電容-電壓測量技術技巧與陷阱

1、電容-電壓測量技術、技巧與陷阱（上）在半導體C-V測量基本原理（存檔視頻：商的材料進行資格檢驗，監(jiān)測工藝參數(shù)，分析失效機理。毋庸置疑，它們是半導體特征分析與測試的基礎。本文討論如何針對特定的應用選擇最合適類型的C-V測量儀器，并探討某些C-V測試的典型功能和參數(shù)提取限制、連接探針臺以及校正探針尖的技巧。半導體C-V測試目前可以采用三種不同的電容測量技術:常用的交流阻抗電容計、準靜態(tài)電容測量以及射頻技術（采用矢量網(wǎng)絡分析儀和射頻探測器）。下面簡要介紹每一種電容測量技術。交流阻抗電容計交流阻抗表，也稱為LCR表（電感L、電容C、電阻R）,它利用一個自動平衡電橋保持電容的檢測端交流假接地，從而測量復

2、阻抗。這類電表的通常頻率范圍為1kHz到10MHz,其工作原理（圖1）相對簡單。它通過在高電流輸出端（HCUR）施加一個交流。來測量交流阻抗。通過低電流端（LCUR）測量流過器件的電流，通過高低電位端（HPOT和LPOT）測量器件上的電壓降。電壓和電流的測量采用了能精確判斷二者之間相位角的鎖相方式。通過測量幅值和相位角，就可以計算出任意所需的交流阻抗參數(shù)。圖1:交流阻抗表。RWhere：Z-impsdanceB=phaseanglRresistanceX=recUinGeY8dmitt9rceG=condganc9B=susceptanc?ZT幅比-Ifnpedflftce即id戶hasaAn

3、gleR+jX-忌臼s延旭naandRcactancoCp-GpParallelCapacitanceandConduchnceCs-Rs-SeriesCapacitanceandResistanceCp-D-PHratldCfipTciiHnceundDissiputtonFaclorCs-D-SentisCapautanceandDiioabonFactorI.0G1-C/JI4iCfi-RsCp*Gp圖2:基本的交流阻抗參數(shù)。Z、0阻抗與相位角R+jX電阻與電抗Cp-Gp并聯(lián)電容和電導=相位角Cs-Rs串聯(lián)電容和電阻Cp-D并聯(lián)電容和耗散因子Cs-D串聯(lián)電容和耗散因子為要得到基本交流阻抗

4、參數(shù)就必須測量阻抗的幅值（在圖2中表示為“Z”,此外還需要測量電流和電壓之間的相位角（0o）因此，在極坐標方式下，這一阻抗就是相角為。的Z。還可以從數(shù)學上將其轉(zhuǎn)化為直角坐標的形式，即表示為R+jX,其中R是實數(shù)部分，即同相阻抗矢量；jX是虛數(shù)部分，即相位阻抗矢量偏轉(zhuǎn)90。，它也是電容矢量。我們甚至可以從數(shù)學上將極坐標和直角坐標形式轉(zhuǎn)化為實際的電容和電阻值。有兩種常用的交流阻抗模型：并聯(lián)模型和串聯(lián)模型。在并聯(lián)模型中，結(jié)果表示為并聯(lián)電容（Cp）和并聯(lián)電導（Gp）。在串聯(lián)模型中，結(jié)果表示為串聯(lián)電容（Cs）和串聯(lián)電阻（Rs）。耗散因子（D）,即實阻抗與虛阻抗的比值，是從數(shù)學上推導出的另外一個常用參數(shù)。

