如何用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行斜坡法準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量？

電容電壓（C-V）測(cè)量通常采用交流測(cè)量技術(shù)。而一些電容測(cè)量需要直流測(cè)量技術(shù)，被稱為準(zhǔn)靜態(tài)C-V（或QSCV）測(cè)量，因?yàn)樗鼈兪窃诜浅５偷臏y(cè)試頻率下進(jìn)行的，即幾乎是直流的。這些測(cè)量通常包括步進(jìn)直流電壓和測(cè)量所產(chǎn)生的電流或電荷。一些用于準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量的技術(shù)包括 反饋電荷法和線性斜坡法。4200A-SCS參數(shù)分析儀采用了一種新的方法，即斜坡速率法，該方法采用了兩個(gè)4200-SMU源測(cè)量單元和兩個(gè)4200-PA前置放大器。可選的4200-PA前置放大器是必需的，因?yàn)樵摐y(cè)試涉及測(cè)量皮安量級(jí)范圍內(nèi)的電流。SMU用源電流給電容器充電，然后測(cè)量電壓、時(shí)間和放電電流。

軟件根據(jù)測(cè)量的參數(shù)來(lái)計(jì)算電容作為電壓的函數(shù)，并在4200A-SCS的顯示器上顯示曲線。本應(yīng)用指南說(shuō)明描述了如何使用4200A-SCS和斜坡方法來(lái)實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量。（前提是用戶能熟練使用Keithley 4200A-SCS進(jìn)行I-V測(cè)量。）

IV/CV參數(shù)測(cè)試相關(guān)直播回顧

斜坡法

圖1說(shuō)明了斜坡法的基本連接圖，需要兩個(gè)4200-smu和4200-pa連接到被測(cè)設(shè)備的任意一側(cè)。由于斜坡法在一個(gè)有限的范圍內(nèi)工作，因此被測(cè)器件的電容應(yīng)在1pF到約400pF的范圍內(nèi)。

斜坡法的工作原理是SMU作為電流源，將被測(cè)設(shè)備充電到特定的直流電壓。一旦設(shè)備被充電，當(dāng)SMU測(cè)量電壓作為時(shí)間的函數(shù)時(shí)，一個(gè)極性相反的電流將被迫放電設(shè)備。第二個(gè)SMU測(cè)量放電電流。根據(jù)測(cè)量的電壓(V)、電流(I)和時(shí)間(t)值，得出電容(C)作為電壓和時(shí)間的函數(shù)：

圖1. 使用斜坡法測(cè)量電容的連接

4200A-SCS中包含的斜坡法在進(jìn)行QSCV測(cè)量時(shí)遵循以下步驟：

1. 給設(shè)備充電：通過(guò)ForceSMU對(duì)DUT施加100pA的預(yù)充電電流，直到達(dá)到限制電壓。限制電壓是由用戶指定的，并被稱為VStart。預(yù)充電電流的極性與VStart電壓的極性相同。如果預(yù)充電電流不足以使設(shè)備進(jìn)入VStart，則將產(chǎn)生超時(shí)錯(cuò)誤。

2. 在掃描前在指定時(shí)間內(nèi)給器件施加恒定值：設(shè)備在掃描前的用戶指定時(shí)間（提前時(shí)間）內(nèi)，設(shè)備達(dá)到偏置VStart電壓。

3. 將斜坡電流應(yīng)用于放電裝置：一旦設(shè)備在指定時(shí)間內(nèi)達(dá)到偏置電壓，則會(huì)向器件施加斜坡電流以使設(shè)備放電。斜坡電流與預(yù)充電流的極性相反。斜坡電流的值為：

Iramp = CVal × RampRate

其中

CVal是用戶輸入的估計(jì)電容值(F)。

RampRate是用戶輸入特定速率的電壓（dV/dt），單位是V/s。

4. 同時(shí)觸發(fā)SMU以進(jìn)行測(cè)量：作為Force SMU的SMU測(cè)量電壓 (V1、V2、V3…Vn）和時(shí)間 (T1、T2、T3…Tn）。測(cè) 量SMU測(cè) 量 電 流（I1,I2 和I3……）。測(cè)量電壓、時(shí)間和電流，直到達(dá)到VStart電壓的相反極性。

