介紹

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

面對這一趨勢，泰克 Keithley 4200A-SCS參數(shù)分析平臺提供的4210-CVU / 4215-CVU 模塊，為工程師與研究人員帶來了從 pF 級到 mF 級、從 1kHz 到10MHz 的高精度多頻電容測試能力，助力多端器件、二維材料、低維陣列等復雜結構實現(xiàn)更可靠、更靈敏的測量分析。

CVU測量概述

圖2顯示了4210-CVU和4215-CVU的簡化模型。器件的電容是通過提供交流電壓并測量交流電流和相位來確定的，同時在器件上施加直流電壓。

圖2. 簡化的CVU圖

時域AC值映射到頻域中，以阻抗的相量形式表達。器件電容由交流阻抗和測試頻率確定，使用以下公式計算：

測量模型和參數(shù)

DUT的典型測試模型通常是串聯(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. 簡化的測量模型

圖4. 阻抗矢量圖

通過使用Clarius中的內(nèi)置公式，可以輕松地從測量數(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。

交流阻抗測量系統(tǒng)

如圖5所示，C-V測試系統(tǒng)可能很復雜，因為其配置包括測量儀器和軟件、信號接線、測試夾具和設備。為了進行最佳測量，需要適當設置CVU的test setting和timing參數(shù)。必須使用適當?shù)慕泳€、探針臺和測試夾具，然后必須執(zhí)行寄生電容的補償。最后，設備本身可能會導致測量出現(xiàn)問題。接下來的幾節(jié)將討論進行良好電容測量的硬件和軟件注意事項。

圖5. C-V測量系統(tǒng)

接線和連接

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

正確的接線

為獲得最佳測量結果，請僅使用隨附的紅色SMA電纜連接到CVU。隨附的附件允許連接到帶有BNC或SMA接口的測試夾具或探針臺。CVU以及為雙線傳感配置的附件如圖6 所示。CS-1247 SMA轉BNC適配器連接到每根CA-447A SMA轉SMA電纜。HCUR和HPOT端子通過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擰緊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，這是高頻源和測量應用的標準。

圖6. 2用于兩線感應的CVU連接

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

圖7. 從CVU到DUT的正確連接

圖8顯示了連接兩個探針臺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的4210-MMPC多測量電纜套件，可實現(xiàn)各種機械手的通用連接。

圖8. 連接兩個探針共地區(qū)域的接地跳線

一般來說，正確的接線對于成功進行電容測量至關重要。以下是一些潛在的接線問題：

不同CVU端子上的長度不匹配

電纜阻抗不恰當（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度

屏蔽托盤

屏蔽可以減少并聯(lián)阻抗或雜散電容對電容測量精度的影響。在晶圓頂部的兩個端子之間進行C-V測量時，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，通過將屏蔽罩 ( 同軸電纜的屏蔽層 ) 連接到托盤來減小雜散電容。對于使用晶圓背面作為觸點的器件 ( 例如MOSCAP) 上的C-V測量，托盤不能連接到防護裝置。

圖9. 將CVU屏蔽罩連接到托盤

屏蔽器件端子

在具有三個或更多端子的設備上，要測量兩個端子之間的電容，必須保護第三個端子，以防止不需要的電容影響測量精度。這最好通過一個示例來說明。如圖10所示，連接CVU以測量BJT的基極和發(fā)射極 (CBE)之間的電容。

圖10. 測量基極 - 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)生可能導致錯誤讀數(shù)的交流泄漏路徑。來自其他端子的并聯(lián)電容將影響測量，如下：

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

圖11. BJT有保護的C-V測量

使用4200A-CVIV多路開關保護器件端子

使用可選的4200A-CVIV多路開關可以自動進行C-V測量，如圖12所示。CVIV使用戶能夠在器件的I-V(SMU)和C-V (CVU)測量之間自動切換，并將C-V屏蔽連接到被測器件上的任何端子。