5、當測量晶圓上的電容時，我們通常要看耗散因子，因為它是判斷最終C-V測量質(zhì)量的最佳指標。無論采用哪種交流阻抗模型，耗散因子都很容易計算出來?；跀?shù)字源表的準靜態(tài)電容測量斜率”方法使用簡單,在準靜態(tài)電容測量中，我們通過測量電流和電荷來計算電容值。這種但是它的頻率范圍有限（110Hz）,因而只能用于一些特殊情況。斜率測量方法只需要使用兩臺數(shù)字源表（SMU）。通過第一臺SMU將一個恒定電流加載到待測器件（DUT）的一個節(jié)點上。這臺SMU還負責測量該節(jié)點上的電壓和時間。與此同時，第二臺SMU測量DUT另一個節(jié)點輸出的電流，然后可以利用下列公式計算出電容:I=C*dV/dt或者C=I/(dV/dt)這種方

6、法通?？捎糜跍y量大小為100400pF斜率為0.11V/S的電容。利用射頻技術測量電容傳輸線的電容測量通常采用射頻技術，其中利用矢量網(wǎng)絡分析儀測量散射參數(shù)（S參數(shù)），即入射波的反射和傳輸系數(shù)。盡管射頻C-V測量問題已超出本文的范圍，筆者還是給出了一些有關這類測量技術的相關參考資料123。C-V測量方法與應用的匹配交流阻抗技術是最常用的電容測量技術，最適合于一般的低功率門電路，也適用于大多數(shù)測試結(jié)構(gòu)和大多數(shù)探針，其優(yōu)勢在于所需的設備相對便宜，大多數(shù)電子實驗室都可以直接找到。但是，它也有一些缺點，例如它的校正方法不如射頻測量中使用的校正方法那樣精確。另外一個明顯的缺點是要求交流阻抗的測試頻率必須接

7、近DUT的工作頻率，否則必須內(nèi)插一些測量結(jié)果。圖3:準靜態(tài)C-V斜率”測量方法盡管準靜態(tài)C-V是最所有測量方法中成本最低，只使用一對SMU,但是它適用的范圍有限,包括低漏流高k材料、有機器件或顯示器領域。不幸的是，在準靜態(tài)C-V測量中，測量誤差很容易破壞測量結(jié)果，尤其對于具有少量漏流器件的特征分析是不準確的。射頻C-V測量是超薄柵、漏電電介質(zhì)特征分析的最佳選擇，它還適用于射頻器件的建模。射頻探針的矯正方法很容易理解和實現(xiàn)。射頻方法的不足之處在于它需要非常昂貴的設備、測試結(jié)構(gòu)和射頻探針。此外，它只適用于特征阻抗為50歐姆左右的傳輸線。如果器件阻抗并不是十分接近50歐姆，這種方法就不準確了。對于某

8、些應用和用戶而言，射頻測量的配置和分析過程可能太復雜，在這些情況下，經(jīng)典的交流阻抗測量方法可能更適合。C-V參數(shù)提取的局限性在探討C-V測試系統(tǒng)的配置方法之前，了解半導體C-V測量技術的局限性很重要。這些限制有：電容從10fF到1uF法；電阻從0.1歐姆到100M歐姆；小電感從1nH到10mH。柵介質(zhì)：可以提取的等價柵氧厚度范圍從不到10納米到幾百納米；可以檢測出的電介質(zhì)玷污濃度從每平方厘米5e9個離子到約1e13個離子，界面阱范圍從約1e10/cm2到1e13/cm2電荷左右（取決于器件結(jié)構(gòu)）。現(xiàn)代儀器和探針臺的超低電容測量功能能夠測量更厚的疊層電介質(zhì)。MOS摻雜：可以提取MOSFET的摻雜

9、分布情況，靈敏度范圍從約1e14/cm3到1e18/cm3,摻雜深度從0.012到10”。少數(shù)載流子壽命從1ws到10ms,可從C-V測量中測得10ds的壽命時間。PN和肖特基結(jié)摻雜：可在0.1”到100dm的深度范圍內(nèi)測出約1e13/cm3至iJ1e18/cm3的二極管載流子濃度。FET和BJT建模參數(shù)：除了測量器件和材料特性之外，C-V測試還可進行直接測量用于構(gòu)建FET和BJT晶體管中的參數(shù)。特別要注意很多因素都會影響這些參數(shù)提取范圍，例如最大電壓值、器件尺寸和柵氧厚度。幸運的是，有很多文獻能幫助廣大研究人員和工程師判斷所需的測量范圍是否與現(xiàn)在的C-V測量技術很好地匹配456。連接與校正盡

