高灵敏C-V测试在前沿材料研究中的应用指南-电子发烧友网

介绍

在新材料与智能计算技术飞速发展的今天，从忆阻器、铁电器件到神经形态阵列，越来越多前沿器件对电学性能的精细表征提出了更高要求。电容-电压（C-V）与交流阻抗测量作为关键手段，正在科研与产业测试中发挥着举足轻重的作用——不仅用于提取材料参数、验证器件模型，也成为探索新型信息存储、类脑计算和低功耗电子架构不可或缺的一环。

面对这一趋势，泰克 Keithley 4200A-SCS参数分析平台提供的4210-CVU / 4215-CVU 模块，为工程师与研究人员带来了从 pF 级到 mF 级、从 1kHz 到10MHz 的高精度多频电容测试能力，助力多端器件、二维材料、低维阵列等复杂结构实现更可靠、更灵敏的测量分析。

CVU测量概述

图2显示了4210-CVU和4215-CVU的简化模型。器件的电容是通过提供交流电压并测量交流电流和相位来确定的，同时在器件上施加直流电压。

图2. 简化的CVU图

时域AC值映射到频域中，以阻抗的相量形式表达。器件电容由交流阻抗和测试频率确定，使用以下公式计算：

测量模型和参数

DUT的典型测试模型通常是串联或并联电阻电容 (RC) 电路。如图3中的简化模型所示，CVU可以串联配置 (RS-CS)或并联配置 (RP-GP)

图3. 简化的测量模型

图4. 阻抗矢量图

通过使用Clarius中的内置公式，可以轻松地从测量数据中提取电感等其他参数。图4中阻抗的矢量图显示了阻抗的基本公式。

交流阻抗测量系统

如图5所示，C-V测试系统可能很复杂，因为其配置包括测量仪器和软件、信号接线、测试夹具和设备。为了进行最佳测量，需要适当设置CVU的test setting和timing参数。必须使用适当的接线、探针台和测试夹具，然后必须执行寄生电容的补偿。最后，设备本身可能会导致测量出现问题。接下来的几节将讨论进行良好电容测量的硬件和软件注意事项。

图5. C-V测量系统

接线和连接

本节介绍如何使用正确的接线和连接、托盘和设备端子的AC防护以及配置AC电流表端子。

正确的接线

为获得最佳测量结果，请仅使用随附的红色SMA电缆连接到CVU。随附的附件允许连接到带有BNC或SMA接口的测试夹具或探针台。CVU以及为双线传感配置的附件如图6 所示。CS-1247 SMA转BNC适配器连接到每根CA-447A SMA转SMA电缆。HCUR和HPOT端子通过CS-701A BNC三通连接以形成CVH，LCUR和LPOT连接在一起以形成CVL。使用随附的扭矩扳手拧紧SMA 电缆连接，以确保接触良好。红色SMA电缆为100Ω。两条并联的100Ω电缆为50Ω，这是高频源和测量应用的标准。

图6. 2用于两线感应的CVU连接

图7显示了对DUT进行四线测试的示例。在这种情况下，HCUR和HPOT端子连接到设备的一端，LPOT和LCUR端子连接到设备的另一端。为了提高带宽，请将同轴电缆的外部屏蔽层连接到金属测试夹具。

图7. 从CVU到DUT的正确连接

图8显示了连接两个探针台电缆组件的公共端的接地跳线。Keithley拥有一系列适用于各种探针台的4210-MMPC多测量电缆套件，可实现各种机械手的通用连接。

图8. 连接两个探针共地区域的接地跳线

一般来说，正确的接线对于成功进行电容测量至关重要。以下是一些潜在的接线问题：

不同CVU端子上的长度不匹配

电缆阻抗不恰当（不使用红色SMA电缆）

所有电缆的屏蔽连接未连接或未连接得足够靠近DUT

弯曲、压接或扁平的电缆

SMA电缆连接器接触不良

未在Clarius软件的 “配置” 视图中选择正确的电缆长度

屏蔽托盘

屏蔽可以减少并联阻抗或杂散电容对电容测量精度的影响。在晶圆顶部的两个端子之间进行C-V测量时，可能需要屏蔽托盘以减少DUT端子和托盘之间的并联电容。在图9中，通过将屏蔽罩 ( 同轴电缆的屏蔽层 ) 连接到托盘来减小杂散电容。对于使用晶圆背面作为触点的器件 ( 例如MOSCAP) 上的C-V测量，托盘不能连接到防护装置。

图9. 将CVU屏蔽罩连接到托盘

屏蔽器件端子

在具有三个或更多端子的设备上，要测量两个端子之间的电容，必须保护第三个端子，以防止不需要的电容影响测量精度。这最好通过一个示例来说明。如图10所示，连接CVU以测量BJT的基极和发射极 (CBE)之间的电容。

