基于Keithley 4200A-SCS使用斜率法实现MOS结构QSCV测量的研究

聂 凯

(安徽工商职业学院 应用工程学院，安徽 合肥 231131)

给具有MOS(Metal-Oxide-Semiconductor金属氧化物半导体)结构的器件外加电压，因结构的特殊性，其中会产生一定的寄生电容[1]。我们把这种电容量随外加电压变化的曲线称之为C-V特性曲线(简称C-V特性)。借助于C-V测量技术人们从中获取了有关器件和材料特征的重要数据，它是我们分析与测试半导体器件特征特性的基础。通过分析测量结果可辅助工程技术人员将工艺参数的检测，失效机理的分析以及进一步优化器件工艺和性能等作为判断、参考和借鉴的依据[2]。

1 技术原理

电容—电压测量技术一般是在交流环境下进行。然而，有一些电容测量应用软件环境中需要在直流条件下实施，即它们是在一个测试频率很低，几乎是直流的条件下操作[3]。故其被称为准静态C-V(Quasistatic C-V，以下简称QSCV)测量，这种测量通常是以提供一个直流电压来测量相应产生的电流或电荷[4]。对于QSCV常使用的测量技术方法有反馈电荷法和线性渐变法。而基于4200A-SCS参数分析器则可采用新的测量方法：斜率法。该测量方法是基于两个分别带有前端放大功能的源测量单元4200-SMUs(Source Measure Units)，在测量电路中，源测量单元提供源电流先对被测设备进行充电，再测量出电压、时间以及放电电流之间的对应关系。之所以要进行前端放大，是因为这个测试所搭建环境涉及到的激励源电流和要测量的电流大小都处于皮安数量级，即电流很小很细微，因此，前端放大是必需的。

2 技术实现

2.1 斜率法

图1为使用斜率法对DUT(被测设备Device Under Test的简称)进行电荷容量测量的接线图。由图1可以看出，电路组成中需要两个带有前端放大功能的源测量单元随机连接至被测设备两端。需要特别说明的是，斜率法适用范围也是有限的，即被测设备的电容量应介于1pF到400pF之间。

图1 基于SMUs的斜率法DUT电荷容量测量接线图

斜率法大致原理是这样的，通过利用一个源测量单元(如图1中的SMU1所示：ForceSMU，以下简称激励单元)提供的激励电流给被测设备加一特定直流充电电压。一旦被测设备被充以电流，就会产生一个与充电电流极性(或方向)相反的对被测设备进行放电的电流，通过该放电电流，激励单元测量得到一个基于时域的电压；第二个SMU(如图1中的SMU2所示：MeasureSMU，以下简称测量单元)负责测量该放电电流。依据被测量到的电压(U)、电流(I)、时间(t)值、被测设备电容大小(C)就可根据电压与时间之间关系的导出：

(1)

(2)

2.2 测试

2.2.1 给设备充电：由SMU1对DUT实施100pA的预充电，直至电压恒定。该电压值一般是用户自定义的，称为启动电压VStart。预充电电流的极性与启动电压VStart一致，当预充电电流不足以激励被测设备达到启动电压值VStart时，会生成一个超时错误提醒。

2.2.2 加偏置电压：扫描前在用户自定义时间里给被测设备加偏置电压到启动电压VStart。

2.2.3 产生的感应电流向被测设备放电：在既定时间内一旦被测设备被加以偏置电压至启动电压VStart，感应电流即会向被测设备放电。从方向上来讲，感应电流与预充电电流二者是反向的。感应电流值为：

Iramp=CVal×RampRate

(3)

其中：CVal为用户输入的预估电容值，单位：法拉(F)；

RampRate为用户输入激励电压的斜率(dU/dt)，单位：V/s。

2.2.4 同时触发两源测量单元测量参数：激励单元测量电压(U1，U2，U3…Un)和时间(T1，T2，T3…Tn)。测量单元测量电流(I1，I2，I3…In)。在感应电流未达到激励电流大小(二者极性相反)之前完成电压、时间和电流测量。