圖12. 4200A-CVIV多路開關

圖13顯示了CVU的CV HI、CV LO和CV Guard端子，通過4200A-CVIV的輸出連接BJT的三個端子。在本例中，CV Guard通過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軟件允許用戶自動更改4200A-CVIV的輸出，以便保護設備的任何端子。圖14顯示了Clarius中的CVIV多路開關通道配置設置。

圖14. BJT基極 - 發(fā)射極電容測量的CVIV設置

AC電流表連接

默認情況下，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軟件的端口高級設置窗口中選擇更改器件端口的功能，如圖15所示。無需手動更換電纜、抬起探針或物理更改測試設置，只需更改軟件中的端子設置即可輕松消除潛在的測量問題。

圖15. 端口的高級設置

此功能允許在噪聲最小的端子上測量交流電流，這將提供更有用的測量，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。

為避免嘈雜的測量和雜散電容，請始終將交流電流表端子連接到對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，因為它的公共端寄生電容比引腳2小。在許多情況下，用戶不知道哪個引腳的對地電容最小，但在高級端子設置選項卡中反轉HCUR和LCUR引線，看看是否會產(chǎn)生更好的結果，很容易檢查。

圖16. CVU 測量，寄生電容到公共端

連接補償

CVU設計通過互連電纜和適配器連接到探針臺或測試夾具，并且可以通過4200A-CVIV多開關或開關矩陣路由到DUT。這種接線和開關矩陣將為測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償?shù)墓ぞ?。補償由兩部分組成：

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

2. 在CVU測試的Terminal Settings（端口設置） 窗格中啟用更正。

開路校準

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

圖17. CVU的開路連接補償連接

圖18中MOSFET的C-V曲線顯示了開路補償?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有開路補償?shù)那闆r下產(chǎn)生的。紫色曲線是無補償?shù)模{色曲線是有補償?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償?shù)腗OSFET上進行C-V測量

短路補償

短路補償是針對大電容、低阻抗和電感測量的偏移校正。短路補償消除了由串聯(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，或在金屬觸點上將探頭短接在一起。

時間設置

要成功進行C-V測量，在Clarius軟件中選擇合適的時間參數(shù)非常重要。調(diào)整時間參數(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高級測試設置窗口中進行時間調(diào)整，如圖19所示。以下調(diào)整可以允許進行慢速或穩(wěn)定的讀數(shù)：

圖19. CVU高級測試設置”窗口

慢速讀數(shù)

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

測量窗口 =（A/D采集時間）*（濾波器系數(shù)或濾波器計數(shù)）

進行非常靈敏的電容測量的更多信息，請參閱Keithley Instruments應用文檔《使用4215-CVU測試飛法 (1e-15f) 電容》

讀取數(shù)據(jù)

掃描延遲時間允許設備在進行測量之前充電至平衡。

在掃描開始時施加指定保持時間的偏置電壓，以允許設備在掃描開始之前充電至掃描的第一個步長電壓。

平衡條件

器件在施加步進電壓后內(nèi)部電容充滿電時的狀態(tài)稱為“平衡” 狀態(tài)。如果在設備處于平衡狀態(tài)之前進行 C-V測量，則可能會出現(xiàn)不準確的結果。有兩種方法可以驗證器件是否處于平衡狀態(tài)：

1. 從任一方向掃描時，請檢查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應該相同。有關測試 MOSCAP的更多信息， 請參閱 Keithley應用文檔《 使用4200A-SCS 參數(shù)分析儀對MOS電容器進行C-V表征》。

2. 在Sampling模式下設置測試，以施加電壓偏置并繪制器件電容與時間的關系圖。從圖表中觀察設備充電所需的時間。例如，圖20中的圖表顯示了在BJT的發(fā)射極和基極之間測量的電容與時間的關系曲線。施加的電壓為0.5VDC。從圖中可以看出，平衡時間約為13秒。因為這個器件的平衡時間很長，所以它可能是一個壞器件。這是用于確定平衡時間的過程。

圖20. 平衡時間測量示例

耗散因子和選擇正確的測量模型

確定電容測量置信度的一種方法是檢查耗散因子 (D)，它被定義為簡單并聯(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：測試設備的并聯(lián)電阻，單位為Ω

