如何用半导体参数分析仪进行斜坡法准静态C-V测量？

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。）

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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：

图1. 使用斜坡法测量电容的连接

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：

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

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。

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

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。

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