＝)1VgIdsIdsVg-Ids-(Ids*/(2)2*112◆基本测试方法在栅上扫描电压，N管时扫描正电压0-3伏，P管时扫描负电压（–3）-0伏。

在漏上加0.1伏电压（P管时加–0.1伏），源和和衬底接地。

示意图如下：接地●开启电压影响因素1）沟道注入异常导致开启电压失效；2）注入损伤或刻蚀损伤在退火过程中没有消除；3）衬底的浓度异常或阱注入异常；4）栅氧化层的厚度异常；5）沟道的长度异常（对于20/3的管子影响比较明显）；➢击穿电压：通常单管的击穿电压就是在漏上加一个反向电压。

一开始当漏上电压还没有达到击穿电压时，源漏电流很小。

当电压达到击穿电压时，源漏之间的电流会突然增大，达到微安级甚至更高。

这个时候漏上加的电压就是击穿电压。

我们判断达到击穿电压值的条件一般是1µA电流。

在测试MOS管时，有三种不同的连接方式，由此可以判断不同情况的击穿电压。

三种不同连接方式如下图所示：●所测的击穿电压为Bvd/sgt，图3以N管为例。

上图所得结果为漏到栅源衬之间最小的一个击穿。

我们通常在数据报告上打印的Bv就是Bvd/sgt。

● 所测击穿为Bvds/gt ，图4所示仍以N 管为例。

主要考察单结的击穿电压。

图5● 所测击穿为Bvt/sdg ，图5所示还是以N 管为例。

● 击穿电压测试曲线Id1uABvd结合以上三个击穿电压考虑，可以判断各种击穿失效情况，既哪两个极之间穿掉了或者存在漏电。

● 击穿电压影响因素1） 底浓度太浓会造成单结击穿电压偏小； 2） 沟效应会造成源漏串通电压偏小； 3） 栅氧的质量也会影响击穿电压的值； 4） 有源区铝硅互融会影响击穿电压；➢ 导通电流：MOS 管在饱和状态下沟道中所能达到的最大电流。

所以也叫漏源饱和电流。

对于一般工作电压为5V 的管子，我们把在Vg=5v ，Vd=5v 下测到的Ids 就称为导通电流。

对于高压管来说，我们在测试Ids 时，在栅漏上加的电压会根据具体的高压要求变化的。

导通电流测试曲线Vd = 5V●导通电流的影响因素1）衬底浓度的高低与Ion 存在反比的关系； 2） 短沟时Ion 会偏大；3） 栅氧偏薄会造成Ion 偏大；4） 对于有沟注的产品，沟注剂量大小也会影响Ion 的值；➢ 漏电流：在MOS 管没有开启，漏上施加工作电压的情况下的漏源电流。

所以测试方法是：栅上加0V ，在漏上扫描0到5V 的电压（P 管为负5V ），然后测量漏上的电流I ds 。

单管漏电流测试曲线漏电流正常曲线（即无漏电时的曲线） 漏电流异常曲线（即有漏电的曲线）●单管漏电流的影响因素1）短沟会造成漏电流偏大；2）栅氧质量好坏也会引起漏电流的变化；3）沟道表面的一些沾污会造成漏电流的偏大；➢衬底电流：测试衬底电流是在漏上加一恒定电压例如：5V，扫描栅电压，测到的最大衬底电流即为要得的值。

衬底电流的曲线如下图所示：Vg图5➢有效沟长：由于源，漏都有横向扩散，所以比如一个20/0.6的管子，他的理论沟长是0.6微米，但是他的有效沟长肯定小于0.6微米。

见下图：理想模式实际模式计算公式：Leff(x) =β(□) [ L(□) – L(x) ] / [ β(x)- β(□) ] L(□) 指方管的沟长理论值；L(x) 指所求沟长的理论值β(x) 指所求管子的跨导β(□) 指方管的跨导●有效沟长主要影响因素1）源和漏的横向扩散；2）源和漏的结深；3）SPACER腐蚀异常；4）多晶条宽异常；➢ 衬底调制系数：测试时，我们先得到衬底零偏压下的MOS 管开启，也就是通常我们所说的开启电压（Vt1）。

然后再测试衬底加偏压下的开启（Vt2）。

N 管加负偏压（-3.5V ），P 管加正偏压（3.5V ） 。

计算公式为：Kbe = ( Vt2 – Vt1 ) / 1.18➢ Snapback ：也就是最大工作电压。

测试时，Vg=5V ，扫描Vd 。

先测试5V 下的Ion ，然后在Ion 的曲线上找到1.2倍Ion 时的Vd 即为Snapback 。

2．Field Transistor➢ 场开启：测试场开启有两种情况。

一种是场管的漏栅接在一起同步扫描。

判断场管开启的条件是Id=1µA ，此时的栅电压即为场开启。

另一种情况是漏上加一恒定电压，扫描栅电压。

判断条件与前一种一样。

这两种不同的测试方法是根据PCM 测试图形中不同的场管结构而定的。

3． Resistor➢ 范德堡电阻：为了控制N+，P+，PWELL 的浓度，以及POLY 掺杂的浓度，我们还对N+，P+，PWELL ，以及POLY 的电阻率进行测试。

范德堡电阻就是一个标准的正方形电阻，它有四端连线。

这样的结构测试时不用再考虑方块数。

它的大小会受杂质浓度和接触电阻的影响。

我们通常用加电流测电压的方法。

234VDP 测试结构图测试模块（NPLUS/PPLUS/PGT/M1LSVDP/M2LSVDP ）公式为：Rvdp = 4.53 * Vmeas / I force➢ 条形电阻：我们通常也采用加电流测电压的方法。

测试所得结果还要除以该电阻的方块数。

公式为：Rs = ( Vmeas / Iforce ) / ( L / W ) 其中L 是条电阻的长度，W 是条电阻的宽。

● 电阻主要影响因素1） 对于N+，P+，POLY ，PWELL 的电阻大小有掺杂的浓度决定； 2） N 性衬底浓度大小会影响P+，PWELL 电阻的大小； 4）PWELL 浓度对N+浓度也会有一定的影响；➢ 接触电阻：接触电阻通常采用KELVIN 结构测试，在相对两端加电流，然后测试另外相对两端的电压。

所加电流的大小视电阻的大小而定，两者之间是反比关系。

如下图所示：（以N+ Cont Res 为例）图6其等效电路图为： Rc= V / IAL Rs AL 图7从上面等效电路图可以看出，我们测到的Rc 为纯粹的接触孔电阻，而不会受到外围AL 线以及N+孔链的影响。

●电阻正常测试曲线 电阻测试异常曲线● 接触电阻影响因素1） 触孔没有开通接触电阻会返回值1.0E+20； 2） 触孔表面形貌不好会使接触电阻变大； 3） 孔的过腐蚀会使N+,P+ 接触电阻变大；4） N+,P+ 的表面浓度会影响接触电阻的大小； 5） 接触孔面积的大小；4．Others➢ 电容击穿：一般的电容介质是二氧化硅。

由于二氧化硅是绝缘体，在一般情况下是不导电的。

但是有一个外加电场存在时，当外加电场强度所提供的能量已经足以把一部分满带的电子激发到导带时，这个时候二氧化硅不再表现为绝缘性质，而是已经开始导电。

电容击穿的测试是在氧化层的一端，多晶上扫描电压，然后把氧化层的另一端衬底（或多晶）接地，来测试电容的击穿电压。

当电流达到1uA 的时候，认为电容此时被击穿。