分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量（上）

I分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量- 引言
    許多關(guān)鍵應(yīng)用都需要能夠測量小電流的能力——比如pA級或更小。這些應(yīng)用包括確定FET的柵極漏流、測試敏感的納米電子器件，以及測量絕緣體或電容的漏流。

    4200-SCS型半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)配備可選的4200-PA型遠(yuǎn)程前置放大器時(shí)，可提供非常卓越的小電流測量能力，分辨率達(dá)1E–16A。成功測量小電流不僅依賴于使用非常靈敏的安培計(jì)，例如4200-SCS型，而且還取決于系統(tǒng)的交互測試環(huán)境(KITE)軟件進(jìn)行正確設(shè)置、使用低噪聲夾具和電纜連接、留有足夠的建立時(shí)間，以及采用能夠防止不希望的電流降低測量準(zhǔn)確度的技術(shù)。本文介紹利用吉時(shí)利4200-SCS型優(yōu)化小電流測量的最佳解決方案。

    測量系統(tǒng)中的偏移電流
    將系統(tǒng)配置為進(jìn)行超低電流測量的前幾步之中有一步是確定整個(gè)測量系統(tǒng)的偏移和漏泄電流，包括4200-SCS本身、連接電纜、開關(guān)矩陣、測試夾具和探針。這可確定整個(gè)系統(tǒng)的噪底限值，并設(shè)置一個(gè)開始點(diǎn)，如果可能的話則進(jìn)行改進(jìn)。從測量源測量單元(SMU)的偏移開始，然后繼續(xù)增加測量電路組件，直到連接了除被測裝置(DUT)之外的全部組件。直接由帶有4200-PA遠(yuǎn)程前置放大器的4200-SMU利用KITE軟件進(jìn)行測量。

II分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量——內(nèi)部偏移
    對于理想的安培計(jì)，當(dāng)其輸入端子保持開路時(shí)，其讀數(shù)應(yīng)為零。然而，現(xiàn)實(shí)中的安培計(jì)在輸入開路時(shí)確實(shí)存在小電流。這一電流被稱為輸入偏移電流，是由于有源器件的偏置電流以及流過儀器中絕緣體的漏泄電流產(chǎn)生的。SMU內(nèi)產(chǎn)生的偏移電流已包括在吉時(shí)利4200-SCS型的技術(shù)指標(biāo)中。如圖1所示，輸入偏移電流增加至被測電流，所以儀表測量的是兩個(gè)電流之和。

 
圖1. SMU的輸入偏移電流

測量每個(gè)帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時(shí)，F(xiàn)orce HI和Sense HI端子上除金屬帽外不連接任何東西。這些三銷金屬帽已包含在系統(tǒng)中。在進(jìn)行所有測量之前，SMU應(yīng)該在帶有連接至前置放大器的Force HI和Sense HI端子的金屬帽的條件下，預(yù)熱至少1個(gè)小時(shí)。如果系統(tǒng)安裝有7.1版或更高版本的KTEI，可采用以下目錄中名稱為“LowCurrent”的項(xiàng)目測量偏移電流：C:S4200kiuserProjectsLowCurrent
打開該項(xiàng)目，選擇SMU1offset ITM。點(diǎn)擊圖表標(biāo)簽，并運(yùn)行測試。結(jié)果應(yīng)類似于圖2所示的圖形?？赡苄枰米詣?dòng)縮放(Auto Scale)功能適當(dāng)縮放曲線。在圖形上右擊，即可找到自動(dòng)縮放功能。4200-PA前置放大器連接至SMU時(shí)，偏移電流應(yīng)該在fA級。電流偏移可為正或負(fù)。根據(jù)公布的4200-SCS型的安培計(jì)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證這些結(jié)果。

    利用獨(dú)立ITM對系統(tǒng)中的每個(gè)SMU重復(fù)該項(xiàng)測試。LowCurrent項(xiàng)目具有可對帶有前置放大器的4個(gè)SMU進(jìn)行偏移電流測量的ITM。

    運(yùn)行7.1版本之前的KTEI軟件的系統(tǒng)也很容易測量偏移電流。請按照以下步驟創(chuàng)建測試，對SMU1進(jìn)行測量：

    1. 在已創(chuàng)建的項(xiàng)目中，打開一個(gè)用于一般2端器件的新Device Plan(器件規(guī)劃)。
創(chuàng)建一個(gè)名稱為SMU1Offset的新ITM。為端子A選擇SMU1，端子B選擇GNDU。

 
圖2. SMU1的偏移電流測量

1. 在Definition標(biāo)簽頁中進(jìn)行如下設(shè)置：
    SMU源測量配置：電壓偏置0V，10pA固定電流量程。
    Timing菜單：靜音速度，采樣模式，0s間隔，20個(gè)樣本，1s保持時(shí)間，選中使能時(shí)標(biāo)。
    公式計(jì)算器：創(chuàng)建一個(gè)公式，利用標(biāo)準(zhǔn)差測量噪聲，NOISE=STDDEV(A1)。
    再創(chuàng)建一個(gè)公式測量平均偏移電流：AVGCURRENT=AVG(A1)。

