介紹

在新材料與智能計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的今天，從憶阻器、鐵電器件到神經(jīng)形態(tài)陣列，越來(lái)越多前沿器件對(duì)電學(xué)性能的精細(xì)表征提出了更高要求。電容-電壓（C-V）與交流阻抗測(cè)量作為關(guān)鍵手段，正在科研與產(chǎn)業(yè)測(cè)試中發(fā)揮著舉足輕重的作用——不僅用于提取材料參數(shù)、驗(yàn)證器件模型，也成為探索新型信息存儲(chǔ)、類腦計(jì)算和低功耗電子架構(gòu)不可或缺的一環(huán)。

面對(duì)這一趨勢(shì)，泰克 Keithley 4200A-SCS參數(shù)分析平臺(tái)提供的4210-CVU / 4215-CVU 模塊，為工程師與研究人員帶來(lái)了從 pF 級(jí)到 mF 級(jí)、從 1kHz 到10MHz 的高精度多頻電容測(cè)試能力，助力多端器件、二維材料、低維陣列等復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更可靠、更靈敏的測(cè)量分析。

CVU測(cè)量概述

圖2顯示了4210-CVU和4215-CVU的簡(jiǎn)化模型。器件的電容是通過(guò)提供交流電壓并測(cè)量交流電流和相位來(lái)確定的，同時(shí)在器件上施加直流電壓。

圖2. 簡(jiǎn)化的CVU圖

時(shí)域AC值映射到頻域中，以阻抗的相量形式表達(dá)。器件電容由交流阻抗和測(cè)試頻率確定，使用以下公式計(jì)算：

測(cè)量模型和參數(shù)

DUT的典型測(cè)試模型通常是串聯(lián)或并聯(lián)電阻電容 (RC) 電路。如圖3中的簡(jiǎn)化模型所示，CVU可以串聯(lián)配置 (RS-CS)或并聯(lián)配置 (RP-GP)

圖3. 簡(jiǎn)化的測(cè)量模型

圖4. 阻抗矢量圖

通過(guò)使用Clarius中的內(nèi)置公式，可以輕松地從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取電感等其他參數(shù)。圖4中阻抗的矢量圖顯示了阻抗的基本公式。

交流阻抗測(cè)量系統(tǒng)

如圖5所示，C-V測(cè)試系統(tǒng)可能很復(fù)雜，因?yàn)槠渑渲冒y(cè)量?jī)x器和軟件、信號(hào)接線、測(cè)試夾具和設(shè)備。為了進(jìn)行最佳測(cè)量，需要適當(dāng)設(shè)置CVU的test setting和timing參數(shù)。必須使用適當(dāng)?shù)慕泳€、探針臺(tái)和測(cè)試夾具，然后必須執(zhí)行寄生電容的補(bǔ)償。最后，設(shè)備本身可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)問(wèn)題。接下來(lái)的幾節(jié)將討論進(jìn)行良好電容測(cè)量的硬件和軟件注意事項(xiàng)。

圖5. C-V測(cè)量系統(tǒng)

接線和連接

本節(jié)介紹如何使用正確的接線和連接、托盤和設(shè)備端子的AC防護(hù)以及配置AC電流表端子。

正確的接線

為獲得最佳測(cè)量結(jié)果，請(qǐng)僅使用隨附的紅色SMA電纜連接到CVU。隨附的附件允許連接到帶有BNC或SMA接口的測(cè)試夾具或探針臺(tái)。CVU以及為雙線傳感配置的附件如圖6 所示。CS-1247 SMA轉(zhuǎn)BNC適配器連接到每根CA-447A SMA轉(zhuǎn)SMA電纜。HCUR和HPOT端子通過(guò)CS-701A BNC三通連接以形成CVH，LCUR和LPOT連接在一起以形成CVL。使用隨附的扭矩扳手?jǐn)Q緊SMA 電纜連接，以確保接觸良好。紅色SMA電纜為100Ω。兩條并聯(lián)的100Ω電纜為50Ω，這是高頻源和測(cè)量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6. 2用于兩線感應(yīng)的CVU連接

圖7顯示了對(duì)DUT進(jìn)行四線測(cè)試的示例。在這種情況下，HCUR和HPOT端子連接到設(shè)備的一端，LPOT和LCUR端子連接到設(shè)備的另一端。為了提高帶寬，請(qǐng)將同軸電纜的外部屏蔽層連接到金屬測(cè)試夾具。