5. 計(jì)算電壓、時(shí)間和電容輸出值：實(shí)時(shí)從測(cè)量值中提取參數(shù)，并將其顯示在圖表中。這些參數(shù)分別為Vout =電壓、Tout =時(shí)間和Cout =電容，計(jì)算方法如下：

其中 dV=V2-V1 和 dT=T1-T1

如何使用Clarius軟件進(jìn)行QSCV測(cè)量

Clarius軟件包括一個(gè)用戶模塊UTM，使用斜坡法進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量。這個(gè)用戶模塊meas_qscv位于QSCVulib用戶庫(kù)中，它可以作為項(xiàng)目中的自定義測(cè)試打開(kāi)。

在meas_qscv用戶模塊中設(shè)置參數(shù)

一旦使用UTM創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試，就需要輸入一些參數(shù)。meas_qscv用戶模塊的可調(diào)參數(shù)如表1所示。

表1. meas_qscv用戶模塊中可調(diào)參數(shù)一覽表

這里是輸入?yún)?shù)的更詳細(xì)的描述：

Force SMU：

SMU施加電流到被測(cè)器件，并測(cè)量電壓作為時(shí)間的函數(shù)。這個(gè)SMU必須有一個(gè)前置放大器，因?yàn)樗鼘⒃趐A范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)電流。

Measure SMU：

測(cè)量電路中電流的SMU。這個(gè)SMU必須有一個(gè)前置放大器，因?yàn)樗鼘y(cè)量pA范圍內(nèi)的電流。

VStart：

這是C-V掃描的起始電壓和結(jié)束電壓，C-V掃描總是以0V為對(duì)稱值。

CVal：

輸入被測(cè)設(shè)備的近似最大電容值。該值用于確定器件充電的源電流的大小。

RampRate：

充電電壓的斜率，單位V/s。如果斜坡速率太快，則在掃描中將沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)。如果斜坡的速度過(guò)慢，讀數(shù)可能會(huì)有噪聲。需要進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)來(lái)找到被測(cè)器件的最佳設(shè)置。

啟動(dòng)時(shí)間：

在CV掃描開(kāi)始前對(duì)被測(cè)器件施加VStart電壓的時(shí)間長(zhǎng)度，讓設(shè)備充電并達(dá)到平衡。

Timeout：

在測(cè)試模塊超時(shí)之前，允許將器件充電到VStart電壓的時(shí)間。在某些情況下，例如當(dāng)設(shè)備短路時(shí)，設(shè)備可能無(wú)法達(dá)到VStart電壓；該參數(shù)使模塊能夠自動(dòng)停止并生成錯(cuò)誤消息。默認(rèn)情況下，它是10秒。

執(zhí)行測(cè)試

通過(guò)在測(cè)試庫(kù)中選擇一個(gè)新的自定義測(cè)試，可以在項(xiàng)目中打開(kāi)meas_qscv用戶模塊。然后在屏幕的左上角選擇“配置”，并在右側(cè)窗格中選擇QSCVulib用戶庫(kù)和meas_qscv用戶模塊。然后，可以根據(jù)應(yīng)用程序輸入適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

Keithley已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試和一個(gè)項(xiàng)目，它使用meas_qscv用戶模塊進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量。在屏幕的左上角選擇“選擇”，然后從測(cè)試庫(kù)或項(xiàng)目庫(kù)中，在搜索欄中輸入qscv，并選擇“搜索”。qscv測(cè)試或項(xiàng)目將自動(dòng)出現(xiàn)在中心窗格中。