    2. 在Graph標(biāo)簽頁中進(jìn)行如下設(shè)置(在圖形上右擊)：
    定義圖形：X軸：時(shí)間 
    Y1軸：電流(A1)

    數(shù)據(jù)變量：選擇在圖形上顯示NOISE。選擇在圖形上顯示AVGCURRENT。

    完成配置后，保存測試并運(yùn)行。結(jié)果應(yīng)類似于圖2所示的圖形。對系統(tǒng)中的全部SMU重復(fù)該測試。

    在KITE中執(zhí)行自動(dòng)校準(zhǔn)程序，可優(yōu)化輸入偏移電流技術(shù)指標(biāo)。如需執(zhí)行SMU自動(dòng)校準(zhǔn)，在KITE的工具菜單中點(diǎn)擊“SMU Auto Calibration”(SMU自動(dòng)校準(zhǔn))。進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)之前，使系統(tǒng)在上電后預(yù)熱至少60分鐘。除金屬帽之外，SMU的Force HI和Sense HI端子上不應(yīng)連接任何東西。自動(dòng)校準(zhǔn)程序?qū)ο到y(tǒng)中全部SMU的全部源和測量功能調(diào)節(jié)電流和電壓偏移。請勿將其與全系統(tǒng)校準(zhǔn)混淆，后者應(yīng)每年在吉時(shí)利工廠進(jìn)行一次。

    完成SMU自動(dòng)校準(zhǔn)后，即可重復(fù)進(jìn)行偏移電流測量。

III分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量——外部偏移
    確定了安培計(jì)的偏移電流后，將系統(tǒng)的其余部分逐步添加至測試電路，通過重復(fù)電流(0V)和時(shí)間圖，驗(yàn)證系統(tǒng)其余部分的偏移(利用圖3中所示的“Append Run”按鈕)。最后，在“up”位置對探針末端或未連接器件的測試夾具進(jìn)行測量。該過程將有助于確定任何故障點(diǎn)，例如短路的電纜或測量電路中的不穩(wěn)定性。然而，要意識到，連接和斷開電纜都會(huì)在電路中產(chǎn)生電流。為了進(jìn)行超低電流測量，可能有必要在改變測試電路的連接后等待幾分鐘至幾個(gè)小時(shí)，使雜散電流衰減。圖4中的圖形顯示的是以下條件下的偏移：1)SMU的Force HI端子上戴有金屬帽；2)前置放大器上僅連接一根三軸電纜；3)通過吉時(shí)利7174A型小電流開關(guān)矩陣至探針臺(tái)，“up”位置有一個(gè)探針。

 
圖3. Append按鈕
 
圖4. 整個(gè)測試系統(tǒng)的偏移電流測量

在生成電流-時(shí)間圖形時(shí)施加一個(gè)測試電壓，重復(fù)該項(xiàng)測試，確定測量電路中的漏泄電流。在DUT的實(shí)際測量中，使用的是測試電壓，而非零偏壓?，F(xiàn)在，將測量并繪制測試夾具和電纜中的任何漏流。如果漏流太高，可對測量電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，減小漏流。關(guān)于減小漏流的方法信息，請參見本文“漏流和保護(hù)”部分。

IV測量誤差源及減小誤差的方法
    確定了電流偏移、漏流及所有不穩(wěn)定性后，采取措施減小測量誤差將有助于提高測量準(zhǔn)確度。這些誤差源包括建立時(shí)間不足、靜電干擾、漏泄電流、摩擦效應(yīng)、壓電效應(yīng)、污染、濕度、接地環(huán)路，以及源阻抗。圖5中匯總了本節(jié)討論的部分電流的幅值。

 
圖5. 產(chǎn)生電流的典型幅值

    建立時(shí)間和定時(shí)菜單設(shè)置
    測量電路的建立時(shí)間在測量小電流和高電阻時(shí)尤其重要。建立時(shí)間是指施加或改變電流或電壓后測量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。影響測量電路建立時(shí)間的因素包括并聯(lián)電容(CSHUNT)和源電阻(RS)。并聯(lián)電容是由于連接電纜、測試夾具、開關(guān)和探針造成的。DUT的源電阻越高，建立時(shí)間越長。圖6的測量電路中標(biāo)出了并聯(lián)電容和源電阻。

 
圖6. 包含CSHUNT和RS的SMU測量電路

建立時(shí)間是RC時(shí)間常數(shù)τ的結(jié)果，其中：
    τ = R_SCSHUNT
    以下為計(jì)算建立時(shí)間的一個(gè)例子，假設(shè) C_SHUNT = 10pF，R_S = 1TΩ，那么：
    τ = 10pF × 1TΩ = 10s
    因此，讀數(shù)穩(wěn)定至最終值的1%所需的建立時(shí)間為τ的5倍，也就是50秒。圖7所示為RC電路的階躍電壓指數(shù)響應(yīng)。經(jīng)過一個(gè)時(shí)間常數(shù)(τ = RC)后，電壓上升至最終值的63%。