圖7. 從CVU到DUT的正確連接

圖8顯示了連接兩個(gè)探針臺(tái)電纜組件的公共端的接地跳線。Keithley擁有一系列適用于各種探針臺(tái)的4210-MMPC多測(cè)量電纜套件，可實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械手的通用連接。

圖8. 連接兩個(gè)探針共地區(qū)域的接地跳線

一般來(lái)說(shuō)，正確的接線對(duì)于成功進(jìn)行電容測(cè)量至關(guān)重要。以下是一些潛在的接線問(wèn)題：

不同CVU端子上的長(zhǎng)度不匹配

電纜阻抗不恰當(dāng)（不使用紅色SMA電纜）

所有電纜的屏蔽連接未連接或未連接得足夠靠近DUT

彎曲、壓接或扁平的電纜

SMA電纜連接器接觸不良

未在Clarius軟件的 “配置” 視圖中選擇正確的電纜長(zhǎng)度

屏蔽托盤

屏蔽可以減少并聯(lián)阻抗或雜散電容對(duì)電容測(cè)量精度的影響。在晶圓頂部的兩個(gè)端子之間進(jìn)行C-V測(cè)量時(shí)，可能需要屏蔽托盤以減少DUT端子和托盤之間的并聯(lián)電容。在圖9中，通過(guò)將屏蔽罩 ( 同軸電纜的屏蔽層 ) 連接到托盤來(lái)減小雜散電容。對(duì)于使用晶圓背面作為觸點(diǎn)的器件 ( 例如MOSCAP) 上的C-V測(cè)量，托盤不能連接到防護(hù)裝置。

圖9. 將CVU屏蔽罩連接到托盤

屏蔽器件端子

在具有三個(gè)或更多端子的設(shè)備上，要測(cè)量?jī)蓚€(gè)端子之間的電容，必須保護(hù)第三個(gè)端子，以防止不需要的電容影響測(cè)量精度。這最好通過(guò)一個(gè)示例來(lái)說(shuō)明。如圖10所示，連接CVU以測(cè)量BJT的基極和發(fā)射極 (CBE)之間的電容。

圖10. 測(cè)量基極 - 發(fā)射極電容 (CBE)

但是，其他端子 (CBC) 和 (CCE)）之間的串聯(lián)電容組合與 (CBE) 并聯(lián)，并產(chǎn)生可能導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)的交流泄漏路徑。來(lái)自其他端子的并聯(lián)電容將影響測(cè)量，如下：

為了防止雜散電容影響測(cè)量精度，通過(guò)將集電極連接到同軸電纜的外部屏蔽層 (VAC為0VAC) 來(lái)保護(hù)集電極。如圖11所示。該交流保護(hù)器將漏電容電流從交流電流測(cè)量端子 (LCUR) 路由出去，因此僅測(cè)量由 (CBE)引起的交流電流。

圖11. BJT有保護(hù)的C-V測(cè)量

使用4200A-CVIV多路開關(guān)保護(hù)器件端子

使用可選的4200A-CVIV多路開關(guān)可以自動(dòng)進(jìn)行C-V測(cè)量，如圖12所示。CVIV使用戶能夠在器件的I-V(SMU)和C-V (CVU)測(cè)量之間自動(dòng)切換，并將C-V屏蔽連接到被測(cè)器件上的任何端子。

圖12. 4200A-CVIV多路開關(guān)

圖13顯示了CVU的CV HI、CV LO和CV Guard端子，通過(guò)4200A-CVIV的輸出連接BJT的三個(gè)端子。在本例中，CV Guard通過(guò)4200A-CVIV的通道3切換到BJT的集電極端子，以便可以在CVHI和CVLO之間測(cè)量基極 - 發(fā)射極電容。

圖13. 4200A-CVIV連接BJT

Clarius軟件允許用戶自動(dòng)更改4200A-CVIV的輸出，以便保護(hù)設(shè)備的任何端子。圖14顯示了Clarius中的CVIV多路開關(guān)通道配置設(shè)置。

圖14. BJT基極 - 發(fā)射極電容測(cè)量的CVIV設(shè)置

AC電流表連接

默認(rèn)情況下，CVU的LCUR端子是AC電流表連接，HCUR端子是AC源電壓端子 ( 如圖2所示 )。但是，用戶可以在Clarius軟件的端口高級(jí)設(shè)置窗口中選擇更改器件端口的功能，如圖15所示。無(wú)需手動(dòng)更換電纜、抬起探針或物理更改測(cè)試設(shè)置，只需更改軟件中的端子設(shè)置即可輕松消除潛在的測(cè)量問(wèn)題。