图10. 测量基极 - 发射极电容 (CBE)

但是，其他端子 (CBC) 和 (CCE)）之间的串联电容组合与 (CBE) 并联，并产生可能导致错误读数的交流泄漏路径。来自其他端子的并联电容将影响测量，如下：

为了防止杂散电容影响测量精度，通过将集电极连接到同轴电缆的外部屏蔽层 (VAC为0VAC) 来保护集电极。如图11所示。该交流保护器将漏电容电流从交流电流测量端子 (LCUR) 路由出去，因此仅测量由 (CBE)引起的交流电流。

图11. BJT有保护的C-V测量

使用4200A-CVIV多路开关保护器件端子

使用可选的4200A-CVIV多路开关可以自动进行C-V测量，如图12所示。CVIV使用户能够在器件的I-V(SMU)和C-V (CVU)测量之间自动切换，并将C-V屏蔽连接到被测器件上的任何端子。

图12. 4200A-CVIV多路开关

图13显示了CVU的CV HI、CV LO和CV Guard端子，通过4200A-CVIV的输出连接BJT的三个端子。在本例中，CV Guard通过4200A-CVIV的通道3切换到BJT的集电极端子，以便可以在CVHI和CVLO之间测量基极 - 发射极电容。

图13. 4200A-CVIV连接BJT

Clarius软件允许用户自动更改4200A-CVIV的输出，以便保护设备的任何端子。图14显示了Clarius中的CVIV多路开关通道配置设置。

图14. BJT基极 - 发射极电容测量的CVIV设置

AC电流表连接

默认情况下，CVU的LCUR端子是AC电流表连接，HCUR端子是AC源电压端子 ( 如图2所示 )。但是，用户可以在Clarius软件的端口高级设置窗口中选择更改器件端口的功能，如图15所示。无需手动更换电缆、抬起探针或物理更改测试设置，只需更改软件中的端子设置即可轻松消除潜在的测量问题。

图15. 端口的高级设置

此功能允许在噪声最小的端子上测量交流电流，这将提供更有用的测量，也可以更改施加直流电压的端子。直流电压可以组合在与交流电流表相同的端子上，非常适合连接到MOS电容器的栅极。

为避免嘈杂的测量和杂散电容，请始终将交流电流表端子连接到对地电容最小的器件端子。在图16所示的示例中，LCUR( 交流电流表 ) 连接到引脚1，因为它的公共端寄生电容比引脚2小。在许多情况下，用户不知道哪个引脚的对地电容最小，但在高级端子设置选项卡中反转HCUR和LCUR引线，看看是否会产生更好的结果，很容易检查。

图16. CVU 测量，寄生电容到公共端

连接补偿

CVU设计通过互连电缆和适配器连接到探针台或测试夹具，并且可以通过4200A-CVIV多开关或开关矩阵路由到DUT。这种接线和开关矩阵将为测量增加寄生电感和杂散电容。为了纠正由这些连接引起的偏移误差，Clarius软件具有寄生电容补偿的工具。补偿由两部分组成：

1. 获取开路和短路修正的CVU补偿数据。在Clarius中执行校正，请选择工具 (Tools)，然后选择CVU连接补偿（CVU Connection Compensation）。选择Measure open（测量开路）或measure Short（测量短路）。采集补偿数据时，将在所有测试频率下获取。

2. 在CVU测试的Terminal Settings（端口设置）窗格中启用更正。

开路校准

开路校准是一种用于测量小电容或高阻抗的偏移校正。在校正过程中，探针必须向上或从测试夹具上移除设备。在开路校正时，电缆的外屏蔽层必须绑在一起，如图17所示。

图17. CVU的开路连接补偿连接

图18中MOSFET的C-V曲线显示了开路补偿的示例。这些图表显示了栅极和漏极/源极之间的C-V扫描，这些扫描是在有和没有开路补偿的情况下产生的。紫色曲线是无补偿的，蓝色曲线是有补偿的曲线。两条曲线之间的差异约为0.23pF。

图18. 在启用和不启用开路补偿的MOSFET上进行C-V测量

短路补偿

短路补偿是针对大电容、低阻抗和电感测量的偏移校正。短路补偿消除了由串联电阻和寄生电感引起的偏移影响。在所有输出端子之间连接短路，保持屏蔽层连接在一起。使用BNC或SMA套管将电缆连接在一起，或在金属触点上将探头短接在一起。

时间设置

要成功进行C-V测量，在Clarius软件中选择合适的时间参数非常重要。调整时间参数能防止噪声，允许在平衡状态下获取读数。在Configure视图的CVU高级测试设置窗口中进行时间调整，如图19所示。以下调整可以允许进行慢速或稳定的读数：

