電容電壓測量技術(shù)、技巧與陷阱

在“半導(dǎo)體C-V測量基本原理”一文中，我曾談到，電容-電壓(C-V)測試長期以來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(太陽能)電池、MEMS器件、有機(jī)薄膜晶體管(TFT)顯示器、led/' target='_blank'>光電二極管和碳納米管等等。研發(fā)實驗室廣泛利用C-V測量技術(shù)*測新材料、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@類測量技術(shù)對供貨商的材料進(jìn)行資格檢驗，監(jiān)測工藝參數(shù)，分析失效機(jī)理。毋庸置疑，它們是半導(dǎo)體特征分析與測試的基礎(chǔ)。

本文討論如何針對特定的應(yīng)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(dǎo)體C-V測試目前可以采用三種不同的電容測量技術(shù)：常用的交流阻抗電容計、準(zhǔn)靜態(tài)電容測量以及射頻技術(shù)(采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和射頻探測器)。下面簡要介紹每一種電容測量技術(shù)。

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(fù)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)施加一個交流電壓來測量交流阻抗。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。

圖2：基本的交流阻抗參數(shù)。

Z、θ ——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(θ)。因此，在極坐標(biāo)方式下，這一阻抗就是相角為θ的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)出的另外一個常用參數(shù)。當(dāng)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(biāo)。無論采用哪種交流阻抗模型，耗散因子都很容易計算出來。

基于數(shù)字源表的準(zhǔn)靜態(tài)電容測量

在準(zhǔn)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“斜率”方法使用簡單，但是它的頻率范圍有限(1～10Hz)，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(fù)責(zé)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)

這種方法通常可用于測量大小為100～400pF斜率為0.1～1V/S的電容。

利用射頻技術(shù)測量電容

傳輸線的電容測量通常采用射頻技術(shù)，其中利用矢量網(wǎng)絡(luò)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(guān)這類測量技術(shù)的相關(guān)參考資料[1][2][3]。

C-V測量方法與應(yīng)用的匹配

交流阻抗技術(shù)是最常用的電容測量技術(shù)，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(shè)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近DUT的工作頻率，否則必須內(nèi)插一些測量結(jié)果。

圖3：準(zhǔn)靜態(tài)C-V“斜率”測量方法。

盡管準(zhǔn)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(jī)器件或顯示器領(lǐng)域。不幸的是，在準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)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(zhǔn)確了。對于某些應(yīng)用和用戶而言，射頻測量的配置和分析過程可能太復(fù)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(dǎo)體C-V測量技術(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的摻雜分布情況，靈敏度范圍從約1e14/cm3到1e18/cm3，摻雜深度從0.01μm到10μm。少數(shù)載流子壽命從1μs到10ms，可從C-V測量中測得10μs的壽命時間。

PN和肖特基結(jié)摻雜：可在0.1μm到100μm的深度范圍內(nèi)測出約1e13/cm3到1e18/cm3的二極管載流子濃度。

FET和BJT建模參數(shù)：除了測量器件和材料特性之外，C-V測試還可進(jìn)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(xiàn)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(shù)很好地匹配[4][5][6]。

連接與校正

盡管很多C-V測量技術(shù)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(jī)械手和探針卡多種多樣，當(dāng)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(dāng)進(jìn)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(guān)。

直流I-V測量最好采用低噪聲同軸線纜和遠(yuǎn)程探測線。C-V測量需要使用具有遠(yuǎn)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(yuǎn)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“地-信號-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。

通過吉時利實驗室中的實驗，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(hù)，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：American Probe 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測量和一般性應(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-V測試(間接連接)；而更特殊的SSMC到SMA