電容-電壓測(cè)量技術(shù)、技巧與陷阱

1、電容-電壓測(cè)量技術(shù)、技巧與陷阱電容-電壓測(cè)量技術(shù)、技巧與陷阱類(lèi)別：模擬技術(shù)在“半導(dǎo)體C-V測(cè)量基本原理”一文中，我曾談到，電容-電壓(C-V)測(cè)試長(zhǎng)期以來(lái)被用于判斷多種不同器件和結(jié)構(gòu)的各種半導(dǎo)體參數(shù)，適用范圍包括MOSCAP、MOSFET、雙極結(jié)型晶體管和JFET、III-V族化合物器件、光伏(太陽(yáng)能)電池、MEMS器件、有機(jī)薄膜晶體管(TFT)顯示器、光電二極管和碳納米管等等。研發(fā)實(shí)驗(yàn)室廣泛利用C-V測(cè)量技術(shù)測(cè)新材料、工藝、器件和電路。負(fù)責(zé)產(chǎn)品和良率增強(qiáng)的工程技術(shù)人員利用它們優(yōu)化工藝和器件性能?？煽啃怨こ處熇眠@類(lèi)測(cè)量技術(shù)對(duì)供貨商的材料進(jìn)行資格檢驗(yàn)，監(jiān)測(cè)工藝參數(shù)，分析失效機(jī)理。毋庸置疑，它們

2、是半導(dǎo)體特征分析與測(cè)試的基礎(chǔ)。 本文討論如何針對(duì)特定的應(yīng)用選擇最合適類(lèi)型的C-V測(cè)量?jī)x器，并探討某些C-V測(cè)試的典型功能和參數(shù)提取限制、連接探針臺(tái)以及校正探針尖的技巧。半導(dǎo)體C-V測(cè)試目前可以采用三種不同的電容測(cè)量技術(shù)：常用的交流阻抗電容計(jì)、準(zhǔn)靜態(tài)電容測(cè)量以及射頻技術(shù)(采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和射頻探測(cè)器)。下面簡(jiǎn)要介紹每一種電容測(cè)量技術(shù)。 交流阻抗電容計(jì) 交流阻抗表，也稱(chēng)為L(zhǎng)CR表(電感L、電容C、電阻R)，它利用一個(gè)自動(dòng)平衡電橋保持電容的檢測(cè)端交流假接地，從而測(cè)量復(fù)阻抗。 這類(lèi)電表的通常頻率范圍為1kHz到10MHz，其工作原理(圖1)相對(duì)簡(jiǎn)單。它通過(guò)在高電流輸出端(HCUR)施加一個(gè)交流電壓來(lái)

3、測(cè)量交流阻抗。通過(guò)低電流端(LCUR)測(cè)量流過(guò)器件的電流，通過(guò)高低電位端(HPOT和LPOT)測(cè)量器件上的電壓降。電壓和電流的測(cè)量采用了能精確判斷二者之間相位角的鎖相方式。通過(guò)測(cè)量幅值和相位角，就可以計(jì)算出任意所需的交流阻抗參數(shù)。 圖1：交流阻抗表。 圖2：基本的交流阻抗參數(shù)。 Z、 阻抗與相位角 R+jX 電阻與電抗 Cp-Gp 并聯(lián)電容和電導(dǎo)=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參數(shù)就必須測(cè)量阻抗的幅值(在圖2中表示為“Z”)，此外還需要測(cè)量電流和電壓之間的相位角()。因此，在極坐標(biāo)方式下，這一阻抗就是相角為的

4、Z。還可以從數(shù)學(xué)上將其轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)的形式，即表示為R+jX，其中R是實(shí)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(xué)上將極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)形式轉(zhuǎn)化為實(shí)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(dǎo)(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(shí)阻抗與虛阻抗的比值，是從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出的另外一個(gè)常用參數(shù)。當(dāng)測(cè)量晶圓上的電容時(shí)，我們通常要看耗散因子，因?yàn)樗桥袛嘧罱KC-V測(cè)量質(zhì)量的最佳指標(biāo)。無(wú)論采用哪種交流阻抗模型，耗散因子都很容易計(jì)算出來(lái)