2.2.5 计算电压、时间和电容输出值：参数Uout、Tout和Cout将被实时提取并呈现在图表中。它们的计算方法如下：

(4)

Tout=T2

(5)

(6)

2.3 软件环境参数设置、测试执行

Clarius软件环境下，QSCVulib用户库中包含一个用户模块meas_qscv，在工程内部，其可以作为一个自定义测试打开。

2.3.1 meas_qscv用户模块参数设置。使用meas_qscv用户模块创建测试后，需要对相关参数进行设置，具体如下。

ForceSMU：激励单元，其产生激励电流到被测设备并测量基于时域的电压。这个源测量单元必须有一个前端放大器，因为它将提供皮安数量级电流。

MeasureSMU：测量单元，其将测量电路中产生的电流。与激励单元类似，这个源测量单元也必须有一个前端放大器，因为它将测量皮安数量级电流。

VStart：C-V扫描时对应的启动和结束电压。C-V扫描区间总是在0V左右进行。

CVal：电容值。该值需要预估，应尽量接近DUT的电荷容量。这个值往往决定了给被测设备充电的源流大小。

RampRate：用户输入激励电压的斜率(dU/dt)，单位：V/s。如果斜率过大，在扫描过程中很难得到足够的数据点。同样，如果斜率过小，数据点读数又可能因有干扰而不够精确。要想找出关于电压斜率的最佳设置，多做些试验是绝对有必要的。

PreSoakTime：开始进行C-V扫描操作之前，短时间内给被测设备加以启动电压需要的时长。具体来说就是要有充足的时间给被测设备充电并达到平衡。

TimeOut：测试模块时间用完前，允许给被测设备充电至启动电压值的时间。在某些情况下，例如当设备短路时，设备可能因短路而未达到VStart电压；这个参数使测试模块自动停止并生成错误消息。默认情况下，设置为10秒。

2.3.2 测试执行

在工程中，打开meas_qscv用户模块可通过预先定义的应用测试来完成。在屏幕的左上角选择Configure，在弹出窗口中的右窗格选择QSCVulib用户库和meas_qscv用户模块。然后基于具体应用输入适当的的值。实际上，在Clarius环境中，使用meas_qscv用户模块对被测设备进行准静态C-V测量的测试已经被创建在库中。具体操作是，在屏幕的左上角选择Select，从测试或项目库中任意选择一个，在搜索栏中输入qscv并选择搜索。qscv测试或项目将自动出现在中心窗格中。

基于斜率法的QSCV测量的工程目录结构如图2所示。

图2 斜率法QSCV测量的工程目录

由图2可看出，该项目包含一个名为ramprate-cvsweep的测试，用在MOSFET器件(被测设备)上进行测量。图3是测试参数进行设置配置。

图3 ramprate-cvsweep test参数配置

该测试中，SMU1(激励单元)和SMU2(测量单元)是用来进行C-V测量的重要组成单元。其中，启动电压值设置为4V，即SMU将产生一个从-4V到+4V的电压；近似电容值被估为10pF，作为CVal参数输入。这个CVal电容值将用于确定电流变化率。如果该电容值被估的过低(例如，1E-12(1pF)而不是10E-12(10pF))，则电容测量中将不可避免出现因噪声带来的误差；RampRate的值设置为0.7V/s。

根据被测参数中的电压值，通过Clarius软件计算出被测设备电容量，并在4200A-SCS参数分析器中显示出电容-电压(C-V)特性曲线。

其中，CVal电容值将用于确定电流变化率。如果该电容值被估的过低(例如，1E-12(1pF)而不是10E-12(10pF))，则电容测量中将不可避免出现因噪声带来的误差。

RampRate的值设置为0.7V/s。在这种情况下，如果电压变化率在1V/s，则会生成一条相对稍微平缓的曲线，但是获取的有效数据点也相应会少一些；如果电压变化率为0.1V/s，可以得到较多数据点，但噪音干扰也随之明显增强。因此，为了确定最佳方案，我们需要对正在测试的特定设备的参数设置进行多次试验。

