1.什么是源测量单元 (SMU)源测量单元 (SMU) 可精确地发起电压或电流以及同时测量电压和/或电流。它将数字万用表 (DMM)、电源、实际电流源、电子负载和脉冲发生器的有用功能以紧凑外形集成在一台紧密同步的仪器中且将所有这些功能都集成在一个仪器中提供比使用单独仪器组合获得更好的速度和测量分辨率。因此 SMU 广泛用于半导体器件、材料、医疗、发光器件与光通信等行业用于测量器件的伏安I-V特性曲线、绝缘材料的电阻值电阻率、电容的绝缘电阻漏电流、光电器件的暗电流或者 L-I-V 等。简化的 SMU 等效电路如下图所示图 1.1 简化的 SMU 等效电路关于 SMU 的分类最常见的 SMU 是中功率 SMU(MPSMU); 顾名思义这种 SMU 能提供中等大小的电压和电流 (±100 V 和 ±100 mA)和低至 10 fA 的电流测量分辨率。高分辨率 SMU(HRSMU) 适用于精密测量它有与 MPSMU 相同的电压和电流能力但电流测量分辨率可达到 1fA 甚至更低0.1fA电压测量分辨率则能达到 0.5 µV。高功率SMU(HPSMU) 适用于要求超过 MPSMU 或 HRSMU 可供电流或电压的应用这种 SMU 能提供达 ±1A 的电流和±200 V 的电压并有与 MPSMU 相似的测量分辨率。平台目前拥有两台型号为 Keithley 4200-SCS 和 Keysight B1500A 半导体参数分析仪此两台分析仪的的配置涵盖了以上所有类型 SMU4200-SCS 配置远程前置放大器其电流测量分辨率可达 0.1fA。SMU 有三种基本工作模式: 电压源电流源和公共 (common)。在公共模式时SMU 作为 0 V 电压源工作它不执行任何测量电流限制被自动设置为 SMU 的最大值。此外SMU 也可进行电压脉冲或电流扫描模式进行测量以防止热敏器件的自热。SMU 有能力规定限制设置。限制设置始终与 SMU 的源设置相反 (电压源模式的 SMU 为电流限制电流源模式的 SMU 为电压限制)。当 SMU 达到限制值时它就成为一个恒压源或恒流源。由于不允许被测量超过规定的限制值因此限制特性可防止件损坏。此外也可为扫描源规定功率限制。功率限制可防止SMU 的功率输出超过规定的功率限制值。如果同时规定标准限制和功率限制那么 SMU 就绝不会超过这两个设置中的任一最低值。SMU Force 和 Sense 输出SMU 包括 Force Line 和 Sense Line 输出有很多同学对于这两者的选择很疑惑在这里和大家说明下将 Force Line 和 Sense Line 应在尽可能接近 DUT 的地方短接需要所配置探针台的探针类型为开尔文探针只需要两块 SMU您就能实现开尔文测量如图 1.2 用两块 SMU 进行电阻器开尔文测量如果不作开尔文测量和只使用一组 SMU 输出那么必须使用 Force 输出。Force Line 和 Sense Line 在内部通过电阻器相接而这内部 sense 点是一个高阻抗的结点因此在仅使用 Force Line 时SMU 仍能监视驱动输出线上的电流和电压。但如果只使用 Sense Line全部电流都将如图 1.3 所示那样通过 sense 输出并经内部电阻器流出 (或流入)这样做会产生完全不正确的测量数据! 因此连接 SMU 与 DUT 决不能只使用 sense line。图 1.2 用两块开尔文 SMU 进行电阻器开尔文测量图 1.3 在开尔文 SMU 上只使用 sense line 导致的问题因此在非开尔文测量的情况下可以把 SMU 的 Sense Line 用作 SMU Force Line 的缓冲电压监视器。最常见的情况是用 SMU 的 Force Line 驱动 MOSFET 栅极。在使用三轴 - 同轴适配器 (浮地) 时如图 1.4所示把 SMU Sense Line 直接接到示波器输入。