C-V测量_在线百科全书查询
C-V测量
一、定义概述
C-V测量是半导体特征分析与测试的基础。
电容-电压测试长期以来被用于判断多种不同器件和结构的各种半导体参数，范围从MOSCAP、MOSFET、双极结型晶体管[1]和JFET到III-V族化合物器件、光伏（太阳能）电池[2]、MEMS器件、有机薄膜晶体管（TFT）显示器、光电二极管和碳纳米管[3]。研发实验室广泛利用C-V测量技术评测新材料、工艺、器件和电路。负责产品和良率增强的工程技术人员利用它们优化工艺和器件性能；可靠性工程师利用这类测量技术对供货商的材料进行资格检验，监测工艺参数，分析失效机理。
二、三种测量技术
半导体C-V测试目前可以采用三种不同的电容测量技术：常用的交流阻抗电容计、准静态电容测量以及射频技术（采用矢量网络分析仪和射频探测器）。接下来我们简要介绍一下每种技术。
1、交流阻抗电容计及参数的测量方法
交流阻抗表[4]，也称为LCR表[5]（电感[L]、电容[C]、电阻[R]），利用一个自动平衡电桥保持电容的检测端交流假接地，从而测量复阻抗。这类电表通常的频率范围为1kHz到10MHz。
交流电源、交流伏特计、交流安培计
图1.交流阻抗表
这类电表（如图1所示）工作原理相对简单。它通过在高电流输出端（HCUR）施加一个交流电压来测量交流阻抗[6]。通过低电流端（LCUR）测量流过器件的电流，通过高低电位端（HPOT和LPOT）测量器件上的电压降。电压和电流的测量采用了能够精确判断二者之间相位角的锁相方式[7]。通过测量幅值和相位角，就可以计算出任意所需的交流阻抗参数。
Z、θ ——阻抗与相位角
R+jX ——电阻与电抗
Cp-Gp ——并联电容和电导
Cs-Rs ——串联电容和电阻
Cp-D ——并联电容和耗散因子
Cs-D ——串联电容和耗散因子
R+jX ——电阻与电抗
Cp-Gp ——并联电容和电导
Cs-Rs ——串联电容和电阻
Cp-D ——并联电容和耗散因子
Cs-D ——串联电容和耗散因子
图2. 基本的交流阻抗参数
要得到基本交流阻抗参数就必须测量阻抗的幅值，在图2中表示为“Z”。还需要测量电流和电压之间的相位角，表示为θ。因此，在极坐标方式下，这一阻抗就是相角为θ的Z。但我们还可以从数学上将其转化为直角坐标的形式，即表示为R+jX。其中R是实数部分，即同相阻抗矢量，jX是虚数部分，即相位阻抗矢量偏转90，它也是电容矢量。我们甚至可以从数学上将极坐标和直角坐标形式转化为实际的电容和电阻值。
有两种常用的交流阻抗模型：并联模型和串联模型。在并联模型中，结果表示为并联电容（Cp）和并联电导（Gp）。在串联模型中，结果表示为串联电容（Cs）和串联电阻（Rs）。耗散因子（D），即实阻抗与虚阻抗的比值，是从数学上推导出的另外一个常用参数。当测量晶圆上的电容时，我们通常要看耗散因子，因为它是判断最终C-V测量质量的最佳指标。无论采用哪种交流阻抗模型，耗散因子都很容易计算出来。
2、基于数字源表的准静态电容测量
在准静态电容测量[8]中，我们通过测量电流和电荷来计算电容值。这种“斜率”方法使用简单，但是它的频率范围有限（1 ～10Hz），因而只能用于一些特殊情况下。
图3. 准静态C-V“斜率”测量方法
斜率测量方法只需要使用两台数字源表（SMU）[9]。通过第一台SMU将一个恒定电流加载到待测器件（DUT）的一个节点上。这台SMU还负责测量该节点上的电压和时间。同时，第二台SMU测量DUT另一个节点输出的电流。然后可以利用下列公式计算出电容：
I = C dV/dt or C = I / (dV/dt)
这种方法通常可用于测量大小为100～400pF斜率为0.1～1V/S的电容。
3、利用射频技术[10]测量电容