圖15. 端口的高級(jí)設(shè)置

此功能允許在噪聲最小的端子上測(cè)量交流電流，這將提供更有用的測(cè)量，也可以更改施加直流電壓的端子。直流電壓可以組合在與交流電流表相同的端子上，非常適合連接到MOS電容器的柵極。

為避免嘈雜的測(cè)量和雜散電容，請(qǐng)始終將交流電流表端子連接到對(duì)地電容最小的器件端子。在圖16所示的示例中，LCUR( 交流電流表 ) 連接到引腳1，因?yàn)樗墓捕思纳娙荼纫_2小。在許多情況下，用戶不知道哪個(gè)引腳的對(duì)地電容最小，但在高級(jí)端子設(shè)置選項(xiàng)卡中反轉(zhuǎn)HCUR和LCUR引線，看看是否會(huì)產(chǎn)生更好的結(jié)果，很容易檢查。

圖16. CVU 測(cè)量，寄生電容到公共端

連接補(bǔ)償

CVU設(shè)計(jì)通過(guò)互連電纜和適配器連接到探針臺(tái)或測(cè)試夾具，并且可以通過(guò)4200A-CVIV多開關(guān)或開關(guān)矩陣路由到DUT。這種接線和開關(guān)矩陣將為測(cè)量增加寄生電感和雜散電容。為了糾正由這些連接引起的偏移誤差，Clarius軟件具有寄生電容補(bǔ)償?shù)墓ぞ摺Ｑa(bǔ)償由兩部分組成：

1. 獲取開路和短路修正的CVU補(bǔ)償數(shù)據(jù)。在Clarius中執(zhí)行校正，請(qǐng)選擇工具 (Tools)，然后選擇CVU連接補(bǔ)償（CVU Connection Compensation）。選擇Measure open（測(cè)量開路）或measure Short（測(cè)量短路）。采集補(bǔ)償數(shù)據(jù)時(shí)，將在所有測(cè)試頻率下獲取。

2. 在CVU測(cè)試的Terminal Settings（端口設(shè)置） 窗格中啟用更正。

開路校準(zhǔn)

開路校準(zhǔn)是一種用于測(cè)量小電容或高阻抗的偏移校正。在校正過(guò)程中，探針必須向上或從測(cè)試夾具上移除設(shè)備。在開路校正時(shí)，電纜的外屏蔽層必須綁在一起，如圖17所示。

圖17. CVU的開路連接補(bǔ)償連接

圖18中MOSFET的C-V曲線顯示了開路補(bǔ)償?shù)氖纠＿@些圖表顯示了柵極和漏極/源極之間的C-V掃描，這些掃描是在有和沒(méi)有開路補(bǔ)償?shù)那闆r下產(chǎn)生的。紫色曲線是無(wú)補(bǔ)償?shù)?，藍(lán)色曲線是有補(bǔ)償?shù)那€。兩條曲線之間的差異約為0.23pF。

圖18. 在啟用和不啟用開路補(bǔ)償?shù)腗OSFET上進(jìn)行C-V測(cè)量

短路補(bǔ)償

短路補(bǔ)償是針對(duì)大電容、低阻抗和電感測(cè)量的偏移校正。短路補(bǔ)償消除了由串聯(lián)電阻和寄生電感引起的偏移影響。在所有輸出端子之間連接短路，保持屏蔽層連接在一起。使用BNC或SMA套管將電纜連接在一起，或在金屬觸點(diǎn)上將探頭短接在一起。

時(shí)間設(shè)置

要成功進(jìn)行C-V測(cè)量，在Clarius軟件中選擇合適的時(shí)間參數(shù)非常重要。調(diào)整時(shí)間參數(shù)能防止噪聲，允許在平衡狀態(tài)下獲取讀數(shù)。在Configure視圖的CVU高級(jí)測(cè)試設(shè)置窗口中進(jìn)行時(shí)間調(diào)整，如圖19所示。以下調(diào)整可以允許進(jìn)行慢速或穩(wěn)定的讀數(shù)：

圖19. CVU高級(jí)測(cè)試設(shè)置”窗口

慢速讀數(shù)

使用速度模式設(shè)置調(diào)整測(cè)量窗口。測(cè)量時(shí)間或窗口越長(zhǎng)，測(cè)量的噪聲就越小。首先，嘗試使用Quiet speed模式。如有必要，使用Custom speed（自定義速度），使用戶能夠設(shè)置測(cè)量窗口的時(shí)間。測(cè)量窗口的時(shí)間可以計(jì)算如下：

