2021年06月08日 | 完成精确的 IV 和 CV测试测量

参数表征既需要进行电流－电压（IV）测试，也需要进行电容－电压（CV）测试。那么如何 搭建精确的 IV 和 CV 测试测量系统呢？

目前开发的制程技术通常 需要通过单通道对晶圆上器件进行精确的 IV 和 CV 测试测量。Keysight B1500A 半导体器件分析仪在单台主机中使用一个新的单插槽多频率电容测量单元（MFCMU）和两个 SMU 单元，能够支持单通道的 IV 和 CV 测试。 在一个探头台上进行 IV 和 CV 这两种测试并不容易。基于 SMU 的 IV 测量使用三轴连接器，而基于 CMU 的 CV 测量则使用 BNC 连接器。这两种测量之间的切换非常复杂和耗时，很容易造成测量错误。例如，当通过手动切换测量电缆时，需要同时保持晶圆上的探针不变。在这种情况下切换电缆，摩擦所产生的电荷 可能会损坏器件。除了电缆连接问题之外，为获得准确的结果，还必须正确设置与电容测量相关的误差补偿参数。

B1500A 半导体器件分析仪 的 SMU CMU 统一单元（SCUU）可以有效解决这些测量问题。SCUU Keysight B1500A 半导体器 件分析仪能够执行精确的 IV 和 CV 测量并能在两者之间轻松切换，从而节省了购置复杂的外部开关矩阵的 开支。 今天我们将介绍了如何使用 B1500A 简单地配置精确的 IV 和 CV 测量系统。

使用 B1500A 半导体器件分析仪 进行基本电容 CV 测试测量

图 1 是在晶圆上进行 CV 测量的基本电缆配置图。首先把四端对（4TP）延长测试电缆连接到 B1500A 中的 MFCMU 的测量端子上。4TP 配置类似于 IV 测试测量中的开尔文连接，这种连接方式可以尽量减少测量电缆寄生现象造成的误差，同时还可以在延长测试电缆时获得最好的测量精度。

图 1. 机械手连接的基本电缆配置

为了获得最高精度，4TP 应尽可能延伸到接近被测器件（DUT）。然后将屏蔽的两端（2T）电缆或三端（3T）电缆连接到探测机械手。到探针的路径通常为 3T 配置。

图 2 显示了屏蔽 2T 配置与 3T 配置的差别。在屏蔽 2T 配置中，测量电缆保护屏蔽一起接到测量电缆的末端。而在 3T 配置中，保护屏蔽并不一起接到测量电缆末端。与 3T 配置相比，屏蔽 2T 配置能得到更稳定和更精确的测量结果。这是因为屏蔽 2T 配置中的剩余电感是由电缆结构决定的固定值。

图 2. 屏蔽 2T 电缆配置与 3T 电缆配置的差别

即使您把电缆移到被测器件处，剩余电感也不会改变，仍能提供稳定和精确的测量结果。

屏蔽 2T 配置的剩余电感是固定的，因为保护屏蔽中流过的感应电流与中心导体中流过的电流大小相同而方向相反。这一感应电流有助于屏蔽测量电流产生的磁通量，使剩余电缆电感保持一个较小的固定值。反之，3T 配置中没有形成返回电流路径。这种配置中的剩余电感取决于电缆的随机布设状态。由于电缆的布设不受控制，因此难以保持剩余电感为稳定的固定量值。测试环境的振动也会改变测量电缆的剩余电感，造成其不稳定的量值。人们很难补偿 3T 配置中测量电缆的剩余电感。这有时也被称作“返回路径问题”，如果 3T 配置中电缆末端的保护屏蔽不能短路在一起，就会产生这一问题。您可按照图 2 所示的方法连接保护屏蔽来解决这一问题。

要获得精确的电容测量结果，您必须执行以下三个基本测量步骤：第一步，将寄生效应造成的误差减到最小；第二步，让产生的误差稳定下来；第三步，有效地补偿误差。图 3 显示了使用屏蔽 2T 配置可以实现到探针的路径相对较短。到探针的路径越短，寄生效应造成的误差就越小（典型误差是测量电缆中的剩余电感）。通过在到探针的所有路径上全部使用屏蔽 2T 配置，您就可以将屏蔽 3T 电缆的长度减到最短。这也就把测量装置中不稳定部分的长度减到最短，从而能更容易地使用补偿技术来补偿测量误差。