传输线的电容测量通常采用射频技术。其中利用矢量网络分析仪测量散射参数（S参数），即入射波的反射和传输系数。
三、方法与应用的匹配
交流阻抗技术是最常用的电容测量技术[11]。它最适合于一般的低功率门电路，也适用于大多数测试结构和大多数探针。其优势在于所需的设备相对便宜，大多数电子实验室都可以直接找到。但是，它也有一些缺点，例如它的校正方法不如射频测量中使用的校正方法那样精确。另外一个明显的缺点是要求交流阻抗的测试频率必须接近DUT的工作频率，否则必须内插一些测量结果。
尽管准静态C-V是最所有测量方法中最廉价的，其中只需要使用一对SMU，但是它适用的技术范围是有限的，例如低漏流[12]高k材料、有机器件或显示器领域。不幸的是，在准静态C-V测量中，测量误差[13]很容易破坏测量结果，尤其对于具有少量漏流器件的特征分析是不准确的。
射频C-V测量是超薄栅、漏电电介质特征分析的最佳选择。它还适用于射频器件的建模。射频探针[14]的矫正方法很容易理解和实现。射频方法的不足之处在于它需要非常昂贵的设备、测试结构和射频探针；此外，它只适用于特征阻抗为50欧姆左右的传输线。如果器件阻抗并不是十分接近50欧姆，这种方法就不准确了。对于某些应用和用户而言，射频测量的配置和分析过程可能太复杂了；在这些情况下，经典的交流阻抗测量方法可能更适合。
四、参数提取的局限性
在探讨C-V测试系统的配置方法之前，了解半导体C-V测量技术[15]的局限性是很重要的：
电容：从<10fF到1微法
电阻：从<0.1欧姆到100M欧姆
小电感：从<1nH到10mH
栅介质：可以提取的等价栅氧厚度范围从不到10纳米到几百纳米。可以检测出的电介质玷污浓度从每平方厘米5e9个离子到约1e13个离子，界面阱范围从约1e10/cm/ev到1e13/cm电荷左右（取决于器件结构）。现代仪器和探针台的超低电容测量功能能够测量更厚的叠层电介质。
MOS掺杂：可以提取MOSFET的掺杂分布情况，灵敏度范围从约1e14/cm 到1e18/cm，掺杂深度从0.01µm到10µm。少数载流子寿命从1µs到10ms。可从C-V测量中测得10µs的寿命时间。
PN和肖特基结掺杂：可在0.1µm 到100µm的深度范围内测出约1e 13/cm t到1e18/cm的二极管载流子浓度。
FET和BJT建模参数：除了测量器件和材料特性之外，C-V测试还可进行直接测量用于构建FET和BJT晶体管[16]中的参数。
重要的是要注意很多因素都会影响这些参数提取范围，例如最大电压值、器件尺寸和栅氧厚度。幸运的是，已有很多文献能够帮助广大研究人员和工程师判断所需的测量范围是否与现在的C-V测量技术所具有的功能很好的匹配。
五、常见C-V测量误差
偏移和增益误差（如图4所示）是C-V测量中最常见的误差。
X轴以对数标度的方式给出了电容的真实值，大小范围从皮法到纳法。Y轴表示系统实际测量的值，包含测量误差。如果测量系统是理想的，那么所测出的值将与真实值完全匹配，可以画成一条具有45度角的直线，如图4中黑色的线所示。实际上，增益和偏移误差（蓝线和红线）总是会出现，必须进行校正。
增益、额定值、偏移量
图4. 电容测量中的增益和偏移误差[20]
由于坐标轴是对数形式的，因此蓝线所示的偏移误差就表示小电容上的小误差以及大电容上的大误差。由于偏移误差变化这么大，校正这种误差必须注意两个方面。当测量很小的电容（<10pF），即大阻抗时，最好的校正方法是“开路校正”。当测量较大的电容（高达10nF），即小阻抗时，最好采用“短路校正”。
图4中还给出了增益误差，以红线所示。增益误差的变化取决于所测电容的大小，它们相比偏移误差更难以校正。“负载校正”是校正增益误差的一种方法，实际上不适用于一般的实验室应用。
CVU仪器[21] 、Z短路、Z开路、Z负载 、探针
图5.