10、管很多C-V測量技術本身相對簡單，但是以一種能夠確保測量質(zhì)量的方式實現(xiàn)C-V測試儀與探針臺的連接卻不是那么簡單。目前探針臺使用的機械手和探針卡多種多樣，當試圖在一個探針臺上同時支持I-V、C-V和脈沖式或超快I-V測量時，它們就會帶來一些實際的問題。當進行I-V、C-V或超快I-V測量時，測量結(jié)果的質(zhì)量與線纜的品質(zhì)和所采用的探針臺配置直接相關。直流I-V測量最好采用低噪聲同軸線纜和遠程探測線。C-V測量需要使用具有遠程探測線的同軸線纜，而且線纜長度要控制的非常精確。超快I-V測試需要50歐姆的同軸線纜，但是遠程探測線卻給超快I-V測試帶來了阻抗失配的問題。射頻C-V測量需要使用特殊的射頻線纜和

11、地-信號-地”結(jié)構(gòu)的探針以及校準基座。但不幸的是，這些接線方法與其它方法都不兼容。通過吉時利實驗室中的實驗，我們選擇了AmericanProbe&Technologies公司提供的探頭配置（73系列或74系列）（如圖4所示）。它的優(yōu)勢在于大多數(shù)探針臺供貨商都有供貨。這種特制的探頭是同軸的，帶有一個開氏連接，其主體和屏蔽層都是浮空的，因此可用作I-V測量的驅(qū)動保護，或者通過跳接實現(xiàn)C-V和超快I-V測量的短接地路徑。這類探針上的接頭稱為SSMC。圖4：AmericanProbe&Technologies的探頭配置。有三類線纜可用于實現(xiàn)與這類探針的高品質(zhì)連接：SSMC到三軸線纜連接適用于直流I-V

12、測量和一般性應用（直接或間接連接）；SSMC到同軸線纜連接可用于C-V或超快I-V測試（間接連接）；而更特殊的SSMC到SMA線纜連接能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的C-V測量性能，尤其是在較高頻率下（直接連接）。圖4給出了進行C-V測量的雙探針配置方案。每個探針連接了一對同軸線纜，實現(xiàn)遠程開氏檢測連接。請注意兩個探頭體之間的跳線很短，這種跳線確保了探針之間具有良好的接地連接，這對高頻測量很重要。好的C-V測量取決于接地跳線的質(zhì)量。隨著頻率的提高，好的接地跳線變得愈發(fā)重要。探頭體必須跳接在一起，因為同軸線纜的屏蔽層實際上是C-V測試系統(tǒng)測量通路的一部分。如果屏蔽層沒有靠近連接在一起，就會形成一個很大的回路，從而

13、在測量通路中直接產(chǎn)生較大的電感，給電容測量帶來很大的誤差。當有人想要采用與C-V測量系統(tǒng)相同的探針和線纜系統(tǒng)配置進行直流I-V測量時，按這種方式（如圖5所示）跳接探針體的缺點就顯而易見了。對于好的直流I-V測量，探針體必須浮動在保護電位上，這意味著當從C-V轉(zhuǎn)換為I-V測試時，必須去掉這個跳線。如果探針臺頻繁在I-V和C-V測試之間轉(zhuǎn)換，那么你很快就會發(fā)現(xiàn)去掉和重新放置這個跳線是一個非常費力費時的過程。ConnectStitddsTShieldIShieldCaponWafer圖5:跳接同軸線屏蔽層示意圖。吉時利研究出了一種新的接線技術（如圖6所示），能減少在I-V、C-V和超快I-V測試之間