CP：測試設備的并聯(lián)電容，單位為F

f = 測試頻率，單位為Hz

RS= 測試器件的串聯(lián)電阻，單位為Ω

CS= 測試設備的串聯(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，可以通過在高級測試設置窗口中選擇 (CP-D)測量參數(shù) 來測量損耗因子，如圖21所示。

圖21. 選擇CP-D測量參數(shù)

理想情況下，CP和CS應相等。如果D=0，即使D很小 (<0.1)，CP和CS之間實際上沒有區(qū)別。但是，如果D 很大 (>0.1)，那么有必要確定正確的模型或對測量進行故障排除。

如果(CP)和(CS)不相等且D很大，則可以確定哪個模型（串聯(lián)或并聯(lián)）是正確的。分別測量 (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)）。如果沒有任何曲線是平坦的，那么有必要對測量進行故障排除以找出問題的根源。問題可能是設備泄漏、連接問題（接線）或設備問題，例如焊盤之間的交流泄漏（可能需要使用交流防護）。

故障排除

在對電容測量進行故障排除時，CVU具有可提供幫助的內(nèi)置工具。如前所述，除了使用電纜補償、調(diào)整AC電流表連接和設置適當?shù)臅r間參數(shù)外，還可以使用Clarius中的其他工具，例如置信度檢查、實時測量、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。如果通過開關進行測量，這一點尤其重要。要啟用Confidence Check，請選擇Clarius屏幕頂部的Tools。

要驗證開路，請?zhí)鹛筋^或從測試夾具中取出設備。選擇Check Open。按照說明操作，然后選擇 “確定”。開路的檢查完成后，對話框將顯示測試結果為fail或pass。選擇Check Short后，可以重復此過程以測試Short。如果任一測試失敗，則結果將包含故障排除建議。在圖22所示的示例中，Open測試通過，Short測試失敗。

圖22. CVU置信度檢查開路界面和短路界面

實時測量

Tools（工具）菜單中的CVU Real-Time Measurement Mode（實時測量模式）為 CVU 提供了一個直接、實時的用戶界面，以幫助進行系統(tǒng)設置和調(diào)試。Real-Time Measurement窗口如圖23所示。例如，它可用于確認CVU已接觸晶圓上的引腳。請按照以下步驟生成實時測量結果：

轉到Tools菜單

選擇CVU實時測量

設置所需的參數(shù)設置

選擇Run

選擇停止以退出讀取

圖23. R實時測量窗口

狀態(tài)指示器

CVU狀態(tài)代碼指示每個讀數(shù)的當前測量范圍，包括溢出情況，并標記錯誤。啟用后，標記為CVU1S的數(shù)據(jù)列將出現(xiàn)在Analyze視圖的工作表中。通過選擇位于Configure（配置）視圖中的Advanced Terminal Settings（高級終端設置）選項。

當發(fā)生測量誤差時，Sheet中與測量相關的整行數(shù)據(jù)會改變顏色。標記數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)值將采用顏色編碼，如圖24所示，以識別錯誤類型：

紅色：測量超時

粉色：測量溢出

黃色：自動平衡橋 (ABB) 未鎖定

圖24. Sheet 中出現(xiàn)標記的測量誤差示例

ABB錯誤

CVU使用自動平衡電橋 (ABB) 技術來實現(xiàn)精確的阻抗測量。ABB在DUT上創(chuàng)建一個虛擬接地，以最大限度地減少測量誤差。每次CVU測量都是在ABB有效的情況下進行的。ABB始終嘗試將DUT的地側鎖定到虛擬地。

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

連接到CVU端子的電纜長度不同

HPOT或LPOT端子已斷開連接

LPOT端子中的噪聲過大

高頻源

物理電纜長度與Clarius中設置的電纜長度不匹配

SMA電纜扭矩不當

寄生噪聲太多

錯誤癥狀

表1提供了各種測量問題的一些故障排除技巧。

表1. C-V測量故障排除表

總結

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