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如何用半导体参数分析仪进行斜坡法准静态C-V测量?

泰克科技 来源:泰克科技 2024-02-22 11:44 次阅读

电容电压(C-V)测量通常采用交流测量技术。而一些电容测量需要直流测量技术,被称为准静态C-V(或QSCV)测量,因为它们是在非常低的测试频率下进行的,即几乎是直流的。这些测量通常包括步进直流电压和测量所产生的电流或电荷。一些用于准静态C-V测量的技术包括 反馈电荷法和线性斜坡法。4200A-SCS参数分析仪采用了一种新的方法,即斜坡速率法,该方法采用了两个4200-SMU源测量单元和两个4200-PA前置放大器可选的4200-PA前置放大器是必需的,因为该测试涉及测量皮安量级范围内的电流。SMU用源电流给电容器充电,然后测量电压、时间和放电电流。

软件根据测量的参数来计算电容作为电压的函数,并在4200A-SCS的显示器上显示曲线。本应用指南说明描述了如何使用4200A-SCS和斜坡方法来实现和优化准静态C-V测量。(前提是用户能熟练使用Keithley 4200A-SCS进行I-V测量。)

IV/CV参数测试相关直播回顾

斜坡法

图1说明了斜坡法的基本连接图,需要两个4200-smu和4200-pa连接到被测设备的任意一侧。由于斜坡法在一个有限的范围内工作,因此被测器件的电容应在1pF到约400pF的范围内。

斜坡法的工作原理是SMU作为电流源,将被测设备充电到特定的直流电压。一旦设备被充电,当SMU测量电压作为时间的函数时,一个极性相反的电流将被迫放电设备。第二个SMU测量放电电流。根据测量的电压(V)、电流(I)和时间(t)值,得出电容(C)作为电压和时间的函数:

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图1. 使用斜坡法测量电容的连接

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4200A-SCS中包含的斜坡法在进行QSCV测量时遵循以下步骤:

1. 给设备充电:通过ForceSMU对DUT施加100pA的预充电电流,直到达到限制电压。限制电压是由用户指定的,并被称为VStart。预充电电流的极性与VStart电压的极性相同。如果预充电电流不足以使设备进入VStart,则将产生超时错误。

2. 在扫描前在指定时间内给器件施加恒定值:设备在扫描前的用户指定时间(提前时间)内,设备达到偏置VStart电压。

3. 将斜坡电流应用于放电装置:一旦设备在指定时间内达到偏置电压,则会向器件施加斜坡电流以使设备放电。斜坡电流与预充电流的极性相反。斜坡电流的值为:

Iramp = CVal × RampRate

其中

CVal是用户输入的估计电容值(F)。

RampRate是用户输入特定速率的电压(dV/dt),单位是V/s。

4. 同时触发SMU以进行测量:作为Force SMU的SMU测量电压 (V1、V2、V3…Vn)和时间 (T1、T2、T3…Tn)。测 量SMU测 量 电 流(I1,I2 和I3……)。测量电压、时间和电流,直到达到VStart电压的相反极性。

5. 计算电压、时间和电容输出值:实时从测量值中提取参数,并将其显示在图表中。这些参数分别为Vout =电压、Tout =时间和Cout =电容,计算方法如下:

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其中 dV=V2-V1 和 dT=T1-T1

如何使用Clarius软件进行QSCV测量

Clarius软件包括一个用户模块UTM,使用斜坡法进行准静态C-V测量。这个用户模块meas_qscv位于QSCVulib用户库中,它可以作为项目中的自定义测试打开。

在meas_qscv用户模块中设置参数

一旦使用UTM创建了一个测试,就需要输入一些参数。meas_qscv用户模块的可调参数如表1所示。

表1. meas_qscv用户模块中可调参数一览表

wKgaomXWw62AfUY7AAFbDE1LBrQ895.jpg

这里是输入参数的更详细的描述:

Force SMU:

SMU施加电流到被测器件,并测量电压作为时间的函数。这个SMU必须有一个前置放大器,因为它将在pA范围内监测电流。

Measure SMU:

测量电路中电流的SMU。这个SMU必须有一个前置放大器,因为它将测量pA范围内的电流。

VStart:

这是C-V扫描的起始电压和结束电压,C-V扫描总是以0V为对称值。

CVal:

输入被测设备的近似最大电容值。该值用于确定器件充电的源电流的大小。

RampRate:

