測試測量
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完成精確的 IV 和 CV測試測量

2021-06-08 來源:eefocus

參數表征既需要進行電流-電壓(IV)測試,也需要進行電容-電壓(CV)測試。那么如何 搭建精確的 IV 和 CV 測試測量系統呢?


目前開發的制程技術通常 需要通過單通道對晶圓上器件進行精確的 IV 和 CV 測試測量。Keysight B1500A 半導體器件分析儀在單臺主機中使用一個新的單插槽多頻率電容測量單元(MFCMU)和兩個 SMU 單元,能夠支持單通道的 IV 和 CV 測試。 在一個探頭臺上進行 IV 和 CV 這兩種測試并不容易。基于 SMU 的 IV 測量使用三軸連接器,而基于 CMU 的 CV 測量則使用 BNC 連接器。這兩種測量之間的切換非常復雜和耗時,很容易造成測量錯誤。例如,當通過手動切換測量電纜時,需要同時保持晶圓上的探針不變。在這種情況下切換電纜,摩擦所產生的電荷 可能會損壞器件。除了電纜連接問題之外,為獲得準確的結果,還必須正確設置與電容測量相關的誤差補償參數。


B1500A 半導體器件分析儀 的 SMU CMU 統一單元(SCUU)可以有效解決這些測量問題。SCUU Keysight B1500A 半導體器 件分析儀能夠執行精確的 IV 和 CV 測量并能在兩者之間輕松切換,從而節省了購置復雜的外部開關矩陣的 開支。 今天我們將介紹了如何使用 B1500A 簡單地配置精確的 IV 和 CV 測量系統。


使用 B1500A 半導體器件分析儀 進行基本電容 CV 測試測量

圖 1 是在晶圓上進行 CV 測量的基本電纜配置圖。首先把四端對(4TP)延長測試電纜連接到 B1500A 中的 MFCMU 的測量端子上。4TP 配置類似于 IV 測試測量中的開爾文連接,這種連接方式可以盡量減少測量電纜寄生現象造成的誤差,同時還可以在延長測試電纜時獲得最好的測量精度。

圖 1. 機械手連接的基本電纜配置


為了獲得最高精度,4TP 應盡可能延伸到接近被測器件(DUT)。然后將屏蔽的兩端(2T)電纜或三端(3T)電纜連接到探測機械手。到探針的路徑通常為 3T 配置。


圖 2 顯示了屏蔽 2T 配置與 3T 配置的差別。在屏蔽 2T 配置中,測量電纜保護屏蔽一起接到測量電纜的末端。而在 3T 配置中,保護屏蔽并不一起接到測量電纜末端。與 3T 配置相比,屏蔽 2T 配置能得到更穩定和更精確的測量結果。這是因為屏蔽 2T 配置中的剩余電感是由電纜結構決定的固定值。

圖 2. 屏蔽 2T 電纜配置與 3T 電纜配置的差別


即使您把電纜移到被測器件處,剩余電感也不會改變,仍能提供穩定和精確的測量結果。

屏蔽 2T 配置的剩余電感是固定的,因為保護屏蔽中流過的感應電流與中心導體中流過的電流大小相同而方向相反。這一感應電流有助于屏蔽測量電流產生的磁通量,使剩余電纜電感保持一個較小的固定值。反之,3T 配置中沒有形成返回電流路徑。這種配置中的剩余電感取決于電纜的隨機布設狀態。由于電纜的布設不受控制,因此難以保持剩余電感為穩定的固定量值。測試環境的振動也會改變測量電纜的剩余電感,造成其不穩定的量值。人們很難補償 3T 配置中測量電纜的剩余電感。這有時也被稱作“返回路徑問題”,如果 3T 配置中電纜末端的保護屏蔽不能短路在一起,就會產生這一問題。您可按照圖 2 所示的方法連接保護屏蔽來解決這一問題。


要獲得精確的電容測量結果,您必須執行以下三個基本測量步驟:第一步,將寄生效應造成的誤差減到最小;第二步,讓產生的誤差穩定下來;第三步,有效地補償誤差。圖 3 顯示了使用屏蔽 2T 配置可以實現到探針的路徑相對較短。到探針的路徑越短,寄生效應造成的誤差就越小(典型誤差是測量電纜中的剩余電感)。通過在到探針的所有路徑上全部使用屏蔽 2T 配置,您就可以將屏蔽 3T 電纜的長度減到最短。這也就把測量裝置中不穩定部分的長度減到最短,從而能更容易地使用補償技術來補償測量誤差。

