【導讀】在半導體測試、納米科技及高精度絕緣分析等多種領(lǐng)域，對pA級乃至更微弱電流的精確測量已成為評估器件性能與可靠性的關(guān)鍵。然而，超低電流測量極易受到環(huán)境干擾、儀器噪聲及測量方法本身的顯著影響。本文將系統(tǒng)解析測量中的主要誤差來源，并基于行業(yè)實踐，為工程師提供一套可操作的高精度測量指導方案。
在半導體測試、納米科技及高精度絕緣分析等多種領(lǐng)域，對pA級乃至更微弱電流的精確測量已成為評估器件性能與可靠性的關(guān)鍵。然而，超低電流測量極易受到環(huán)境干擾、儀器噪聲及測量方法本身的顯著影響。本文將系統(tǒng)解析測量中的主要誤差來源，并基于行業(yè)實踐，為工程師提供一套可操作的高精度測量指導方案。
4200A-SCS參數(shù)分析儀配置4200-PA遠程前置放大器時， 具有最小10aA分辨率（10-16）的特殊低電流測量能力。小電流的成功測量不僅取決于使用像4200A-SCS這樣非常靈敏的電流表，還取決于在系統(tǒng)的Clarius軟件中選擇適當?shù)脑O(shè)置，使用低噪聲夾具和測試電纜，允許足夠的積分時間，并使用相關(guān)技術(shù)來防止影響精度的不必要電流。本文給出了Keithley最著名的測試方法建議，用于優(yōu)化使用4200A-SCS進行低電流測量。
測量系統(tǒng)的偏置電流
建立超低電流測量系統(tǒng)的第一步是確定整個測量系統(tǒng)的偏置和漏電流，包括4200A-SCS本身、連接電纜、開關(guān)矩陣、測試夾具和探頭。這確定了整個系統(tǒng)的噪聲下限，并設(shè)置了一個起點，以便在可能的情況下對系統(tǒng)進行改進。首先測量源測量單元（SMU）的偏移量，然后繼續(xù)添加測量電路中的組件，直到除被測（DUT）外所有組件都連接上。測量直接使用Clarius軟件控制4200-SMU與4200-PA遠程前置放大器來完成。
內(nèi)部偏置
理想的電流表在輸入端子為開路的情況下，回讀電流大小應(yīng)為零。然而，現(xiàn)實情況中電流表在輸入端開路時確實有一些小電流流過。這種電流被稱為輸入偏置電流，是由有源器件的偏置電流和通過儀器內(nèi)部絕緣體的漏電流產(chǎn)生的。SMU內(nèi)產(chǎn)生的偏置電流可以參考4200-SMU的技術(shù)規(guī)格。如圖1所示，輸入偏置電流加到被測電流上，因此儀表測量值為兩個電流之和：IMEASURE = ISOURCE + IOFFSET
圖1. SMU的輸入偏置電流
測量帶有4200-PA前置放大器的每個4200-SMU的偏置時，除了金屬帽外，F(xiàn)orce HI和Sense HI端子沒有任何連接。這些金屬帽包含在系統(tǒng)備件中。在進行任何測量之前，應(yīng)將前置放大器連接到SMU上，并前置放大器的Force HI和Sense HI端子接上金屬帽，對SMU預(yù)熱至少一小時。偏置電流可以使用“Low Current Project”項目來測量，該項目可以在項目庫的選擇視圖中找到，或直接搜索“Low Current”獲取。圖2顯示了Clarius軟件應(yīng)用程序中的這個項目。
圖2. Low Current Project在Clarius應(yīng)用中
打開這個項目，選擇SMU1offset測試項，測量SMU1的偏置電流。選擇Analyze，然后運行測試。結(jié)果應(yīng)該類似于圖3所示的圖形。可能需要使用自動縮放功能來適當?shù)乜s放曲線。右鍵單擊圖形可以找到自動縮放功能。當4200-PA前置放大器連接到SMU時，偏置電流應(yīng)該在fA量級內(nèi)。偏置電流可以是正的，也可以是負的。可用SMU標的的電流表規(guī)格來驗證這些結(jié)果。應(yīng)該重復(fù)此操作對系統(tǒng)中的每個SMU進行單獨的測量。Low Current Project會對四個帶前置放大器的 SMU進行偏置電流測量的測試。