5、。 基于數(shù)字源表的準(zhǔn)靜態(tài)電容測(cè)量 在準(zhǔn)靜態(tài)電容測(cè)量中，我們通過(guò)測(cè)量電流和電荷來(lái)計(jì)算電容值。這種“斜率”方法使用簡(jiǎn)單，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(cè)量方法只需要使用兩臺(tái)數(shù)字源表(SMU)。通過(guò)第一臺(tái)SMU將一個(gè)恒定電流加載到待測(cè)器件(DUT)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。這臺(tái)SMU還負(fù)責(zé)測(cè)量該節(jié)點(diǎn)上的電壓和時(shí)間。與此同時(shí)，第二臺(tái)SMU測(cè)量DUT另一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸出的電流，然后可以利用下列公式計(jì)算出電容： I=CdV/dt或者C=I/(dV/dt) 這種方法通?？捎糜跍y(cè)量大小為100400pF斜率為0.11V/S的電容。 利用射頻技術(shù)測(cè)量電容 傳輸線的電容測(cè)量通常采用射頻技術(shù)，其

6、中利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(cè)量問(wèn)題已超出本文的范圍，筆者還是給出了一些有關(guān)這類(lèi)測(cè)量技術(shù)的相關(guān)參考資料123。 C-V測(cè)量方法與應(yīng)用的匹配 交流阻抗技術(shù)是最常用的電容測(cè)量技術(shù)，最適合于一般的低功率門(mén)電路，也適用于大多數(shù)測(cè)試結(jié)構(gòu)和大多數(shù)探針，其優(yōu)勢(shì)在于所需的設(shè)備相對(duì)便宜，大多數(shù)電子實(shí)驗(yàn)室都可以直接找到。但是，它也有一些缺點(diǎn)，例如它的校正方法不如射頻測(cè)量中使用的校正方法那樣精確。另外一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是要求交流阻抗的測(cè)試頻率必須接近DUT的工作頻率，否則必須內(nèi)插一些測(cè)量結(jié)果。 圖3：準(zhǔn)靜態(tài)C-V“斜率”測(cè)量方法。 盡管準(zhǔn)靜態(tài)C-V是最所有測(cè)量方法

7、中成本最低，只使用一對(duì)SMU，但是它適用的范圍有限，包括低漏流高k材料、有機(jī)器件或顯示器領(lǐng)域。不幸的是，在準(zhǔn)靜態(tài)C-V測(cè)量中，測(cè)量誤差很容易破壞測(cè)量結(jié)果，尤其對(duì)于具有少量漏流器件的特征分析是不準(zhǔn)確的。 射頻C-V測(cè)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(shí)現(xiàn)。射頻方法的不足之處在于它需要非常昂貴的設(shè)備、測(cè)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(zhǔn)確了。對(duì)于某些應(yīng)用和用戶(hù)而言，射頻測(cè)量的配置和分析過(guò)程可能太復(fù)雜，在這些情況下，經(jīng)典的交流阻抗測(cè)量方法可能更適合。 C-

8、V參數(shù)提取的局限性 在探討C-V測(cè)試系統(tǒng)的配置方法之前，了解半導(dǎo)體C-V測(cè)量技術(shù)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(jià)柵氧厚度范圍從不到10納米到幾百納米；可以檢測(cè)出的電介質(zhì)玷污濃度從每平方厘米5e9個(gè)離子到約1e13個(gè)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(tái)的超低電容測(cè)量功能能夠測(cè)量更厚的疊層電介質(zhì)。 MOS摻雜：可以提取MOSFET的摻雜分布情況，靈敏度范圍從約1e14/cm3到1e18/cm3，摻雜深度從0.01m到10m。少數(shù)載流子

9、壽命從1s到10ms，可從C-V測(cè)量中測(cè)得10s的壽命時(shí)間。 PN和肖特基結(jié)摻雜：可在0.1m到100m的深度范圍內(nèi)測(cè)出約1e13/cm3到1e18/cm3的二極管載流子濃度。 FET和BJT建模參數(shù)：除了測(cè)量器件和材料特性之外，C-V測(cè)試還可進(jìn)行直接測(cè)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(huì)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(yùn)的是，有很多文獻(xiàn)能幫助廣大研究人員和工程師判斷所需的測(cè)量范圍是否與現(xiàn)在的C-V測(cè)量技術(shù)很好地匹配456。 連接與校正 盡管很多C-V測(cè)量技術(shù)本身相對(duì)簡(jiǎn)單，但是以一種能夠確保測(cè)量質(zhì)量的方式實(shí)現(xiàn)C-V測(cè)試儀與探針臺(tái)的連接卻不