圖 3. 定位器的剩余電感對測量精度沒有顯著影響


自動執行 IV 和 CV 測試測量時應注意的問題

如本應用指南前面部分所述,簡單而精確的 CV 測試測量相對容易實現。但是當您需要在自動化測試環境中精確測量 IV 和 CV 時,實現難度會大大增加。


圖 4 顯示了一個理想的精確、小電流 IV 測量裝置,這里用三軸電纜把 SMU 接到晶圓探頭機械手的輸入端。測量的中心導體和保護屏蔽通過屏蔽的探針接到被測器件。

圖 4. 理想的(非開爾文)晶圓 IV 測試測量裝置圖


圖 5 是一個與精確 CV 測試測量略有不同的測量裝置。使用 4TP-屏蔽 2T 轉換之后的電纜路徑看起來類似于 IV 測量裝置,但有兩個重要區別。第一,IV 測量裝置中使用的是三軸電纜,而 CV 測試測量裝置中則使用同軸電纜。第二,測量電纜與 CV 測試測量裝置中的機械手探針之間有一條保護連接線,而在 IV 測量裝置中沒有這條保護連接線。

圖 5. 理想的晶圓 CV 測量裝置圖

雖然進行如圖 4 和圖 5 所示的單獨 CV 和 IV 測量的電纜配置是相似的,但當您構建能夠在自動化測試環境下切換 IV 和 CV 測量的單一測量配置時,其差異卻構成嚴峻的挑戰。本應用指南下面將說明如何在單一電纜配置下使用 B1500A 半導體器件分析儀進行 IV 和 CV 測量,并且不會降低測量精度,也不需要您掌握關于 CV 測量的專業知識。


Keysight IV/CV 測試測量解決方案

圖 6 顯示了 B1500A 用于 IV 和 CV 測試測量切換時的基本電纜配置。B1500A 的 SCUU 可以在不降低測量精度的前提下切換 IV 和 CV 測試測量,您可通過 1.5 米或 3.0 米電纜把 SCUU 安裝到晶圓探頭上。SCUU 上的測量電纜用兩條三軸電纜或兩對開爾文(施壓和傳感)三軸電纜延長到晶圓探頭機械手,以滿足 IV 和 CV 測試測量的要求。對于 IV 和 CV 測量,三軸電纜的中心信號線接到測量探針的中心導體,三軸電纜的驅動保護端則接到測量探針的外部屏蔽端。通過把外部屏蔽端接到測量探針保護端來防止外部噪聲。

圖 6. B1500A 使用 SCUU 和 GSWU 實現晶圓上 CV 測量

正如圖 5 所示,探頭機械手 CH 和 CL 測量端的保護端在每條同軸測量電纜的末端短路到一起,以便建立精確的 CV 測試測量系統。B1500A 的保護開關單元(GSWU)進行 CV 測量時短路測量電纜的保護端,而在進行 IV 測試測量時自動開路,以防對 SMU 造成損壞,否則兩個 SMU 的保護端(可能處于不同電位)將發生短路。


即使您使用開爾文三軸電纜連接 SCUU 和探頭機械手,只要電纜不是太長,就不會影響測量精度。您需要做的就是建立這個簡單的連接系統,并使用內置于 B1500A EasyEXPERT 軟件的開路/短路和(可選)負載補償程序收集并保存剩余誤差部分的數據。


EasyEXPERT 軟件通過控制 GSWU 處理所有 IV-CV 切換和誤差補償,同時還處理電容測量的電流返回路徑問題。EasyEXPERT 軟件提供 100 多種 IV 和 CV 應用測試。您只需選擇一種 CV 算法,按一個按鈕即可開始進行精確的 CV 測量。如果使用 SCUU,CV 測量的直流偏置電壓范圍可以擴展到 ±100 V,這遠遠超過了 MFCMU ±25 V 的固有能力。在配備 SCUU 的情況下,通過把 SMU 連接到 SCUU,即可自動提供 ±100 V 的直流偏置。

圖 7 顯示了如何用 3 米的 SCUU 電纜適配器把 B1500A 的 MFCMU 和 HRSMU 接到 SCUU。GSWU 接到 SCUU 的控制端,使 SCUU 可以自動控制 GSWU 開關的切換。

圖 7. 用 SCUU 電纜適配器把 B1500A 的 MFCMU 和 HRSMU 接到 SCUU

圖 8 顯示了 SCUU 和 GSWU 到晶圓探頭機械手的電纜連接。GSWU 連接到靠近機械手探針夾具底座的晶圓探頭機械手探針保護端。這一連接建立了 CV 測量時的返回路徑,從而確保得到精確而穩定的測量結果。

圖 8. SCUU 和 GSWU 電纜接到晶圓探頭機械手


結論

Keysight B1500A 與 MFCMU、SMU、SCUU 及 GSWU 結合使用,建立了能精確測量 IV 和 CV 且可以在兩種測量間輕松切換的測量系統。


B1500A 的 EasyEXPERT 軟件可以處理所有 IV-CV 切換和誤差補償。您只需選擇一種 IV 或 CV 算法,然后按一個按鈕,就可以開始進行精確的測量。

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