充电电压的斜率,单位V/s。如果斜坡速率太快,则在扫描中将没有足够的数据点。如果斜坡的速度过慢,读数可能会有噪声。需要进行一些实验来找到被测器件的最佳设置。

启动时间:

在CV扫描开始前对被测器件施加VStart电压的时间长度,让设备充电并达到平衡。

Timeout:

在测试模块超时之前,允许将器件充电到VStart电压的时间。在某些情况下,例如当设备短路时,设备可能无法达到VStart电压;该参数使模块能够自动停止并生成错误消息。默认情况下,它是10秒。

执行测试

通过在测试库中选择一个新的自定义测试,可以在项目中打开meas_qscv用户模块。然后在屏幕的左上角选择“配置”,并在右侧窗格中选择QSCVulib用户库和meas_qscv用户模块。然后,可以根据应用程序输入适当的值。

Keithley已经创建了一个测试和一个项目,它使用meas_qscv用户模块进行准静态C-V测量。在屏幕的左上角选择“选择”,然后从测试库或项目库中,在搜索栏中输入qscv,并选择“搜索”。qscv测试或项目将自动出现在中心窗格中。

使用斜坡率项目的 准静态C-V(斜坡率扫描)的项目树如图2所示。

wKgaomXWw62AHJUlAACJ7XGtIf4043.jpg

图2. 使用斜坡法项目的准静态C-V项目树(qscv)

这个项目包含一个名为斜坡cv扫描的测试,用于在MOSFET设备上进行测量。用于设置测试参数的配置如图3所示

wKgZomXWw62AQUa7AAH4e-CFsFg750.jpg

图3. 斜坡扫描测试的配置界面~~

在这个测试中,使用SMU1(Force SMU)和SMU2(Measure SMU)来进行C-V测量。VStart值设置为4V,因此这将产生从-4V到4V的电压扫描。近似的电容值为10pF,这是CVal的参数输入。这个CV电容值将用于确定斜坡电流。如果这个数字过低(例如,1E-12而不是10E-12),则电容测量将会出现噪声。RampRate值设置为0.7V/s。在这种情况下,一个更大(1V/s)的RampRate将产生一个更慢的曲线,但将有更少的数据点。较小的波动率(0.1V/s)将产生具有大量数据点的更多的噪声曲线。需要进行实验,以确定被测试的被测器件的最佳设置。

一旦器件连接到两个smu,并使用所需的输入参数创建了测试,就可以执行C-V扫描。这种扫描的结果如图4所示。

wKgZomXWw62AZPiqAAB5WM8B6PM767.jpg

图4. MOSFET器件的准静态C-V扫描

优化测量

当使用斜坡法进行准静态C-V测量时,必须使用各种技术来优化测量精度。这些技术包括实现低电流的测量和在软件中选择适当的设置。

由于使用斜坡率法涉及到测量微小电流,因此必须采用低电流测量技术。使用4200A-SCS附带的三轴电缆,这是屏蔽线缆。为了减少静电干扰造成的噪声,确保将器件放置在金属外壳中,屏蔽罩与4200A-SCS的LO端子相连。

meas_qscv模块中影响测量影响最大的参数设置是C**Val和RampRate。CVal是被测器件的近似值。如果输入的值大于实际设备的值,那么RampRate将会更大,数据点也会更少。相反,如果输入的电容值小于实际器件电容,则速率将会更低,曲线中将会有更多的数据点。使用尽可能大的速率,但确保设备曲线显示稳定。然而,如果速度太快,可能没有足够的点。

为了降低曲线的噪声水平,可以使用公式器中的平均函数(MAVG)。试着使用三个读数的移动平均值,看看这是否有帮助。不要将移动平均数设置得很大,从而失去C-V曲线的形状。

要减去电缆和探头造成的偏移,请使用探头向上或开路的meas_qscv模块进行C-V扫描。使用公式器,取读数的平均值。从在被测器件上的电容测量值中减去这个平均偏移值。

结论

用4200-SMU进行斜坡法进行准静态C-V测量。该技术在Clarius软件的QSCV_uslib用户库的meas_qscv模块中的软件中实现。使用低电流的测量技术,并在软件中选择适当的参数设置,将得到准确可靠的结果。




审核编辑:刘清

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原文标题:应用指南 | 如何用半导体参数分析仪进行斜坡法准静态C-V测量

文章出处:【微信号:泰克科技,微信公众号:泰克科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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