图 1.4 如果不使用 SMU 的 Sense Line将其接到示波器上用于监视 SMU 输出2.超低电流测量半导体器件的参数特性一般需要进行超低电流测试。对于 MOSFET门(gate)电压控制 MOSFET 的 on/off、或者说是控制漏极(drain )电流是非常重要的。在现代高度集成电路中关断 off 状态电流一般仅仅在 fA 量级。所以具有一个可以进行这些超低电流测试的测试系统非常重要。使用半导体参数系统实现低电流(fA 级甚至亚 fA 级范围)测量常常需要考虑以下问题接地和屏蔽问题减少系统噪声去除寄生漏电流选择适宜的测量设置参数选择正确的测量量程/积分时间/保持时间执行校准和 SMU 调零等。因此一个半导体特性分析系统除需要关注测试仪器例如源表 SMU 测量能力外矩阵开关、探针台及线缆的选择对系统整体性能同样具不可忽视的重要影响。有幸的是好的探针台及适配线缆的能很大成程度上解决接地和屏蔽问题减少系统噪声及寄生漏电流的产生。平台目前配置的两套探针台电学测量系统均能够实现 fA 级测量。在以上影响超低电流测试的因素中关于接地屏蔽系统噪声等和系统搭建有关不做进一步说明此次主要对于 SMU 的在超低电流测试中的使用及测试环境等问题进行探讨2.1 SMU 量程选择测量量程与测量准确度及分辨率密切相关。通过继电器开关选择一个或多个电阻器将 SMU 置于给定的测量量程。显然切换继电器和从一个量程变换到下一个量程是要花时间的。虽然 SMU 总能从最高测量量程开始运行然后降到适合被测量的最低测量量程但这将导致极慢的测量。不过我们能通过灵活选择测量量程更好兼顾测量准确度和测量速度。SMU 通常有三种量程选择方法: 固定、限制和自动。下面说明这些选择如何影响 SMU 使用的测量量程:图 2.1 量程模式说明测量量程从最快到最慢的排序为 Fixed 量程 (最快)、Limited 量程 (次快) 和 Auto 量程 (最慢)。虽然Fixed ranging 能得到最快的测量结果但其局限在于 SMU 不能通过进入较低的测量量程改善测量准确度。此外如果试图在 Fixed ranging 测量超过量程最大值的电流或电压将会产生测量错误。Limited ranging和 Auto ranging 的相似之处在于两者都从用户规定限制值的最高量程开始并以各自方式降到最佳的测量量程。两者的区别是 Limited ranging 绝不会降到低于用户规定的量程限制。因此如果不能确定所测电流或电压值也不需要作极精确的测量时Limited ranging 是非常有用的。但如果要求得到最好的测量准确度而不介意测量时间Auto ranging 就是正确的选择。对给定测量可实现的测量分辨率没有硬性规定主要决定因素是 SMU 模数转换器 (ADC) 的位数。但实际可实现的测量分辨率还必须考虑噪声、漂移等因素。这样就在测量中引入了需要进行平均的随机性成分。最终结果是在大多数情况下最高测量分辨率是量程内的 4-5 个十进制数。量程的具体测量分辨率可从仪器的 Datasheet 中获知。这里我们要再次强调 Fixed ranging 量程的使用。您可在所选的 Fixed ranging 测量低于量程满度的电流或电压前面已经提到测量量程有 4-5 个十进制数的分辨率。即使低于量程满度的实际被测值大于 4-5 个十进制数仪器仍会返回测量结果 (虽然降低了测量分辨率)。但如果测量超过固定量程测量范围的电流或电压则将产生测量错误。因此要寻找的最佳测量量程既要低到能提供足够的测量分辨率又要高到能完成对被测量的测量。2.2 积分时间保持时间及延迟时间设置对一段时间上的测量结果进行积分的目的是消除噪声。增加积分时间与采用较低测量量程的效果不同。在为改进测量结果增加积分时间前首先要确定是否已为被测电流或电压选择了正确的测量量程。例如在 SMU 的 1nA 限制量程上测量 fA 级电流是没有意义的尝试因为要得到好的 fA 测量结果 SMU 需要降到 10 pA 量程。