图19. CVU高级测试设置”窗口

慢速读数

使用速度模式设置调整测量窗口。测量时间或窗口越长，测量的噪声就越小。首先，尝试使用Quiet speed模式。如有必要，使用Custom speed（自定义速度），使用户能够设置测量窗口的时间。测量窗口的时间可以计算如下：

测量窗口 =（A/D采集时间）*（滤波器系数或滤波器计数）

进行非常灵敏的电容测量的更多信息，请参阅Keithley Instruments应用文档《使用4215-CVU测试飞法 (1e-15f) 电容》

读取数据

扫描延迟时间允许设备在进行测量之前充电至平衡。

在扫描开始时施加指定保持时间的偏置电压，以允许设备在扫描开始之前充电至扫描的第一个步长电压。

平衡条件

器件在施加步进电压后内部电容充满电时的状态称为“平衡” 状态。如果在设备处于平衡状态之前进行 C-V测量，则可能会出现不准确的结果。有两种方法可以验证器件是否处于平衡状态：

1. 从任一方向扫描时，请检查C-V曲线的形状。例如，MOSCAP的C-V曲线从累积到平带层或从平带层到累积看起来应该相同。有关测试 MOSCAP的更多信息，请参阅 Keithley应用文档《使用4200A-SCS 参数分析仪对MOS电容器进行C-V表征》。

2. 在Sampling模式下设置测试，以施加电压偏置并绘制器件电容与时间的关系图。从图表中观察设备充电所需的时间。例如，图20中的图表显示了在BJT的发射极和基极之间测量的电容与时间的关系曲线。施加的电压为0.5VDC。从图中可以看出，平衡时间约为13秒。因为这个器件的平衡时间很长，所以它可能是一个坏器件。这是用于确定平衡时间的过程。

图20. 平衡时间测量示例

耗散因子和选择正确的测量模型

确定电容测量置信度的一种方法是检查耗散因子 (D)，它被定义为简单并联电容模型的电抗和电阻之比。以下是并联和串联模型的方程：

其中：

RP：测试设备的并联电阻，单位为Ω

CP：测试设备的并联电容，单位为F

f = 测试频率，单位为Hz

RS= 测试器件的串联电阻，单位为Ω

CS= 测试设备的串联电容，单位为F

并联电容(CP)和串联电容(CS)由以下公式确定：

使用CVU，可以通过在高级测试设置窗口中选择 (CP-D)测量参数来测量损耗因子，如图21所示。

图21. 选择CP-D测量参数

理想情况下，CP和CS应相等。如果D=0，即使D很小 (<0.1)，CP和CS之间实际上没有区别。但是，如果D 很大 (>0.1)，那么有必要确定正确的模型或对测量进行故障排除。

如果(CP)和(CS)不相等且D很大，则可以确定哪个模型（串联或并联）是正确的。分别测量 (CP) 和 (CS) 作为电压或频率的函数。如果 (CP) 或 (CS) 的C-V或C-f曲线中的任何一个是平坦的，那么这是要使用的正确模型（串联或并联）。如果没有任何曲线是平坦的，那么有必要对测量进行故障排除以找出问题的根源。问题可能是设备泄漏、连接问题（接线）或设备问题，例如焊盘之间的交流泄漏（可能需要使用交流防护）。

故障排除

在对电容测量进行故障排除时，CVU具有可提供帮助的内置工具。如前所述，除了使用电缆补偿、调整AC电流表连接和设置适当的时间参数外，还可以使用Clarius中的其他工具，例如置信度检查、实时测量、状态代码和状态指示器。

置信度检查

Confidence Check是一种诊断工具，允许检查开路和短路连接的完整性。如果通过开关进行测量，这一点尤其重要。要启用Confidence Check，请选择Clarius屏幕顶部的Tools。

要验证开路，请抬起探头或从测试夹具中取出设备。选择Check Open。按照说明操作，然后选择 “确定”。开路的检查完成后，对话框将显示测试结果为fail或pass。选择Check Short后，可以重复此过程以测试Short。如果任一测试失败，则结果将包含故障排除建议。在图22所示的示例中，Open测试通过，Short测试失败。

图22. CVU置信度检查开路界面和短路界面

实时测量

Tools（工具）菜单中的CVU Real-Time Measurement Mode（实时测量模式）为 CVU 提供了一个直接、实时的用户界面，以帮助进行系统设置和调试。Real-Time Measurement窗口如图23所示。例如，它可用于确认CVU已接触晶圆上的引脚。请按照以下步骤生成实时测量结果：

转到Tools菜单

选择CVU实时测量

设置所需的参数设置

选择Run

选择停止以退出读取