 
圖7. RC電路的階躍電壓指數(shù)響應(yīng)

為了成功測量小電流，重要的是每次測量留有足夠的時(shí)間，尤其是掃描電壓時(shí)。對于掃描模式，可在“ Sweep Delay”(掃描延遲)域的“Timing”(定時(shí))菜單中添加建立時(shí)間；對于采樣模式，則在“Interval time”域內(nèi)。為了確定需要增加多長間隔時(shí)間，通過繪制電流-時(shí)間圖，測量DUT穩(wěn)定至某個(gè)階躍電壓的建立時(shí)間。階躍電壓應(yīng)該是DUT實(shí)際測量中使用的偏執(zhí)電壓?？衫肔owCurrent項(xiàng)目中的ITM測量建立時(shí)間。應(yīng)適當(dāng)增加“Timing”(定時(shí))菜單中的“#Samples”，以確保穩(wěn)定后的讀數(shù)顯示在圖形中。在測量小電流時(shí)，采用“Quiet Speed Mode”或在“Timing”菜單中增加額外濾波。請注意，這是噪聲和速度之間的平衡。濾波和延遲越大，噪聲越小，但是測量速度也越小。

V電磁干擾和屏蔽
    當(dāng)帶電物體接近被測電路時(shí)，會(huì)發(fā)生靜電耦合或干擾。低阻抗時(shí)，由于電荷消失很快，所以干擾的影響不明顯。然而，高電阻材料不會(huì)使電荷快速衰減，則會(huì)造成測量不穩(wěn)定、噪聲很大。通常情況下，當(dāng)被測電流≤1nA或者被測電阻≥1GΩ時(shí)，靜電干擾就會(huì)成為問題。

    為了減小靜電場影響，被測電路可被密封在一個(gè)靜電屏內(nèi)。圖8所示為非屏蔽和屏蔽測量一個(gè)100GΩ電阻之間的巨大差異。非屏蔽測量比屏蔽測量時(shí)的噪聲要大得多。

 
圖8. 100GΩ電阻的屏蔽和非屏蔽測量的比較

屏蔽可以僅僅是一個(gè)將測試電路包圍起來的簡單金屬盒或金屬網(wǎng)。商業(yè)探針臺(tái)往往將敏感電路密封在一個(gè)靜電屏蔽內(nèi)。屏蔽被連接至測量電路LO端子，該端子不一定接地。對于4200-SCS來說，屏蔽連接至Force LO端子，如圖9所示。

 
圖9. 屏蔽高阻器件

采取以下步驟將靜電耦合導(dǎo)致誤的差電流降至最?。?br />     • 屏蔽DUT，并將屏蔽層在電氣上連接至測試電路公共端——4200-SCS的Force LO端子。
    • 使所有帶電物體(包括人員)和導(dǎo)體遠(yuǎn)離電路的敏感區(qū)域。
    • 測試區(qū)域附近避免移動(dòng)和振動(dòng)。

VI漏流和保護(hù)I
    漏流是施加電壓時(shí)通過(泄露)電阻的誤差電流。當(dāng)DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當(dāng)時(shí)，該誤差電流就會(huì)成為問題。為減小漏流，在測試電流中采用高質(zhì)量的絕緣體、降低測試實(shí)驗(yàn)室的濕度，并采用保護(hù)。

    保護(hù)是由一個(gè)低阻源驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)體，其輸出為或接近高阻端子的電勢。保護(hù)端子用于保護(hù)測試夾具和電纜絕緣電阻和電容。保護(hù)是三軸連接器/電纜的芯屏蔽，如圖10所示。

 
圖10. 4200三軸連接器/電纜的導(dǎo)體

     請勿混淆保護(hù)和屏蔽。屏蔽通常意味著采用金屬護(hù)欄防止靜電干擾影響高阻電路。保護(hù)則意味著使用增加的低阻導(dǎo)體，將其維持在于高阻電路相同的電勢，它將攔截任何干擾電壓或電流。保護(hù)不一定提供屏蔽。下圖

    為保護(hù)的兩個(gè)例子：1)利用保護(hù)降低測試夾具導(dǎo)致的漏流，而2)則利用保護(hù)降低由于電纜連接產(chǎn)生的漏流。

    圖11所示為保護(hù)消除可能會(huì)通過測試夾具內(nèi)隔離絕緣體的原理。在圖11a中，漏流(IL)通過隔離絕緣體(RL)。該漏流增加至來自于DUT (IDUT)，然后被SMU安培計(jì)測得(IM)，對小電流測量的準(zhǔn)確度造成不利影響。

 
圖11. 利用保護(hù)減小測試夾具中的漏流

    在圖11b中，金屬安裝板被連接至SMU的保護(hù)端子。隔離絕緣體頂部和底部的電壓接近相同電勢(0V壓降)，所以在隔離絕緣體中就不會(huì)有漏流影響測量準(zhǔn)確度。由于金屬安裝板將處于保護(hù)電勢，所以為安全起見，金屬屏蔽必須連接至地。