圖3. SMU1的偏置電流測量
輸入偏移電流規(guī)格可以通過在Clarius中執(zhí)行自動校準程序來進行優(yōu)化。執(zhí)行SMU自動校準，請在“Tools”菜單中選擇“SMU auto calibration”。在執(zhí)行自動校準之前，至少需要開機預(yù)熱60分鐘。除了金屬帽外，SMU的force HI和sense HI端子上不應(yīng)連接任何東西。自動校準程序調(diào)整系統(tǒng)中所有SMU的所有源和測量功能中的電流和電壓偏置。這里不要與全系統(tǒng)校準相混淆，應(yīng)每年在授權(quán)的機構(gòu)完成一次對4200A-SCS 的全系統(tǒng)校準。一旦執(zhí)行了SMU自動校準，就可以對偏移電流進行重復(fù)測量。
外部偏置
一旦電流表的偏置已經(jīng)確定，在添加測試電路的每一個環(huán)節(jié)后，通過重復(fù)電流（加載0V）對時間的圖來驗證系統(tǒng)其余部分的偏置。每次重復(fù)測試時，之前的運行都保存在歷史運行面板中。最后，對處于“UP”位置的探頭末端或?qū)ξ催B接設(shè)備的測試夾具進行測量。這一過程將有助于確定故障點，如電纜短路或測量電路的不穩(wěn)定。但是，要注意連接和斷開電纜時會在電路中產(chǎn)生電流。對于進行超低電流測量，在改變測試電路中的連接后，可能需要等待幾分鐘到幾小時使寄生電流衰減。圖4顯示了1）僅接入force HI端子的SMU 的偏移量；2）前置放大器上僅帶三軸電纜；3）通過Keithley 7174A低電流開關(guān)矩陣到探針臺上處于“UP”位置的探頭。
圖4. 整個測試系統(tǒng)的偏置電流測量
在生成電流-時間圖時，通過施加測試電壓來重復(fù)此測試，以確定測量電路中的任何泄漏電路。相較施加零伏偏置，使用測試電壓加載到DUT上進行實際測量。現(xiàn)在測試夾具和電纜中的任何泄漏電流將被檢測到并體現(xiàn)在圖表中。如果泄漏電流看起來過高，可以對測量電路進行調(diào)整，以減少泄漏電流。參考標題為“泄漏電流和 Guard”的章節(jié)，其中描述了減少泄漏電流的方法。
測量誤差的來源和減少測量誤差的方法
一旦確定了電流偏移、泄漏電流和任何不穩(wěn)定性，采取措施減少測量誤差將有助于提高測量精度。這些誤差來源包括穩(wěn)定時間不足、靜電影響、泄漏電流、摩擦起電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、污染、濕度、接地回路、光線和源內(nèi)阻。圖5總結(jié)了本節(jié)討論的一些產(chǎn)生電流的量級。
圖5. 產(chǎn)生電流的典型幅度
穩(wěn)定時間和時間菜單設(shè)置
在進行小電流和高電阻測量時，測量電路的穩(wěn)定時間特別重要。穩(wěn)定時間是開啟測量時在施加或改變電流或電壓后達到穩(wěn)定所需的時間。影響測量電路穩(wěn)定時間的因素包括并聯(lián)電容（CSHUNT）和源電阻(RS)。并聯(lián)電容是由連接的電纜、測試夾具、開關(guān)和探頭造成的。DUT的內(nèi)阻越高，穩(wěn)定時間越長。并聯(lián)電容和內(nèi)阻如圖6中的測量電路所示。
圖6. SMU測量電路包括CSHUNT和RS
因此，需要5τ 或50秒的穩(wěn)定時間，將讀數(shù)波動穩(wěn)定到最終值的1%以內(nèi)！圖7顯示了進入RC電路的階躍電壓的指數(shù)響應(yīng)。經(jīng)過一個時間常數(shù)（τ =RC）后，電壓上升到最終值的63%以上。
圖7. RC電路對階躍電壓的指數(shù)響應(yīng)