14、轉(zhuǎn)換所需的重新連線時間。這種技術采用一種特殊的三軸線纜直接連接探頭，但內(nèi)部屏蔽層保持浮空或者與C-V同軸屏蔽層絕緣。這實際上是將外部屏蔽層跳接在了一起，保持內(nèi)部屏蔽層浮空為直流I-V的驅(qū)動保護。這種三軸接頭實現(xiàn)了一種簡便而直接的與直流I-V三軸輸出端的連接方式。C-V輸出從同軸轉(zhuǎn)換為三軸，保護端仍然斷開，從而同一條線纜很容易從直流I-V轉(zhuǎn)換到C-V測試端。這種特制的三軸線纜具有100歐姆的匹配阻抗，因此同樣的線纜可以采用T型連接方式連接在一起，直接與超快I-V測試儀器連接。這種配置使得屏蔽層跳線始終保持連接，能夠快速而簡便地實現(xiàn)直流I-V、C-V和超快I-V測試之間的轉(zhuǎn)換。圖6:新方法簡化了I

15、-V、C-V和超快I-V測試連接配置?？窃谙乱黄诘碾娙?電壓(C-V)測量技術、技巧與陷阱(下),將討論識別和校正典型C-V測試誤差的方法，敬請關注。作者：LeeStauffer高級工程師吉時利儀器公司參考文獻A.Nakara,N.Yasuda,H.Satake,A.Toriumi,aLimitationsoftheTwo-frequencyCapacitanceMeasurementTechniqueAppliedtoUltra-ThinSi02GateOxides,“inProc.IEEE2001ConferenceonMicroelectronicTestStructures,Vol.

16、14,March2001.2 G.Gonzalez,MicrowaveTransistorAmplifiers:AnalysisandDesign,2ndedition,EnglewoodCliffs,NJ:Prentice-Hall,1996.3 J.Schmitzet.al.,aTeststructuredesignconsiderationsforRF-CVmeasurementsonleakydielectrics,IEEETransactionsonSemiconductorManufacturing,Vol.17,No.2,May2004.Characterization,3rde

17、dition,4 D.K.Schroder,SemiconductorMaterialandDeviceNewYork;Wiley-IEEEPress,2006.5E.H.NicollianandYork;Wiley-Interscience,J.R.Brews,MOSPhysicsand1982.Technology,1stedition,NewDevices,3rdedition,NewYor6S.M.SzeandK.K.Ng,PhysicsofSemiconductork:Wiley-Interscience,2006.電容-電壓測量技術、技巧與陷阱（下）作者：LeeStauffer高級

18、工程師吉時利儀器公司刊登在上一期的電容-電壓（C-V）測量技術與技巧（上），討論了如何針對特定的應用選擇最合適類型的C-V測量儀器，并探討某些C-V測試的典型功能和參數(shù)提取限制、連接探針臺以及校正探針尖的技巧。這里將探討識別和校正典型C-V測試誤差的方法。常見C-V測量誤差偏移和增益誤差（如圖7所示）是C-V測量中最常見的誤差。X軸以對數(shù)標度的方式給出了電容的真實值，大小范圍從皮法到納法。Y軸表示系統(tǒng)實際測量的值，包含測量誤差。如果測量系統(tǒng)是理想的，那么所測出的值將與真實值完全匹配，可以畫成一條具有45度角的直線，如圖7中黑色的線所示。實際上，增益和偏移誤差（藍線和紅線）總會存在因此必須進行校

19、正。圖7.電容測量中的增益和偏移誤差由于坐標軸是對數(shù)形式的，所以藍線所示的偏移誤差就表示小電容上的小誤差以及大電容上的大誤差。由于偏移誤差變化大，校正這種誤差必須注意兩個方面。當測量很小的電容（10pF）,即大阻抗時，最好的校正方法是開路校正”。當測量較大的電容（高達10nF）,即小阻抗時，最好采用短路校正”。圖7中還給出了增益誤差，以紅線所示。增益誤差的變化取決于所測電容的大小，它們相比偏移誤差更難以校正。負載校正”是校正增益誤差的一種方法。進行負載校正時需要連接一個已知的標準負載壁并測量它，然后計算比值使得測量的值與已知的負載相匹配。負載校正的局限性在于，當負載大小接近于待測器件時，它的效

