顧漢玉，廖遠光

（華潤賽美科微電子（深圳）有限公司，廣東 深圳 518116）

MOSFET （Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor）是金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效晶體管的簡稱，中文簡稱MOS管，是一種典型的半導(dǎo)體功率器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步，MOS管性能提升明顯，應(yīng)用日益廣泛。電源控制和電源轉(zhuǎn)換是MOS管大量使用的一個重要領(lǐng)域，在這類應(yīng)用中，MOS管通常作為開關(guān)使用，導(dǎo)通電阻是最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，直接影響到應(yīng)用電路的穩(wěn)定性。因此，導(dǎo)通電阻的準確測量成為MOS測試的重點。

1 低導(dǎo)通電阻MOS管簡介

MOS管按照柵極的功能可分為增強型和耗盡型，按照溝道的材料類型可分為P溝道或N溝道，兩種組合起來共四種類型，一般主要應(yīng)用的為增強型的NMOS管和增強型的PMOS管。與傳統(tǒng)的晶體管相比，MOS管具有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、安全工作區(qū)大、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點[1]。MOS管的主要參數(shù)有：

V（BR）DS：漏源極擊穿電壓；

RDS（on）：MOS導(dǎo)通時漏源之間的電阻；

RDS（on）＠ID：漏極工作電流為 ID時的漏源極導(dǎo)通電阻；

ID：最大漏極工作電流；

PD：最大漏極耗散功率。

半導(dǎo)體廠家設(shè)計了多種規(guī)格的MOS管滿足各種不同的應(yīng)用需求。漏源極擊穿電壓的范圍從幾伏到上千伏，最大漏極耗散功率從幾瓦到幾百瓦，導(dǎo)通電阻從幾毫歐到數(shù)百歐，設(shè)計工程師可以選擇合適的型號滿足設(shè)計要求。

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，MOS管的性能不斷提升，擊穿電壓越來越高，導(dǎo)通電阻越來越小，很多產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻已經(jīng)在毫歐的量級（稱為低導(dǎo)通電阻MOS管），這對于產(chǎn)品應(yīng)用非常有利，可以降低MOS管的功耗，實現(xiàn)更大的工作電流，也提高了電路的轉(zhuǎn)換效率。

2 MOS管測試

在MOS管生產(chǎn)制造過程中，測試是保證其質(zhì)量及剔除不良品的重要環(huán)節(jié)。測試通常由自動測試設(shè)備ATE（Automatic Test Equipment）、機械手（HANDLER）、 負 載 板（LOADBOARD，也叫 DUT板）等構(gòu)成的系統(tǒng)來完成。典型MOS管測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型MOS管測試系統(tǒng)

ATE是由測試儀和計算機組合而成的測試系統(tǒng)，擁有各種參數(shù)測試必須的各種資源，包括精密測量單元PMU （Precision Measurement Unit）、 器件供電單元 DPS（Device Power Supplies）、高速存儲器（Pattern Memory）、向量生成器、繼電器控制矩陣等。負載板是把測試儀資源信號轉(zhuǎn)換為被測IC所需信號的電路模塊。機械手作用是：通過機械裝置，依次逐個將需要測試的IC連接到測試回路中，并根據(jù)測試機測試的結(jié)果（PASS/FAIL），將被測IC放到相應(yīng)的料管中，從而實現(xiàn)良品與不良品的篩選。

測試是由HANDLER觸發(fā)測試儀ATE根據(jù)計算機程序控制的電流電壓信號通過負載板加到被測IC，再根據(jù)測試儀采集回的數(shù)據(jù)進行判斷并返回測試結(jié)果給HANDLER進行篩選的過程。

