精确测量功率MOSFET的导通电阻

2012-01-09

　　电阻值的测量通常比较简单。但是，对于非常小阻值的测量，我们必须谨慎对待我们所做的假定。对于特定的几何形状，如电线，Kelvin方法是非常精确的。可以使用类似的方法来测量均匀样本的体电阻率和面电阻率，但是所使用的公式不同。在这些情况下，必须考虑探针间距和样本厚度。仅仅运用Kelvin法本身无法保证精度。如果布局和连接数发生变化，就很难精确地预测非均匀几何形状的电阻。

　　MOSFET最重要的特性之一就是漏极到源极的导通电阻（RDS(on)）。在封装完成之后测量RDS(on)很简单，但是以晶圆形式测量该值更具有其优势。

　　晶圆级测量

　　为了保证Kelvin阻值测量的精度，需要考虑几项重要的因素：(1)待测器件（DUT）的几何形状；(2)到器件的接线；(3)材料的边界；(4)各种材料（包括接线）的体电阻率。

　　一种测量RDS(on)的典型方法是在卡盘（Chuck）和接触晶圆顶部的探针之间产生电流。另一种方法是在晶圆的背面使用探针来代替卡盘。这种方法可以精确到2.5mΩ。

　　一种较大的误差来源于晶圆和卡盘之间的接触（如图1所示）。因为卡盘上以及晶圆背面粗糙不平，所以只有在个别点进行电气连接。晶圆和卡盘之间的接触电阻的数值足以给RDS(on)的测量引入较大的误差。仅仅重新放置卡盘上晶圆的位置就会改变接触区域并影响RDS(on)的测量结果。

图1 典型的测量结构，横截面视图

　　另一种测量偏差来源是探针的布局。如果移动了强制电流探针，电流的分布模式将发生变化。这会改变电压梯度模式，而且会改变电压检测探针处的电压。

　　相邻晶粒方法

　　需要的设备包括：(1)带有6个可用探针的探针台；(2)电压计；(3)电流源。将晶圆和导电的卡盘隔离开这一点非常重要。如果晶圆与卡盘存在接触，那么这种接触将造成电流以平行于基底的方式流动，改变了测量结果。可以用一张纸将晶圆和卡盘隔离开。

　　到漏极的连接是通过在待测器件的另一侧使用相邻的完全相同的器件来实现的。内部晶圆结构要比晶圆和卡盘之间的连接牢固得多。因此，相邻晶粒方法要比传统的RDS(on)测量方法精确得多。

　　图2显示了测量的结构。3个MOSFET和6个探针均在图中显示出来，电接触则示意性地画出。中间的MOSFET是待测器件。

图2 RDS(on)测量结构

　　所显示的极性属于N沟道MOSFET。漏极电流受限于探针的电流传输能力。左侧的MOSFET的作用是在待测器件的漏极侧施加电流。待测器件右侧的MOSFET用于测量漏极电压。

　　在MOSFET中，如果栅极开启，而且漏极到源极之间没有电流，那么漏极和源极的电压相等。这种方法就利用这个原理来测量探针D上的漏极电压。

　　栅极偏压被连接在探针C和E之间。如果连接在探针B和E之间，那么探针B和源极焊盘之间的电压降会降低待测器件上的实际栅极电压。因为在RDS(on)测量过程中没有电流通过，所以探针C上不存在电压降。

　　相邻晶粒方法确实需要右侧的MOSFET（在探针D和F之间）处于工作状态。如果这个晶粒上的栅极和源极被短路，那么测量结果可能不正确。

　　RDS(on)的取值是通过计算Vdc/IAB得到的，但是也可以得到更加精确的RDS(on)取值。

　　FEA辅助确定RDS(on)测量值

　　尽管相邻晶粒法很精确，但是它并不能给出RDS(on)完全精确的测量值。为了得到仅由有源区贡献的RDS(on)，可以将测量结果与仿真进行对比。

　　有限元分析（FEA）软件可以用来为测量结构建模。一旦建立了有源区电阻和RDS(on)测量值之间的关系，就可以根据测量结果确定有源区的电阻。

　　仿真模型是3个MOSFET和晶圆的一部分的三维表示。

　　在有限元模型中，有源区电阻是已知的。FEA软件用来对测试结构建模并计算RDS(on)测量结果。

　　仿真过程进行两次，使用两个不同的有源区电阻值来计算结果。因为响应的线性相当好，所以电阻值是任意选取的。对每种晶粒的尺寸，这种仿真只需要进行一次。

　　利用仿真测量结果和实际有源区的电阻之间的关系，可以得到一个公式，用来根据相邻晶粒方法的测量值计算有源区电阻。

　　相邻晶粒方法

　　有几项因素会给测量引入误差。最重要的因素是探针的位置以及基底的电阻率。

　　从仿真结果可以看出，有些因素对测量结果的影响非常小。基底的厚度通常是200μm。厚度从175μm变化到225μm只会给RDS(on)带来1%的误差（仿真的测量结果）。同样，背垫金属表面电阻的变化对结果的影响也不会超过1%。仿真得到的一项惊人的结果表明，顶部金属厚度和电阻率对结果的影响也可以忽略不计。

　　基底电阻率的变化会给RDS(on)测量结果带来线性响应。图3显示了远远超出实际基底正常分布的基底电阻率。这样做是为了显示响应是线性的。