要成功地進行低電流測量，為每次測量添加足夠的時間是非常重要的，特別是掃描電壓時。可以在 Sweep Mode的sweep delay字段或sampling Mode的interval time字段的test setting菜單中進行設(shè)置。為了驗證要增加多少間隔時間，可以通過繪制電流與時間到階躍電壓的關(guān)系來測量 DUT的穩(wěn)定時間。步進電壓應(yīng)該是DUT實際測量中使用的偏置電壓。在Low Current Project測試項中可以用來進行穩(wěn)定時間的測量。
測試設(shè)置菜單中的采樣點數(shù)可能需要增加，以確保穩(wěn)定讀數(shù)將顯示在圖形上。在進行低電流測量時，使用Quite Speed Mode或添加額外的濾波。需要注意的是，有一個去除噪聲和測試速度的權(quán)衡。濾波和延遲越多，噪聲就會越少，但測量速度就會越慢。
靜電干擾和屏蔽
當帶電物體接近被測電路時，就會發(fā)生靜電耦合或干擾。在低阻抗水平下，干擾的影響并不明顯，因為電荷會迅速消散。然而，高電阻材料不允許電荷快速衰減，這可能導致測試結(jié)果的不穩(wěn)定、有較大的噪聲。通常，當電流測量≤1nA或電阻測量≥1GΩ時，靜電干擾是測量中必須考慮的一個問題。
為了減少電場的影響，可以將被測量的電路封閉在靜電屏蔽殼體中。圖8說明了100GΩ電阻器的非屏蔽和屏蔽測量之間的巨大差異。未屏蔽的測量比屏蔽的測量噪聲大得多。
圖8. 100GΩ電阻器上的屏蔽與非屏蔽測量
屏蔽可以只是一個簡單的金屬盒或網(wǎng)格罩，包裹測試電路。商用探針臺通常將敏感電路封閉在靜電屏蔽內(nèi)。屏蔽連接到測量電路LO端，不一定接地。在4200-SMU的情況下，屏蔽連接到如圖9所示的 Force LO端子。
圖9. 屏蔽裝置高阻抗測試
最小化由于靜電耦合而產(chǎn)生的誤差電流 :
屏蔽DUT并將外殼和測試電路的公共端，4200A-SCS的Force LO端子短接
所有帶電物體（包括人）和導體遠離測試電路的敏感區(qū)域
避免在測試區(qū)域附近移動和發(fā)生振動
泄漏電流和Guard
泄漏電流是當施加電壓時流經(jīng)絕緣電阻或從中泄漏的錯誤電流。當DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當時，這種錯誤電流就成為一個問題。為了減少泄漏電流，需要在測試電路中使用質(zhì)量好的絕緣材料，降低測試實驗室的濕度，并使用保護技術(shù)。
Guard是一個由低阻抗源驅(qū)動的導體，其輸出與高阻抗終端處于或接近相同的電位。Guard端子用于保護測試夾具和電纜的絕緣電阻和電容。Guard端子是圖10所示的三軸連接器/電纜的內(nèi)部屏蔽。
圖10. 4200A三同軸接口、線纜定義
Guard不應(yīng)與屏蔽混淆。屏蔽通常意味著使用金屬外殼來防止靜電干擾影響高阻抗測試電路。Guard意味著使用一個附加的低阻抗導體，與高阻抗電路保持相同的電位，它將攔截任何干擾電壓或電流。Guard并不一定提供屏蔽。下面的段落概述了兩個Guard的例子：1）使用Guard來減少由于測試夾具造成的泄漏，2）使用 Guard 來減少由于布線造成的泄漏電流。
圖11顯示了Guard如何消除可能流過測試夾具中隔離絕緣材料的泄漏電流。在圖11a中，泄漏電流(IL)流過隔離絕緣材料(RL)。該泄漏電流加到DUT(IDUT)的電流中，由SMU電流表(IM)測量，對低電流測量的精度產(chǎn)生不利影響。
圖11. 使用Guard以減少測試夾具的泄漏
圖11b中，金屬掛板連接到SMU的Guard端子上。絕緣固定支架的頂部和底部的電壓幾乎處于相同的電位(0V降)，因此不會有泄漏電流流過隔板影響測量精度。出于安全目的，金屬屏蔽必須連接到接地點，因為底部的金屬安裝板將在Guard電位。