20、果最好。例如，如果想測量10MHz下的一個5pF電容，這表示負載約為3千歐姆，那么校正這一測量就需要找到3千歐姆的標準負載。如果待測器件的尺寸變化很大（通常就是如此），這樣做就不切實際了，因此負載校正方法實際上不適用于一般的實驗室應用。圖8:交流阻抗測試系統(tǒng)的簡化模型、開路、短路和負載校正實際上是在干什么？圖8給出了一個交流阻抗測試系統(tǒng)的簡化模型，其中添加了集總元件表示開路、短路和負載誤差項。測量系統(tǒng)的所有組成部分一一所有線纜、所有探針和所有卡盤一一已集總在一起，表示為Z開路（開路阻抗誤差）、Z短路（短路電路阻抗誤差）和2負載（負載校正組件）。在這個測試系統(tǒng)上進行校正的第一步是在探針之間形成短

21、路，通常做法是將兩個探針頭放在同一個接觸點（pad）上，然后用電容計測量電容值，并將其保存為剩余短路阻抗。第二步是抬起探針，使其保持在接近測量實際器件時應有的方向，然后電容計測量電容值，將其保存為剩余開路阻抗。如果需要，可以在探針之間加一個已知的阻抗負載，用電容計測量其值，將其保存為負載校正。下面的公式用于在測量中應用這些校正。Zfinal1Zo其中，Zfinal為最終經(jīng)過校正的測量阻抗，Zm為測得的阻抗，Loadratio為測得的負載校正，Zs為測得的短路校正，Zo為測得的開路校正。Zfinal是根據(jù)這一公式應用這些校正所得到的最終結(jié)果。如果校正值關閉，它就會進入缺省狀態(tài)，使其對這一公式不可

22、見。值得注意的是，如果這些校正實現(xiàn)的不正確，它們將使得最終的測量值不如完全不進行校正那樣正確。幸運的是，為提高易用性，當前大多數(shù)交流阻抗表都已內(nèi)置了開路、短路和負載校正以及相應的計算公式。線纜長度補償是一種經(jīng)常被忽視的校正技術。它是針對儀器廠商提供的某些特殊線纜進行相位偏移校正的。交流信號沿著線纜傳輸需要一定的時間，其在測量結(jié)果上產(chǎn)生的相位偏移正比于線纜長度和傳輸延遲。請注意，交流阻抗表測量的實際上是阻抗和相位，因此線纜導致的任何相位偏移都表現(xiàn)為測量中的直接誤差。大多數(shù)交流阻抗表都支持對一組預定的線纜長度選擇補償，比如0米、1.5米或3米。隨著測試頻率的增大，C-V測量對相位誤差越來越敏感，尤

23、其是當頻率高于1MHz時。不同的開關矩陣、探針臺線纜和探針都具有不同的路徑長度，我們必須考慮這一因素并進行校正。不同的線纜還具有不同的傳輸延遲，因此有不同的相位誤差。隨便選擇現(xiàn)有的同軸線纜不是明智之舉，因為它可能與廠商電容計預定的傳輸延遲不匹配。幸運的是，某些新型的C-V表，例如吉時利的4210-CVU,能測量并調(diào)節(jié)相位誤差，針對不同的線纜系統(tǒng)和不同的路徑長度進行補償。某些探針臺的卡盤本身帶有很長的連接探針臺的線纜，它們可能與連接機械手的線纜類型不匹配，這會給基于卡盤的測量帶來問題。如果可能，解決辦法是采用雙頂面接觸。如果不可行，就要盡量使得連接卡盤的線纜與連接機械手的線纜相互匹配。大多數(shù)交流阻抗表最好采用帶一組開氏線纜的，一條用于加力，一條用于檢測，但有時候在系統(tǒng)中同時采用兩種線纜是不切實際的。這時，可以用T型連接方式把開氏引線連接在一起，只用