電容電壓測量技術、技巧與陷阱

在“半導體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構的各種半導體參數，適用范圍包括MOSCAP、MOSFET、雙極結型晶體管和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*測新材料、工藝、器件和電路。負責產品和良率增強的工程技術人員利用它們優(yōu)化工藝和器件性能?？煽啃怨こ處熇眠@類測量技術對供貨商的材料進行資格檢驗，監(jiān)測工藝參數，分析失效機理。毋庸置疑，它們是半導體特征分析與測試的基礎。

本文討論如何針對特定的應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提取限制、連接探針臺以及校正探針尖的技巧。半導體C-V測試目前可以采用三種不同的電容測量技術：常用的交流阻抗電容計、準靜態(tài)電容測量以及射頻技術(采用矢量網絡分析儀和射頻探測器)。下面簡要介紹每一種電容測量技術。

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。

圖1：交流阻抗表。

圖2：基本的交流阻抗參數。

Z、θ ——阻抗與相位角

R+jX ——電阻與電抗

Cp-Gp ——并聯電容和電導=相位角

Cs-Rs ——串聯電容和電阻

Cp-D ——并聯電容和耗散因子

Cs-D ——串聯電容和耗散因子

為要得到基本交流阻抗參數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，在極坐標方式下，這一阻抗就是相角為θ的Z。還可以從數學上將其轉化為直角坐標的形式，即表示為R+jX，其中R是實數部分，即同相阻抗矢量；jX是虛數部分，即相位阻抗矢量偏轉90°，它也是電容矢量。我們甚至可以從數學上將極坐標和直角坐標形式轉化為實際的電容和電阻值。

有兩種常用的交流阻抗模型：并聯模型和串聯模型。在并聯模型中，結果表示為并聯電容(Cp)和并聯電導(Gp)。在串聯模型中，結果表示為串聯電容(Cs)和串聯電阻(Rs)。耗散因子(D)，即實阻抗與虛阻抗的比值，是從數學上推導出的另外一個常用參數。當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測量質量的最佳指標。無論采用哪種交流阻抗模型，耗散因子都很容易計算出來。

基于數字源表的準靜態(tài)電容測量

在準靜態(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還負責測量該節(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。

利用射頻技術測量電容

傳輸線的電容測量通常采用射頻技術，其中利用矢量網絡分析儀測量散射參數(S參數)，即入射波的反射和傳輸系數。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這類測量技術的相關參考資料[1][2][3]。

C-V測量方法與應用的匹配

交流阻抗技術是最常用的電容測量技術，最適合于一般的低功率門電路，也適用于大多數測試結構和大多數探針，其優(yōu)勢在于所需的設備相對便宜，大多數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，否則必須內插一些測量結果。

圖3：準靜態(tài)C-V“斜率”測量方法。

盡管準靜態(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、有機器件或顯示器領域。不幸的是，在準靜態(tài)C-V測量中，測量誤差很容易破壞測量結果，尤其對于具有少量漏流器件的特征分析是不準確的。

射頻C-V測量是超薄柵、漏電電介質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。射頻方法的不足之處在于它需要非常昂貴的設備、測試結構和射頻探針。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，這種方法就不準確了。對于某些應用和用戶而言，射頻測量的配置和分析過程可能太復雜，在這些情況下，經典的交流阻抗測量方法可能更適合。

C-V參數提取的局限性

在探討C-V測試系統的配置方法之前，了解半導體C-V測量技術的局限性很重要。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：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(取決于器件結構)?，F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。

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

FET和BJT建模參數：除了測量器件和材料特性之外，C-V測試還可進行直接測量用于構建FET和BJT晶體管中的參數。

特別要注意很多因素都會影響這些參數提取范圍，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在的C-V測量技術很好地匹配[4][5][6]。

連接與校正

盡管很多C-V測量技術本身相對簡單，但是以一種能夠確保測量質量的方式實現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械手和探針卡多種多樣，當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。當進行I-V、C-V或超快I-V測量時，測量結果的質量與線纜的品質和所采用的探針臺配置直接相關。

直流I-V測量最好采用低噪聲同軸線纜和遠程探測線。C-V測量需要使用具有遠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”結構的探針以及校準基座。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測量的驅動保護，或者通過跳接實現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與這類探針的高品質連接：SSMC到三軸線纜連接適用于直流I-V測量和一般性應用(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