分析系統(tǒng)優(yōu)化小電流測量
摘要： 許多關(guān)鍵應用都需要能夠測量小電流的能力——比如pA級或更小。這些應用包括確定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。
Abstract：
Key words :
</a>小電流" title="小電流">小電流" title="小電流">小電流的能力——比如pA級或更小。這些應用包括確定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型半導體特性分析系統(tǒng)配備可選的4200-PA型遠程前置放大器時，可提供非常卓越的小電流測量能力，分辨率達1E–16A。成功測量小電流不僅依賴于使用非常靈敏的安培計，例如4200-SCS型，而且還取決于系統(tǒng)的交互測試環(huán)境(KITE)軟件進行正確設置、使用低噪聲夾具和電纜連接、留有足夠的建立時間，以及采用能夠防止不希望的電流降低測量準確度的技術(shù)。本文介紹利用吉時利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)配置為進行超低電流測量的前幾步之中有一步是確定整個測量系統(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。這可確定整個系統(tǒng)的噪底限值，并設置一個開始點，如果可能的話則進行改進。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遠程前置放大器的4200-SMU利用KITE軟件進行測量。
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，當其輸入端子保持開路時，其讀數(shù)應為零。然而，現(xiàn)實中的安培計在輸入開路時確實存在小電流。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利4200-SCS型的技術(shù)指標中。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電流之和。
圖1. SMU的輸入偏移電流
測量每個帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時，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。在進行所有測量之前，SMU應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，預熱至少1個小時。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”的項目測量偏移電流：C:S4200kiuserProjectsLowCurrent
打開該項目，選擇SMU1offset ITM。點擊圖表標簽，并運行測試。結(jié)果應類似于圖2所示的圖形?？赡苄枰米詣涌s放(Auto Scale)功能適當縮放曲線。在圖形上右擊，即可找到自動縮放功能。4200-PA前置放大器連接至SMU時，偏移電流應該在fA級。電流偏移可為正或負。根據(jù)公布的4200-SCS型的安培計技術(shù)指標驗證這些結(jié)果。
利用獨立ITM對系統(tǒng)中的每個SMU重復該項測試。LowCurrent項目具有可對帶有前置放大器的4個SMU進行偏移電流測量的ITM。
運行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進行測量：
在已創(chuàng)建的項目中，打開一個用于一般2端器件的新Device Plan(器件規(guī)劃)。
創(chuàng)建一個名稱為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
在Definition標簽頁中進行如下設置：
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個樣本，1s保持時間，選中使能時標。
公式計算器：創(chuàng)建一個公式，利用標準差測量噪聲，NOISE=STDDEV(A1)。
再創(chuàng)建一個公式測量平均偏移電流：AVGCURRENT=AVG(A1)。
在Graph標簽頁中進行如下設置(在圖形上右擊)：
定義圖形：X軸：時間
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，保存測試并運行。結(jié)果應類似于圖2所示的圖形。對系統(tǒng)中的全部SMU重復該測試。
在KITE中執(zhí)行自動校準程序，可優(yōu)化輸入偏移電流技術(shù)指標。如需執(zhí)行SMU自動校準，在KITE的工具菜單中點擊“SMU Auto Calibration”(SMU自動校準)。進行自動校準之前，使系統(tǒng)在上電后預熱至少60分鐘。除金屬帽之外，SMU的Force HI和Sense HI端子上不應連接任何東西。自動校準程序?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)校準混淆，后者應每年在吉時利工廠進行一次。
完成SMU自動校準后，即可重復進行偏移電流測量。
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，通過重復電流(0V)和時間圖，驗證系統(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行測量。該過程將有助于確定任何故障點，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在電路中產(chǎn)生電流。為了進行超低電流測量，可能有必要在改變測試電路的連接后等待幾分鐘至幾個小時，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)通過吉時利7174A型小電流開關(guān)矩陣至探針臺，“up”位置有一個探針。
圖3. Append按鈕
圖4. 整個測試系統(tǒng)的偏移電流測量
在生成電流-時間圖形時施加一個測試電壓，重復該項測試，確定測量電路中的漏泄電流。在DUT的實際測量中，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”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確度。這些誤差源包括建立時間不足、靜電干擾、漏泄電流、摩擦效應、壓電效應、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
建立時間和定時菜單設置
測量電路的建立時間在測量小電流和高電阻時尤其重要。建立時間是指施加或改變電流或電壓后測量達到穩(wěn)定的時間。影響測量電路建立時間的因素包括并聯(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，建立時間越長。圖6的測量電路中標出了并聯(lián)電容和源電阻。