10、是那么簡(jiǎn)單。目前探針臺(tái)使用的機(jī)械手和探針卡多種多樣，當(dāng)試圖在一個(gè)探針臺(tái)上同時(shí)支持I-V、C-V和脈沖式或超快I-V測(cè)量時(shí)，它們就會(huì)帶來(lái)一些實(shí)際的問(wèn)題。當(dāng)進(jìn)行I-V、C-V或超快I-V測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量與線纜的品質(zhì)和所采用的探針臺(tái)配置直接相關(guān)。 直流I-V測(cè)量最好采用低噪聲同軸線纜和遠(yuǎn)程探測(cè)線。C-V測(cè)量需要使用具有遠(yuǎn)程探測(cè)線的同軸線纜，而且線纜長(zhǎng)度要控制的非常精確。超快I-V測(cè)試需要50歐姆的同軸線纜，但是遠(yuǎn)程探測(cè)線卻給超快I-V測(cè)試帶來(lái)了阻抗失配的問(wèn)題。射頻C-V測(cè)量需要使用特殊的射頻線纜和“地-信號(hào)-地”結(jié)構(gòu)的探針以及校準(zhǔn)基座。但不幸的是，這些接線方法與其它方法都不兼容。 通過(guò)吉時(shí)利實(shí)

11、驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)，我們選擇了American Probe & 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(shì)在于大多數(shù)探針臺(tái)供貨商都有供貨。這種特制的探頭是同軸的，帶有一個(gè)開(kāi)氏連接，其主體和屏蔽層都是浮空的，因此可用作I-V測(cè)量的驅(qū)動(dòng)保護(hù)，或者通過(guò)跳接實(shí)現(xiàn)C-V和超快I-V測(cè)量的短接地路徑。這類(lèi)探針上的接頭稱(chēng)為SSMC。 圖4：American Probe & Technologies的探頭配置。 有三類(lèi)線纜可用于實(shí)現(xiàn)與這類(lèi)探針的高品質(zhì)連接：SSMC到三軸線纜連接適用于直流I-V測(cè)量和一般性應(yīng)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

12、-V測(cè)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(cè)量性能，尤其是在較高頻率下(直接連接)。圖4給出了進(jìn)行C-V測(cè)量的雙探針配置方案。每個(gè)探針連接了一對(duì)同軸線纜，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)氏檢測(cè)連接。請(qǐng)注意兩個(gè)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(duì)高頻測(cè)量很重要。 好的C-V測(cè)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?yàn)橥S線纜的屏蔽層實(shí)際上是C-V測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量通路的一部分。如果屏蔽層沒(méi)有靠近連接在一起，就會(huì)形成一個(gè)很大的回路，從而在測(cè)量通路中直接產(chǎn)生較大的電感，給電容測(cè)量帶來(lái)很大的誤差。 當(dāng)有人想要采用與

13、C-V測(cè)量系統(tǒng)相同的探針和線纜系統(tǒng)配置進(jìn)行直流I-V測(cè)量時(shí)，按這種方式(如圖5所示)跳接探針體的缺點(diǎn)就顯而易見(jiàn)了。對(duì)于好的直流I-V測(cè)量，探針體必須浮動(dòng)在保護(hù)電位上，這意味著當(dāng)從C-V轉(zhuǎn)換為I-V測(cè)試時(shí)，必須去掉這個(gè)跳線。如果探針臺(tái)頻繁在I-V和C-V測(cè)試之間轉(zhuǎn)換，那么你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)去掉和重新放置這個(gè)跳線是一個(gè)非常費(fèi)力費(fèi)時(shí)的過(guò)程。 圖5：跳接同軸線屏蔽層示意圖。 吉時(shí)利研究出了一種新的接線技術(shù)(如圖6所示)，能減少在I-V、C-V和超快I-V測(cè)試之間轉(zhuǎn)換所需的重新連線時(shí)間。這種技術(shù)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(shí)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(dòng)保護(hù)。這種三軸接頭實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)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(hù)端仍然斷開(kāi)，從而同一條線纜很容易從直流I-V