作为一般规则为得到满意的测量结果越低的测量量程需要越长的积分时间因为在测量小的电流和电压时噪声成为更严重的问题。不同品牌 SMU 对于积分时间的描述并不统一。在某些情况下 短(Short)/Fast 是指在任何小于一个电源工频周期 (PLC对于 50Hz 交流电来说 1PLC 为 20ms) 上积分中 (Medium)指正好在一个 PLC 上积分长 (Long)/Quiet 表示在多个 PLC 上积分。在其它情况下 “Auto (自动)”和“Manual (手动)”用于少于一个PLC 的积分时间 “PLC”指一个或多个 PLC 上的积分。电源工频周期 (PLC) 积分通过在多个电源工频周期上的采样和平均去除交流电源工频噪声引入的测量误差。除噪声外SMU 的输出电容也会在 SMU 施加新的电压或电流时引发振铃和其它瞬态现象。为确保测量前施加电压或电流的稳定则需要考虑测量的保持时间 Hold time 和延时时间 Delay time。保持时间保证了测量开始前 SMU 输出稳定延迟时间保证了在 SMU 输出变化后的测量期间其输出是稳定的。图 2.2 测量时间示意2.3 SMU 调零功能在进行 fA 级电流测量时偏置电流还带来一些明显的测量挑战。偏置电流有许多来源但只要它们是有一致型的就可以被抵消掉。SMU 调零功能通过输出开路测量 SMU 偏置电流然后 SMU 在接着的测量中自动扣除这一偏置值。以 B1500 为例在进行偏置调零校准后能在 HRSMU 上得到非常好的(±3 fA) 低电流测量基线开路电流。Zero Check 的操作可于仪器 Help 中获知。参考资料源/测量单元SMU基础Keysight Technologies B1500A Semiconductor Device Analyzer User’s Guide
半导体参数分析系列——如何实现 fA 级超低电流测试
1.什么是源测量单元 (SMU)源测量单元 (SMU) 可精确地发起电压或电流以及同时测量电压和/或电流。它将数字万用表 (DMM)、电源、实际电流源、电子负载和脉冲发生器的有用功能以紧凑外形集成在一台紧密同步的仪器中且将所有这些功能都集成在一个仪器中提供比使用单独仪器组合获得更好的速度和测量分辨率。因此 SMU 广泛用于半导体器件、材料、医疗、发光器件与光通信等行业用于测量器件的伏安I-V特性曲线、绝缘材料的电阻值电阻率、电容的绝缘电阻漏电流、光电器件的暗电流或者 L-I-V 等。简化的 SMU 等效电路如下图所示图 1.1 简化的 SMU 等效电路关于 SMU 的分类最常见的 SMU 是中功率 SMU(MPSMU); 顾名思义这种 SMU 能提供中等大小的电压和电流 (±100 V 和 ±100 mA)和低至 10 fA 的电流测量分辨率。高分辨率 SMU(HRSMU) 适用于精密测量它有与 MPSMU 相同的电压和电流能力但电流测量分辨率可达到 1fA 甚至更低0.1fA电压测量分辨率则能达到 0.5 µV。高功率SMU(HPSMU) 适用于要求超过 MPSMU 或 HRSMU 可供电流或电压的应用这种 SMU 能提供达 ±1A 的电流和±200 V 的电压并有与 MPSMU 相似的测量分辨率。平台目前拥有两台型号为 Keithley 4200-SCS 和 Keysight B1500A 半导体参数分析仪此两台分析仪的的配置涵盖了以上所有类型 SMU4200-SCS 配置远程前置放大器其电流测量分辨率可达 0.1fA。SMU 有三种基本工作模式: 电压源电流源和公共 (common)。在公共模式时SMU 作为 0 V 电压源工作它不执行任何测量电流限制被自动设置为 SMU 的最大值。此外SMU 也可进行电压脉冲或电流扫描模式进行测量以防止热敏器件的自热。SMU 有能力规定限制设置。