測(cè)量窗口 =（A/D采集時(shí)間）*（濾波器系數(shù)或?yàn)V波器計(jì)數(shù)）

進(jìn)行非常靈敏的電容測(cè)量的更多信息，請(qǐng)參閱Keithley Instruments應(yīng)用文檔《使用4215-CVU測(cè)試飛法 (1e-15f) 電容》

讀取數(shù)據(jù)

掃描延遲時(shí)間允許設(shè)備在進(jìn)行測(cè)量之前充電至平衡。

在掃描開始時(shí)施加指定保持時(shí)間的偏置電壓，以允許設(shè)備在掃描開始之前充電至掃描的第一個(gè)步長(zhǎng)電壓。

平衡條件

器件在施加步進(jìn)電壓后內(nèi)部電容充滿電時(shí)的狀態(tài)稱為“平衡” 狀態(tài)。如果在設(shè)備處于平衡狀態(tài)之前進(jìn)行 C-V測(cè)量，則可能會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的結(jié)果。有兩種方法可以驗(yàn)證器件是否處于平衡狀態(tài)：

1. 從任一方向掃描時(shí)，請(qǐng)檢查C-V曲線的形狀。例如，MOSCAP的C-V曲線從累積到平帶層或從平帶層到累積看起來(lái)應(yīng)該相同。有關(guān)測(cè)試 MOSCAP的更多信息， 請(qǐng)參閱 Keithley應(yīng)用文檔《 使用4200A-SCS 參數(shù)分析儀對(duì)MOS電容器進(jìn)行C-V表征》。

2. 在Sampling模式下設(shè)置測(cè)試，以施加電壓偏置并繪制器件電容與時(shí)間的關(guān)系圖。從圖表中觀察設(shè)備充電所需的時(shí)間。例如，圖20中的圖表顯示了在BJT的發(fā)射極和基極之間測(cè)量的電容與時(shí)間的關(guān)系曲線。施加的電壓為0.5VDC。從圖中可以看出，平衡時(shí)間約為13秒。因?yàn)檫@個(gè)器件的平衡時(shí)間很長(zhǎng)，所以它可能是一個(gè)壞器件。這是用于確定平衡時(shí)間的過(guò)程。

圖20. 平衡時(shí)間測(cè)量示例

耗散因子和選擇正確的測(cè)量模型

確定電容測(cè)量置信度的一種方法是檢查耗散因子 (D)，它被定義為簡(jiǎn)單并聯(lián)電容模型的電抗和電阻之比。以下是并聯(lián)和串聯(lián)模型的方程：

其中：

RP：測(cè)試設(shè)備的并聯(lián)電阻，單位為Ω

CP：測(cè)試設(shè)備的并聯(lián)電容，單位為F

f = 測(cè)試頻率，單位為Hz

RS= 測(cè)試器件的串聯(lián)電阻，單位為Ω

CS= 測(cè)試設(shè)備的串聯(lián)電容，單位為F

并聯(lián)電容(CP)和串聯(lián)電容(CS)由以下公式確定：

使用CVU，可以通過(guò)在高級(jí)測(cè)試設(shè)置窗口中選擇 (CP-D)測(cè)量參數(shù) 來(lái)測(cè)量損耗因子，如圖21所示。

圖21. 選擇CP-D測(cè)量參數(shù)

理想情況下，CP和CS應(yīng)相等。如果D=0，即使D很小 (<0.1)，CP和CS之間實(shí)際上沒(méi)有區(qū)別。但是，如果D 很大 (>0.1)，那么有必要確定正確的模型或?qū)y(cè)量進(jìn)行故障排除。

如果(CP)和(CS)不相等且D很大，則可以確定哪個(gè)模型（串聯(lián)或并聯(lián)）是正確的。分別測(cè)量 (CP) 和 (CS) 作為電壓或頻率的函數(shù)。如果 (CP) 或 (CS) 的C-V或C-f曲線中的任何一個(gè)是平坦的，那么這是要使用的正確模型（串聯(lián)或并聯(lián)）。如果沒(méi)有任何曲線是平坦的，那么有必要對(duì)測(cè)量進(jìn)行故障排除以找出問(wèn)題的根源。問(wèn)題可能是設(shè)備泄漏、連接問(wèn)題（接線）或設(shè)備問(wèn)題，例如焊盤之間的交流泄漏（可能需要使用交流防護(hù)）。