图 3. 定位器的剩余电感对测量精度没有显著影响

自动执行 IV 和 CV 测试测量时应注意的问题

如本应用指南前面部分所述，简单而精确的 CV 测试测量相对容易实现。但是当您需要在自动化测试环境中精确测量 IV 和 CV 时，实现难度会大大增加。

图 4 显示了一个理想的精确、小电流 IV 测量装置，这里用三轴电缆把 SMU 接到晶圆探头机械手的输入端。测量的中心导体和保护屏蔽通过屏蔽的探针接到被测器件。

图 4. 理想的（非开尔文）晶圆 IV 测试测量装置图

图 5 是一个与精确 CV 测试测量略有不同的测量装置。使用 4TP-屏蔽 2T 转换之后的电缆路径看起来类似于 IV 测量装置，但有两个重要区别。第一，IV 测量装置中使用的是三轴电缆，而 CV 测试测量装置中则使用同轴电缆。第二，测量电缆与 CV 测试测量装置中的机械手探针之间有一条保护连接线，而在 IV 测量装置中没有这条保护连接线。

图 5. 理想的晶圆 CV 测量装置图

虽然进行如图 4 和图 5 所示的单独 CV 和 IV 测量的电缆配置是相似的，但当您构建能够在自动化测试环境下切换 IV 和 CV 测量的单一测量配置时，其差异却构成严峻的挑战。本应用指南下面将说明如何在单一电缆配置下使用 B1500A 半导体器件分析仪进行 IV 和 CV 测量，并且不会降低测量精度，也不需要您掌握关于 CV 测量的专业知识。

Keysight IV/CV 测试测量解决方案

图 6 显示了 B1500A 用于 IV 和 CV 测试测量切换时的基本电缆配置。B1500A 的 SCUU 可以在不降低测量精度的前提下切换 IV 和 CV 测试测量，您可通过 1.5 米或 3.0 米电缆把 SCUU 安装到晶圆探头上。SCUU 上的测量电缆用两条三轴电缆或两对开尔文（施压和传感）三轴电缆延长到晶圆探头机械手，以满足 IV 和 CV 测试测量的要求。对于 IV 和 CV 测量，三轴电缆的中心信号线接到测量探针的中心导体，三轴电缆的驱动保护端则接到测量探针的外部屏蔽端。通过把外部屏蔽端接到测量探针保护端来防止外部噪声。

图 6. B1500A 使用 SCUU 和 GSWU 实现晶圆上 CV 测量

正如图 5 所示，探头机械手 CH 和 CL 测量端的保护端在每条同轴测量电缆的末端短路到一起，以便建立精确的 CV 测试测量系统。B1500A 的保护开关单元（GSWU）进行 CV 测量时短路测量电缆的保护端，而在进行 IV 测试测量时自动开路，以防对 SMU 造成损坏，否则两个 SMU 的保护端（可能处于不同电位）将发生短路。

即使您使用开尔文三轴电缆连接 SCUU 和探头机械手，只要电缆不是太长，就不会影响测量精度。您需要做的就是建立这个简单的连接系统，并使用内置于 B1500A EasyEXPERT 软件的开路/短路和（可选）负载补偿程序收集并保存剩余误差部分的数据。

EasyEXPERT 软件通过控制 GSWU 处理所有 IV-CV 切换和误差补偿，同时还处理电容测量的电流返回路径问题。EasyEXPERT 软件提供 100 多种 IV 和 CV 应用测试。您只需选择一种 CV 算法，按一个按钮即可开始进行精确的 CV 测量。如果使用 SCUU，CV 测量的直流偏置电压范围可以扩展到 ±100 V，这远远超过了 MFCMU ±25 V 的固有能力。在配备 SCUU 的情况下，通过把 SMU 连接到 SCUU，即可自动提供 ±100 V 的直流偏置。

图 7 显示了如何用 3 米的 SCUU 电缆适配器把 B1500A 的 MFCMU 和 HRSMU 接到 SCUU。GSWU 接到 SCUU 的控制端，使 SCUU 可以自动控制 GSWU 开关的切换。

图 7. 用 SCUU 电缆适配器把 B1500A 的 MFCMU 和 HRSMU 接到 SCUU

图 8 显示了 SCUU 和 GSWU 到晶圆探头机械手的电缆连接。GSWU 连接到靠近机械手探针夹具底座的晶圆探头机械手探针保护端。这一连接建立了 CV 测量时的返回路径，从而确保得到精确而稳定的测量结果。

图 8. SCUU 和 GSWU 电缆接到晶圆探头机械手

结论

Keysight B1500A 与 MFCMU、SMU、SCUU 及 GSWU 结合使用，建立了能精确测量 IV 和 CV 且可以在两种测量间轻松切换的测量系统。

B1500A 的 EasyEXPERT 软件可以处理所有 IV-CV 切换和误差补偿。您只需选择一种 IV 或 CV 算法，然后按一个按钮，就可以开始进行精确的测量。