一旦被测设备DUT(本文选用N沟道MOS管的栅极和源极间外加电压UGS下产生寄生电容CGS作为测量对象)连接到两个源测量单元，预期输入参数的测试便被创建并执行C-V扫描。扫描结果显示如图4所示。

图4 MOSFET器件QSCV曲线图

从扫描结果(C-V曲线)看，NMOS管栅源所加线性电压(-4V-+4V)，这个工作区间电压的作用下，栅源间寄生电容的大小基本以UGS=0V为基准点附近随着栅源间负电压或正电压绝对值的增大而增大，此外，特性曲线上表现出界面态现象，即Si与SiO2交界处的一些连续或分立的电子能带或能级在短时间内与衬底半导体发生电荷交换[5]，而对于理想的MOS结构，由于把其氧化层看作完全绝缘，氧化层中不存在任何电荷，金属与半导体的接触电势差也忽略了，因此氧化层与半导体界面上不会出现界面态[6]。理想化的MOS结构QSCV特性曲线如下页图5所示。由此我们可以得出，在将MOS管的S极、D极以及基片(衬底)均接地时，此时可以将NMOS管看成一个两端器件，且在不同的栅源电压下寄生出不同的电容值(MOS管此时可作可变电容使用)，扫描结果反过来也有助于工程技术人员优化MOS管的制作工艺、参数和性能：MOS管的导电类型及其掺杂浓度、SiO2-Si系统中的电荷密度等决定了寄生电容量和外加电压的关系[7]。将实际测量到的MOS结构的C-V曲线与理想的进行对比，可优化dox(氧化硅层厚度)、N(基片衬底掺杂浓度)、QI(氧化层中可动电荷面密度)和Qfc(固定电荷面密度)等参数[8]。

图5 理想MOS电容的QSCV特性曲线

3 测量中存在的问题及优化建议

在meas_qscv模块中对测量值影响最大的需要设置的参数是CVal和RampRate。CVal为被测装置的近似值。如果输入值大于设备的实际值，那么RampRate会更大，数据点也会更少。反之，如果输入的电容值小于器件实际电容量、RampRate会更小，曲线上会有更多的数据点。在确保曲线稳定的前提下，通常采用最大RampRate方式。然而，不可回避的问题是，扫描到的数据点不足，这也是斜率过大所带来的测试短板。

可尝试以下方法进行测量的进一步优化。

3.1 在测试装置中通过拖出探头或电路开路情况下用meas_qscv模块进行C-V特性曲线扫描。为了扣除电缆和探头的偏移量影响，可使用公式取读数平均值，测量结果减去平均偏移量。

3.2 在公式中可以使用移动平均值函数(MAVG)，降低曲线中的噪声电平。可试着用三个读数的移动平均，看看是否有所改善。需要注意的是，不宜将移动平均值设置得太大，否则会丢失C-V曲线该有的形状[9]。

3.3 使用配备有三轴电缆的4200A-SCS，其具有良好的屏蔽和可监视等优点。为减少噪音静电干扰，确保被测设备屏蔽，一般将其放置在金属外壳中，并通过屏蔽端子将其连接到4200A-SCS的Force LO端子上。

对于MOS结构的QSCV测量，我们需要使用各种技术来实现优化测量精度，这些技术包括实施低电流试验测量和在软件中选择适当的参数设置[10]。利用斜率法使用配置有前端放大功能的4200-SMUs可以完成被测设备的准静态C-V测量，该技术在Clarius软件QSCV_uslib用户库中meas_qscv模块里被应用。斜率法进行准静态C-V测量时，由于涉及到激励端和测量端都是皮安级电流，因此，采用低电平测量技术并选择软件中适当的参数设置将能确保更佳的测量结果，工程技术人员借助于实际测量与理想化数据进行对比，对优化MOS器件工艺和性能，对工艺参数的检测，失效机理的分析等也都有着重要的参考与借鉴作用[11]。