故障排除

在對(duì)電容測(cè)量進(jìn)行故障排除時(shí)，CVU具有可提供幫助的內(nèi)置工具。如前所述，除了使用電纜補(bǔ)償、調(diào)整AC電流表連接和設(shè)置適當(dāng)?shù)臅r(shí)間參數(shù)外，還可以使用Clarius中的其他工具，例如置信度檢查、實(shí)時(shí)測(cè)量、狀態(tài)代碼和狀態(tài)指示器。

置信度檢查

Confidence Check是一種診斷工具，允許檢查開路和短路連接的完整性。如果通過(guò)開關(guān)進(jìn)行測(cè)量，這一點(diǎn)尤其重要。要啟用Confidence Check，請(qǐng)選擇Clarius屏幕頂部的Tools。

要驗(yàn)證開路，請(qǐng)?zhí)鹛筋^或從測(cè)試夾具中取出設(shè)備。選擇Check Open。按照說(shuō)明操作，然后選擇 “確定”。開路的檢查完成后，對(duì)話框?qū)@示測(cè)試結(jié)果為fail或pass。選擇Check Short后，可以重復(fù)此過(guò)程以測(cè)試Short。如果任一測(cè)試失敗，則結(jié)果將包含故障排除建議。在圖22所示的示例中，Open測(cè)試通過(guò)，Short測(cè)試失敗。

圖22. CVU置信度檢查開路界面和短路界面

實(shí)時(shí)測(cè)量

Tools（工具）菜單中的CVU Real-Time Measurement Mode（實(shí)時(shí)測(cè)量模式）為 CVU 提供了一個(gè)直接、實(shí)時(shí)的用戶界面，以幫助進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置和調(diào)試。Real-Time Measurement窗口如圖23所示。例如，它可用于確認(rèn)CVU已接觸晶圓上的引腳。請(qǐng)按照以下步驟生成實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果：

轉(zhuǎn)到Tools菜單

選擇CVU實(shí)時(shí)測(cè)量

設(shè)置所需的參數(shù)設(shè)置

選擇Run

選擇停止以退出讀取

圖23. R實(shí)時(shí)測(cè)量窗口

狀態(tài)指示器

CVU狀態(tài)代碼指示每個(gè)讀數(shù)的當(dāng)前測(cè)量范圍，包括溢出情況，并標(biāo)記錯(cuò)誤。啟用后，標(biāo)記為CVU1S的數(shù)據(jù)列將出現(xiàn)在Analyze視圖的工作表中。通過(guò)選擇位于Configure（配置）視圖中的Advanced Terminal Settings（高級(jí)終端設(shè)置）選項(xiàng)。

當(dāng)發(fā)生測(cè)量誤差時(shí)，Sheet中與測(cè)量相關(guān)的整行數(shù)據(jù)會(huì)改變顏色。標(biāo)記數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)值將采用顏色編碼，如圖24所示，以識(shí)別錯(cuò)誤類型：

紅色：測(cè)量超時(shí)

粉色：測(cè)量溢出

黃色：自動(dòng)平衡橋 (ABB) 未鎖定

圖24. Sheet 中出現(xiàn)標(biāo)記的測(cè)量誤差示例

ABB錯(cuò)誤

CVU使用自動(dòng)平衡電橋 (ABB) 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的阻抗測(cè)量。ABB在DUT上創(chuàng)建一個(gè)虛擬接地，以最大限度地減少測(cè)量誤差。每次CVU測(cè)量都是在ABB有效的情況下進(jìn)行的。ABB始終嘗試將DUT的地側(cè)鎖定到虛擬地。

如果ABB無(wú)法鎖定就進(jìn)行測(cè)量，可能超出量程。如果發(fā)生這種情況，則返回的數(shù)據(jù)將被標(biāo)記并在Analyze工作表上顯示為黃色。以下是ABB無(wú)法鎖定的常見原因：

連接到CVU端子的電纜長(zhǎng)度不同

HPOT或LPOT端子已斷開連接

LPOT端子中的噪聲過(guò)大

高頻源

物理電纜長(zhǎng)度與Clarius中設(shè)置的電纜長(zhǎng)度不匹配

SMA電纜扭矩不當(dāng)

寄生噪聲太多

錯(cuò)誤癥狀

表1提供了各種測(cè)量問(wèn)題的一些故障排除技巧。

表1. C-V測(cè)量故障排除表

總結(jié)

使用CVU的內(nèi)置測(cè)量工具、適當(dāng)?shù)慕泳€和連接以及適當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)良好的電容測(cè)量。許多內(nèi)置工具中的一些包括compensation、timing parameters 和 confidence check。