使用斜坡率項(xiàng)目的 準(zhǔn)靜態(tài)C-V（斜坡率掃描）的項(xiàng)目樹(shù)如圖2所示。

圖2. 使用斜坡法項(xiàng)目的準(zhǔn)靜態(tài)C-V項(xiàng)目樹(shù)（qscv）

這個(gè)項(xiàng)目包含一個(gè)名為斜坡cv掃描的測(cè)試，用于在MOSFET設(shè)備上進(jìn)行測(cè)量。用于設(shè)置測(cè)試參數(shù)的配置如圖3所示

圖3. 斜坡掃描測(cè)試的配置界面~~

在這個(gè)測(cè)試中，使用SMU1（Force SMU）和SMU2（Measure SMU）來(lái)進(jìn)行C-V測(cè)量。VStart值設(shè)置為4V，因此這將產(chǎn)生從-4V到4V的電壓掃描。近似的電容值為10pF，這是CVal的參數(shù)輸入。這個(gè)CV電容值將用于確定斜坡電流。如果這個(gè)數(shù)字過(guò)低（例如，1E-12而不是10E-12），則電容測(cè)量將會(huì)出現(xiàn)噪聲。RampRate值設(shè)置為0.7V/s。在這種情況下，一個(gè)更大（1V/s）的RampRate將產(chǎn)生一個(gè)更慢的曲線，但將有更少的數(shù)據(jù)點(diǎn)。較小的波動(dòng)率（0.1V/s）將產(chǎn)生具有大量數(shù)據(jù)點(diǎn)的更多的噪聲曲線。需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定被測(cè)試的被測(cè)器件的最佳設(shè)置。

一旦器件連接到兩個(gè)smu，并使用所需的輸入?yún)?shù)創(chuàng)建了測(cè)試，就可以執(zhí)行C-V掃描。這種掃描的結(jié)果如圖4所示。

圖4. MOSFET器件的準(zhǔn)靜態(tài)C-V掃描

優(yōu)化測(cè)量

當(dāng)使用斜坡法進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量時(shí)，必須使用各種技術(shù)來(lái)優(yōu)化測(cè)量精度。這些技術(shù)包括實(shí)現(xiàn)低電流的測(cè)量和在軟件中選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。

由于使用斜坡率法涉及到測(cè)量微小電流，因此必須采用低電流測(cè)量技術(shù)。使用4200A-SCS附帶的三軸電纜，這是屏蔽線纜。為了減少靜電干擾造成的噪聲，確保將器件放置在金屬外殼中，屏蔽罩與4200A-SCS的LO端子相連。

meas_qscv模塊中影響測(cè)量影響最大的參數(shù)設(shè)置是C**Val和RampRate。CVal是被測(cè)器件的近似值。如果輸入的值大于實(shí)際設(shè)備的值，那么RampRate將會(huì)更大，數(shù)據(jù)點(diǎn)也會(huì)更少。相反，如果輸入的電容值小于實(shí)際器件電容，則速率將會(huì)更低，曲線中將會(huì)有更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。使用盡可能大的速率，但確保設(shè)備曲線顯示穩(wěn)定。然而，如果速度太快，可能沒(méi)有足夠的點(diǎn)。

為了降低曲線的噪聲水平，可以使用公式器中的平均函數(shù)（MAVG）。試著使用三個(gè)讀數(shù)的移動(dòng)平均值，看看這是否有幫助。不要將移動(dòng)平均數(shù)設(shè)置得很大，從而失去C-V曲線的形狀。

要減去電纜和探頭造成的偏移，請(qǐng)使用探頭向上或開(kāi)路的meas_qscv模塊進(jìn)行C-V掃描。使用公式器，取讀數(shù)的平均值。從在被測(cè)器件上的電容測(cè)量值中減去這個(gè)平均偏移值。

結(jié)論

用4200-SMU進(jìn)行斜坡法進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量。該技術(shù)在Clarius軟件的QSCV_uslib用戶庫(kù)的meas_qscv模塊中的軟件中實(shí)現(xiàn)。使用低電流的測(cè)量技術(shù)，并在軟件中選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，將得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果。




審核編輯：劉清