對于較小電阻的測量（如參數(shù) Rds（on）），采用的是開爾文測試（或稱四線測試法），如圖2所示。開爾文連接有兩個要求：對于每個測試點都有一條激勵線F和一條檢測線S，兩者嚴格分開，各自構(gòu)成獨立回路；同時要求S線必須接到一個有極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線S的電流極小，近似為零。圖2中r表示引線電阻和探針與測試點的接觸電阻之和。由于流過測試回路的電流為零，在 r3、r4上的壓降也為零，而激勵電流i在r1、r2上的壓降不影響i在被測電阻上的壓降，所以電壓表可以準確測出Rt兩端的電壓值，從而準確測量出Rt的阻值。測試結(jié)果和r無關(guān)，有效地減小了測量誤差。按照作用和電位的高低，這四條線分別被稱為高電位施加線（HF）、低電位施加線（LF）、高電位檢測線（HS）和低電位檢測線（LS）。

圖2 開爾文測試法

3 傳統(tǒng)低導(dǎo)通電阻MOS管測試中的問題

傳統(tǒng)的MOS管測試通常是根據(jù)MOS管的參數(shù)測試項目，編寫測試儀的加壓加流、測壓測流及相應(yīng)繼電器控制等測試控制程序，根據(jù)預(yù)定好的參數(shù)測試流程項目對每一項進行測試，遇到某一項的測量數(shù)值超過規(guī)范的范圍時則認為是失效（FAIL）并被分到FAIL的BIN分，全部測量項目測量值都在對應(yīng)參數(shù)測試項目的指標范圍內(nèi)時則認為是PASS并分PASS的BIN分。例如NMOS管8205的原測試項目方案如下表1所示（CONT為機械手與MOS管管腳的接觸性測試），測試流程如圖3所示，測試等效圖如圖4所示。

表1 原測試項目方案

圖3 原測試項目方案測試流程

圖4 原測試等效圖

以上測試方案在測試儀精度良好的情況下，測試的準確性是可以滿足要求的，但由于MOS管的導(dǎo)通電阻的測試要求很高，對設(shè)備的精度要求相當苛刻。即使設(shè)備通過了標準校準盒校準，實際用標準樣品（GOLDEN SAMPLE）對比測試，仍會出現(xiàn)不符合要求的情況；這主要是因為標準校準盒對毫歐級的校準精度不高，同時由于各種原因（包括設(shè)備老化、外圍環(huán)境變化等因素）導(dǎo)致測量精度變差。應(yīng)對此問題一般的做法是用標準樣管對測試系統(tǒng)進行定期校準，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)不在規(guī)范內(nèi)的情況，需要對測試儀的硬件進行調(diào)整，直至滿足要求。這種做法不僅效率低下，同時無法避免設(shè)備在校準周期內(nèi)發(fā)生精度超標的情況，存在質(zhì)量隱患。

4 改進后的測試方案

針對MOS管原測試方案當中的缺陷，本方案在原MOS管測試項目的基礎(chǔ)上增加對測試儀自身測量精度的校驗項，在負載板上增加標準精密電阻，在MOS管測試前先用標準電阻對測試儀進行精度校驗，通過后再對MOS管測試項目進行測試。改進后的測試項目方案如表2所示，測試流程如圖5所示，測試等效圖如圖6所示。

表2 改進后的測試項目方案

圖6所示，改進后的方案先用Rm對測試儀測試單元進行校驗，實時性地對測試儀進行監(jiān)控，有效地避免了因測試儀精度漂移導(dǎo)致MOS管量產(chǎn)中不良品混進良品中的威脅，校驗時間占總測試時間幾乎可忽略（原測試時間 160.2 ms，校驗項時間為 700 μs，校驗項約占測試總時間的0.5%），通過保證MOS管的測試品質(zhì)實現(xiàn)了效率的提高。

在低導(dǎo)通電阻MOS管測試中，針對原測試方案測試儀本身存在測量精度漂移的缺陷，本方案通過在負載板上增加標準電阻，在MOS管測試前先對測試儀的測量精度進行自動校驗，實際生產(chǎn)證明，本方案有效避免了潛伏性的威脅，提高了MOS管測試的品質(zhì)。

圖5 改進后的測試項目方案測試流程

圖6 改進后的測試等效圖

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