开路、短路和负载校正实际上是在干什么？图8给出了一个交流阻抗测试[22]系统的简化模型，其中添加了集总元件表示开路、短路和负载误差项。测量系统的所有组成部分——所有线缆、所有探针和所有卡盘——已集总在一起，表示为Z开路（开路阻抗误差）、Z短路（短路电路阻抗误差）和Z负载（负载校正组件）。在这个测试系统上进行校正的第一步是在探针之间形成短路，通常做法是将两个探针头放在同一个接触pad上。然后用电容计测量电容值，并将其保存为剩余短路阻抗。第二步是抬起探针，使其保持在接近测量实际器件时应有的方向。然后电容计测量电容值，将其保存为剩余开路阻抗。如果需要，可以在探针之间加一个已知的阻抗负载，用电容计测量其值，将其保存为负载校正。
不同的线缆类型和线缆阻抗[23]也会带来问题。
六、技术连接与校正
直流I-V测量[25]最好采用低噪声同轴线缆和远程探测线。C-V测量需要使用具有远程探测线的同轴线缆，而且线缆长度要控制的非常精确。超快I-V测试需要50欧姆的同轴线缆，但是远程探测线却给超快I-V测试带来了阻抗失配的问题。射频C-V测量需要使用特殊的射频线缆和“地-信号-地”结构的探针以及校准基座。但不幸的是，这些接线方法与其它方法都不兼容。
图6. American Probe & Technologies的探头配置
通过吉时利[26]实验室中的实验，我们选择了American Probe & Technologies公司提供的探头配置（73系列或74系列）（如图6所示），它的优势在于大多数探针台供货商都有供货。这种特制的探头是同轴的，带有一个开氏连接。其主体和屏蔽层都是浮空的，因此可用作I-V测量的驱动保护，或者通过跳接实现C-V和超快I-V测量的短接地路径。这类探针上的接头称为SSMC。有三类线缆可用于实现与这类探针的高品质连接：SSMC到三轴线缆连接适用于直流I-V测量和一般性应用（直接或间接连接），SSMC到同轴线缆连接可用于C-V或超快I-V测试[27]（间接连接），而更特殊的SSMC到SMA线缆连接能够实现最佳的C-V测量性能，尤其是在较高频率下（直接连接）。图6给出了进行C-V测量的双探针配置方案；每个探针连接了一对同轴线缆，实现远程开氏检测连接。注意两个探头体之间的跳线很短。这种跳线确保了探针之间具有良好的接地连接，这对于高频测量是很重要的。
七、技术分享
C-V吉时利全新接线技术
图7. 跳接同轴线[28]屏蔽层示意图
好的C-V测量取决于接地跳线的质量。随着频率的提高，好的接地跳线变得愈发重要。探头体必须跳接在一起，因为同轴线缆的屏蔽层实际上是C-V测试系统测量通路的一部分。如果屏蔽层没有靠近连接在一起，就会形成一个很大的回路，从而在测量通路中直接产生较大的电感，给电容测量带来很大的误差。
当有人想要采用与C-V测量系统相同的探针和线缆系统配置进行直流I-V测量时，按这种方式（如图7所示）跳接探针体[29]的缺点就显而易见了。
图8. 新方法简化了I-V、C-V和超快I-V测试连接配置
吉时利研究出了一种新的接线技术（如图6所示）能够减少在I-V、C-V和超快I-V测试之间转换所需的重新连线时间。这种技术采用一种特殊的三轴线缆直接连接探头，但是内部屏蔽层保持浮空或者与C-V同轴屏蔽层绝缘。这实际上是将外部屏蔽层跳接在了一起，保持内部屏蔽层浮空为直流I-V的驱动保护。这种三轴接头实现了一种简便而直接的与直流I-V三轴输出端的连接方式。C-V输出从同轴转换为三轴，保护端仍然断开，从而同一条线缆很容易从直流I-V转换到C-V测试端。这种特制的三轴线缆具有100欧姆的匹配阻抗，因此同样的线缆可以采用T型连接方式连接在一起，直接与超快I-V测试仪器[30]连接。这种配置使得屏蔽层跳线始终保持连接，能够快速而简便地实现直流I-V、C-V和超快I-V测试之间的转换。
半导体C-V测量的精确性取决于高精度的测试仪器、精心设计的布线结构以及对这些底层测量原理的准确理解。在掌握这些方面之后，您就可以设计出能够满足测试应用需求的硬件和布线结构。