限制设置始终与 SMU 的源设置相反 (电压源模式的 SMU 为电流限制电流源模式的 SMU 为电压限制)。当 SMU 达到限制值时它就成为一个恒压源或恒流源。由于不允许被测量超过规定的限制值因此限制特性可防止件损坏。此外也可为扫描源规定功率限制。功率限制可防止SMU 的功率输出超过规定的功率限制值。如果同时规定标准限制和功率限制那么 SMU 就绝不会超过这两个设置中的任一最低值。SMU Force 和 Sense 输出SMU 包括 Force Line 和 Sense Line 输出有很多同学对于这两者的选择很疑惑在这里和大家说明下将 Force Line 和 Sense Line 应在尽可能接近 DUT 的地方短接需要所配置探针台的探针类型为开尔文探针只需要两块 SMU您就能实现开尔文测量如图 1.2 用两块 SMU 进行电阻器开尔文测量如果不作开尔文测量和只使用一组 SMU 输出那么必须使用 Force 输出。Force Line 和 Sense Line 在内部通过电阻器相接而这内部 sense 点是一个高阻抗的结点因此在仅使用 Force Line 时SMU 仍能监视驱动输出线上的电流和电压。但如果只使用 Sense Line全部电流都将如图 1.3 所示那样通过 sense 输出并经内部电阻器流出 (或流入)这样做会产生完全不正确的测量数据! 因此连接 SMU 与 DUT 决不能只使用 sense line。图 1.2 用两块开尔文 SMU 进行电阻器开尔文测量图 1.3 在开尔文 SMU 上只使用 sense line 导致的问题因此在非开尔文测量的情况下可以把 SMU 的 Sense Line 用作 SMU Force Line 的缓冲电压监视器。最常见的情况是用 SMU 的 Force Line 驱动 MOSFET 栅极。在使用三轴 - 同轴适配器 (浮地) 时如图 1.4所示把 SMU Sense Line 直接接到示波器输入。图 1.4 如果不使用 SMU 的 Sense Line将其接到示波器上用于监视 SMU 输出2.超低电流测量半导体器件的参数特性一般需要进行超低电流测试。对于 MOSFET门(gate)电压控制 MOSFET 的 on/off、或者说是控制漏极(drain )电流是非常重要的。在现代高度集成电路中关断 off 状态电流一般仅仅在 fA 量级。所以具有一个可以进行这些超低电流测试的测试系统非常重要。使用半导体参数系统实现低电流(fA 级甚至亚 fA 级范围)测量常常需要考虑以下问题接地和屏蔽问题减少系统噪声去除寄生漏电流选择适宜的测量设置参数选择正确的测量量程/积分时间/保持时间执行校准和 SMU 调零等。因此一个半导体特性分析系统除需要关注测试仪器例如源表 SMU 测量能力外矩阵开关、探针台及线缆的选择对系统整体性能同样具不可忽视的重要影响。有幸的是好的探针台及适配线缆的能很大成程度上解决接地和屏蔽问题减少系统噪声及寄生漏电流的产生。平台目前配置的两套探针台电学测量系统均能够实现 fA 级测量。在以上影响超低电流测试的因素中关于接地屏蔽系统噪声等和系统搭建有关不做进一步说明此次主要对于 SMU 的在超低电流测试中的使用及测试环境等问题进行探讨2.1 SMU 量程选择测量量程与测量准确度及分辨率密切相关。通过继电器开关选择一个或多个电阻器将 SMU 置于给定的测量量程。显然切换继电器和从一个量程变换到下一个量程是要花时间的。虽然 SMU 总能从最高测量量程开始运行然后降到适合被测量的最低测量量程但这将导致极慢的测量。不过我们能通过灵活选择测量量程更好兼顾测量准确度和测量速度。SMU 通常有三种量程选择方法: 固定、限制和自动。下面说明这些选择如何影响 SMU 使用的测量量程:图 2.1 量程模式说明测量量程从最快到最慢的排序为 Fixed 量程 (最快)、Limited 量程 (次快) 和 Auto 量程 (最慢)。