圖6. 包含CSHUNT和RS的SMU測量電路
建立時間是RC時間常數(shù)τ的結(jié)果，其中：
τ = RSCSHUNT
以下為計算建立時間的一個例子，假設 CSHUNT = 10pF，RS = 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。經(jīng)過一個時間常數(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
為了成功測量小電流，重要的是每次測量留有足夠的時間，尤其是掃描電壓時。對于掃描模式，可在“ Sweep Delay”(掃描延遲)域的“Timing”(定時)菜單中添加建立時間；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間，通過繪制電流-時間圖，測量DUT穩(wěn)定至某個階躍電壓的建立時間。階躍電壓應該是DUT實際測量中使用的偏執(zhí)電壓?？衫肔owCurrent項目中的ITM測量建立時間。應適當增加“Timing”(定時)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，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
當帶電物體接近被測電路時，會發(fā)生靜電耦合或干擾。低阻抗時，由于電荷消失很快，所以干擾的影響不明顯。然而，高電阻材料不會使電荷快速衰減，則會造成測量不穩(wěn)定、噪聲很大。通常情況下，當被測電流≤1nA或者被測電阻≥1GΩ時，靜電干擾就會成為問題。
為了減小靜電場影響，被測電路可被密封在一個靜電屏內(nèi)。圖8所示為非屏蔽和屏蔽測量一個100GΩ電阻之間的巨大差異。非屏蔽測量比屏蔽測量時的噪聲要大得多。
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)探針臺往往將敏感電路密封在一個靜電屏蔽內(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)和導體遠離電路的敏感區(qū)域。
測試區(qū)域附近避免移動和振動。
VI漏流和保護I
漏流是施加電壓時通過(泄露)電阻的誤差電流。當DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當時，該誤差電流就會成為問題。為減小漏流，在測試電流中采用高質(zhì)量的絕緣體、降低測試實驗室的濕度，并采用保護。
保護是由一個低阻源驅(qū)動的導體，其輸出為或接近高阻端子的電勢。保護端子用于保護測試夾具和電纜絕緣電阻和電容。保護是三軸連接器/電纜的芯屏蔽，如圖10所示。
圖10. 4200三軸連接器/電纜的導體
請勿混淆保護和屏蔽。屏蔽通常意味著采用金屬護欄防止靜電干擾影響高阻電路。保護則意味著使用增加的低阻導體，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。保護不一定提供屏蔽。下圖
為保護的兩個例子：1)利用保護降低測試夾具導致的漏流，而2)則利用保護降低由于電纜連接產(chǎn)生的漏流。
圖11所示為保護消除可能會通過測試夾具內(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安培計測得(IM)，對小電流測量的準確度造成不利影響。
圖11. 利用保護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有漏流影響測量準確度。由于金屬安裝板將處于保護電勢，所以為安全起見，金屬屏蔽必須連接至地。
4200-SCS型半導體特性分析系統(tǒng)配備可選的4200-PA型遠程前置放大器時，可提供非常卓越的小電流測量能力，分辨率達1E–16A。成功測量小電流不僅依賴于使用非常靈敏的安培計，例如4200-SCS型，而且還取決于系統(tǒng)的交互測試環(huán)境(KITE)軟件進行正確設置、使用低噪聲夾具和電纜連接、留有足夠的建立時間，以及采用能夠防止不希望的電流降低測量準確度的技術(shù)。本文介紹利用吉時利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)配置為進行超低電流測量的前幾步之中有一步是確定整個測量系統(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。這可確定整個系統(tǒng)的噪底限值，并設置一個開始點，如果可能的話則進行改進。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遠程前置放大器的4200-SMU利用KITE軟件進行測量。
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，當其輸入端子保持開路時，其讀數(shù)應為零。然而，現(xiàn)實中的安培計在輸入開路時確實存在小電流。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利4200-SCS型的技術(shù)指標中。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電流之和。
圖1. SMU的輸入偏移電流
測量每個帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時，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。在進行所有測量之前，SMU應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，預熱至少1個小時。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”的項目測量偏移電流：C:S4200kiuserProjectsLowCurrent
打開該項目，選擇SMU1offset ITM。點擊圖表標簽，并運行測試。結(jié)果應類似于圖2所示的圖形?？赡苄枰米詣涌s放(Auto Scale)功能適當縮放曲線。在圖形上右擊，即可找到自動縮放功能。4200-PA前置放大器連接至SMU時，偏移電流應該在fA級。電流偏移可為正或負。根據(jù)公布的4200-SCS型的安培計技術(shù)指標驗證這些結(jié)果。
利用獨立ITM對系統(tǒng)中的每個SMU重復該項測試。LowCurrent項目具有可對帶有前置放大器的4個SMU進行偏移電流測量的ITM。
運行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進行測量：
在已創(chuàng)建的項目中，打開一個用于一般2端器件的新Device Plan(器件規(guī)劃)。
創(chuàng)建一個名稱為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