虽然Fixed ranging 能得到最快的测量结果但其局限在于 SMU 不能通过进入较低的测量量程改善测量准确度。此外如果试图在 Fixed ranging 测量超过量程最大值的电流或电压将会产生测量错误。Limited ranging和 Auto ranging 的相似之处在于两者都从用户规定限制值的最高量程开始并以各自方式降到最佳的测量量程。两者的区别是 Limited ranging 绝不会降到低于用户规定的量程限制。因此如果不能确定所测电流或电压值也不需要作极精确的测量时Limited ranging 是非常有用的。但如果要求得到最好的测量准确度而不介意测量时间Auto ranging 就是正确的选择。对给定测量可实现的测量分辨率没有硬性规定主要决定因素是 SMU 模数转换器 (ADC) 的位数。但实际可实现的测量分辨率还必须考虑噪声、漂移等因素。这样就在测量中引入了需要进行平均的随机性成分。最终结果是在大多数情况下最高测量分辨率是量程内的 4-5 个十进制数。量程的具体测量分辨率可从仪器的 Datasheet 中获知。这里我们要再次强调 Fixed ranging 量程的使用。您可在所选的 Fixed ranging 测量低于量程满度的电流或电压前面已经提到测量量程有 4-5 个十进制数的分辨率。即使低于量程满度的实际被测值大于 4-5 个十进制数仪器仍会返回测量结果 (虽然降低了测量分辨率)。但如果测量超过固定量程测量范围的电流或电压则将产生测量错误。因此要寻找的最佳测量量程既要低到能提供足够的测量分辨率又要高到能完成对被测量的测量。2.2 积分时间保持时间及延迟时间设置对一段时间上的测量结果进行积分的目的是消除噪声。增加积分时间与采用较低测量量程的效果不同。在为改进测量结果增加积分时间前首先要确定是否已为被测电流或电压选择了正确的测量量程。例如在 SMU 的 1nA 限制量程上测量 fA 级电流是没有意义的尝试因为要得到好的 fA 测量结果 SMU 需要降到 10 pA 量程。作为一般规则为得到满意的测量结果越低的测量量程需要越长的积分时间因为在测量小的电流和电压时噪声成为更严重的问题。不同品牌 SMU 对于积分时间的描述并不统一。在某些情况下 短(Short)/Fast 是指在任何小于一个电源工频周期 (PLC对于 50Hz 交流电来说 1PLC 为 20ms) 上积分中 (Medium)指正好在一个 PLC 上积分长 (Long)/Quiet 表示在多个 PLC 上积分。在其它情况下 “Auto (自动)”和“Manual (手动)”用于少于一个PLC 的积分时间 “PLC”指一个或多个 PLC 上的积分。电源工频周期 (PLC) 积分通过在多个电源工频周期上的采样和平均去除交流电源工频噪声引入的测量误差。除噪声外SMU 的输出电容也会在 SMU 施加新的电压或电流时引发振铃和其它瞬态现象。为确保测量前施加电压或电流的稳定则需要考虑测量的保持时间 Hold time 和延时时间 Delay time。保持时间保证了测量开始前 SMU 输出稳定延迟时间保证了在 SMU 输出变化后的测量期间其输出是稳定的。图 2.2 测量时间示意2.3 SMU 调零功能在进行 fA 级电流测量时偏置电流还带来一些明显的测量挑战。偏置电流有许多来源但只要它们是有一致型的就可以被抵消掉。SMU 调零功能通过输出开路测量 SMU 偏置电流然后 SMU 在接着的测量中自动扣除这一偏置值。以 B1500 为例在进行偏置调零校准后能在 HRSMU 上得到非常好的(±3 fA) 低电流测量基线开路电流。Zero Check 的操作可于仪器 Help 中获知。参考资料源/测量单元SMU基础Keysight Technologies B1500A Semiconductor Device Analyzer User’s Guide