在Definition標簽頁中進行如下設置：
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個樣本，1s保持時間，選中使能時標。
公式計算器：創(chuàng)建一個公式，利用標準差測量噪聲，NOISE=STDDEV(A1)。
再創(chuàng)建一個公式測量平均偏移電流：AVGCURRENT=AVG(A1)。
在Graph標簽頁中進行如下設置(在圖形上右擊)：
定義圖形：X軸：時間
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，保存測試并運行。結(jié)果應類似于圖2所示的圖形。對系統(tǒng)中的全部SMU重復該測試。
在KITE中執(zhí)行自動校準程序，可優(yōu)化輸入偏移電流技術(shù)指標。如需執(zhí)行SMU自動校準，在KITE的工具菜單中點擊“SMU Auto Calibration”(SMU自動校準)。進行自動校準之前，使系統(tǒng)在上電后預熱至少60分鐘。除金屬帽之外，SMU的Force HI和Sense HI端子上不應連接任何東西。自動校準程序?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)校準混淆，后者應每年在吉時利工廠進行一次。
完成SMU自動校準后，即可重復進行偏移電流測量。
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，通過重復電流(0V)和時間圖，驗證系統(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行測量。該過程將有助于確定任何故障點，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在電路中產(chǎn)生電流。為了進行超低電流測量，可能有必要在改變測試電路的連接后等待幾分鐘至幾個小時，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)通過吉時利7174A型小電流開關(guān)矩陣至探針臺，“up”位置有一個探針。
圖3. Append按鈕
圖4. 整個測試系統(tǒng)的偏移電流測量
在生成電流-時間圖形時施加一個測試電壓，重復該項測試，確定測量電路中的漏泄電流。在DUT的實際測量中，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”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確度。這些誤差源包括建立時間不足、靜電干擾、漏泄電流、摩擦效應、壓電效應、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
建立時間和定時菜單設置
測量電路的建立時間在測量小電流和高電阻時尤其重要。建立時間是指施加或改變電流或電壓后測量達到穩(wěn)定的時間。影響測量電路建立時間的因素包括并聯(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，建立時間越長。圖6的測量電路中標出了并聯(lián)電容和源電阻。
圖6. 包含CSHUNT和RS的SMU測量電路
建立時間是RC時間常數(shù)τ的結(jié)果，其中：
τ = RSCSHUNT
以下為計算建立時間的一個例子，假設 CSHUNT = 10pF，RS = 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。經(jīng)過一個時間常數(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
為了成功測量小電流，重要的是每次測量留有足夠的時間，尤其是掃描電壓時。對于掃描模式，可在“ Sweep Delay”(掃描延遲)域的“Timing”(定時)菜單中添加建立時間；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間，通過繪制電流-時間圖，測量DUT穩(wěn)定至某個階躍電壓的建立時間。階躍電壓應該是DUT實際測量中使用的偏執(zhí)電壓?？衫肔owCurrent項目中的ITM測量建立時間。應適當增加“Timing”(定時)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，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
當帶電物體接近被測電路時，會發(fā)生靜電耦合或干擾。低阻抗時，由于電荷消失很快，所以干擾的影響不明顯。然而，高電阻材料不會使電荷快速衰減，則會造成測量不穩(wěn)定、噪聲很大。通常情況下，當被測電流≤1nA或者被測電阻≥1GΩ時，靜電干擾就會成為問題。
為了減小靜電場影響，被測電路可被密封在一個靜電屏內(nèi)。圖8所示為非屏蔽和屏蔽測量一個100GΩ電阻之間的巨大差異。非屏蔽測量比屏蔽測量時的噪聲要大得多。
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)探針臺往往將敏感電路密封在一個靜電屏蔽內(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)和導體遠離電路的敏感區(qū)域。
測試區(qū)域附近避免移動和振動。
VI漏流和保護I
漏流是施加電壓時通過(泄露)電阻的誤差電流。當DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當時，該誤差電流就會成為問題。為減小漏流，在測試電流中采用高質(zhì)量的絕緣體、降低測試實驗室的濕度，并采用保護。
保護是由一個低阻源驅(qū)動的導體，其輸出為或接近高阻端子的電勢。保護端子用于保護測試夾具和電纜絕緣電阻和電容。保護是三軸連接器/電纜的芯屏蔽，如圖10所示。
圖10. 4200三軸連接器/電纜的導體
請勿混淆保護和屏蔽。屏蔽通常意味著采用金屬護欄防止靜電干擾影響高阻電路。保護則意味著使用增加的低阻導體，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。保護不一定提供屏蔽。下圖
為保護的兩個例子：1)利用保護降低測試夾具導致的漏流，而2)則利用保護降低由于電纜連接產(chǎn)生的漏流。
圖11所示為保護消除可能會通過測試夾具內(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安培計測得(IM)，對小電流測量的準確度造成不利影響。
圖11. 利用保護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有漏流影響測量準確度。由于金屬安裝板將處于保護電勢，所以為安全起見，金屬屏蔽必須連接至地。
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。