Guard也可用于減少布線中的泄漏電流。圖12說明了驅(qū)動保護如何防止電纜的泄漏電阻降低低電流測量的性能。在無保護配置中，同軸電纜的泄漏電阻與DUT(RDUT)平行，產(chǎn)生不需要的泄漏電流(IL)。這種泄漏電流會削弱微弱電流測量。
在保護電路中，三軸電纜的內(nèi)屏蔽連接到SMU的Guard端子上。現(xiàn)在這個屏蔽由一個增益單位、低阻放大器(Guard)構(gòu)成的驅(qū)動。ForceHl端子和Guard 端子之間的電位差接近0V，因此消除了泄漏電流(lL)。
圖12. 使用Guard減少電纜中的漏電流
對比使用三軸電纜和同軸電纜進行高阻測量時的結(jié)果，圖13顯示了加載10V階躍電壓到100GΩ電阻，電流 vs.時間的測試結(jié)果。三同軸電纜啟用Guard，從兩個方面改進測量：1）它降低了有效的電纜電容從而降低了RC時間常數(shù)或測量的穩(wěn)定時間，2）它防止電纜的泄漏電阻提升了測量精度。
圖13. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結(jié)果對照
從圖13的圖表中可以看到，使用帶保護的三軸電纜可以在測量電流具有更低的泄漏電流（小幾PA）和更快的穩(wěn)定時間（大約快十倍）。
如果SMU必須連接到帶有BNC連接器的測試夾具，則使用Keithley三軸電纜連接SMU和測試夾具，然后使用三同軸轉(zhuǎn)BNC的適配器（去除Guard）將電纜連接到測試夾具。
SMU連接到DUT
除了在連接DUT時使用屏蔽和Guard外，4200A-SCS與設(shè)備的接入位置也是非常重要的。SMU Force Hl和Force Lo端子連接不當會導致電流偏移，測量結(jié)果不穩(wěn)定。這些誤差是由共模電流引起的。
一般情況下，始終將SMU的高阻端子（Force HI）連接到被測電路的最高電阻點上。同樣，始終將4200A-SCS的低阻端子（Force LO）連接到被測電路的最低電阻點。最低電阻點可以是一個公共端子或接地點。如果Force HI端子連接到低阻端，那么共模電流可以通過測量電路，從而影響測試結(jié)果。
圖14給出了正確的和不正確的測量連接。圖14a為正確的連接方式，因為4200-SMU的Force Hl端子連接在晶圓上的被測器件的柵極上，F(xiàn)orce LO端子連接在接地卡盤上。晶圓上的柵極端子是最高阻抗點，接地的卡盤是低阻抗點，所以這個電路是正確連接。注意，共模電流從SMU的Force LO端子流向接地卡盤；但是，電流不會流過安培計，因此不會影響測量。
圖14. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結(jié)果對照
圖14b顯示了將高阻柵極端子與SMU的Force LO端子連接，接地卡盤和SMU的Force HI端子連接的不恰當連接方式。在這種情況下，共模電流將流過SMU以及DUT。這將導致測試結(jié)果的不準確，甚至無法穩(wěn)定測量。
摩擦電效應(yīng)
摩擦電流是由導體和絕緣體之間因摩擦產(chǎn)生電荷而形成的。在這里，自由電子與導體摩擦，產(chǎn)生電荷不平衡，導致電流流動。這種噪聲電流可以在幾十nA的范圍內(nèi)。圖15展示了摩擦電流的流動情況。
圖15. 摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生的偏置電流
與4200A-SCS配套使用的三軸電纜通過在外層屏蔽下使用石墨浸漬絕緣材料，大大降低了這種影響。石墨供潤滑和一個導電圓筒，以均衡電荷，并將電纜運動產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的電荷降至最低。然而，即使是這種類型的三軸電纜，在受到振動、膨脹或收縮時也會產(chǎn)生一些噪聲。因此，所有連接都應(yīng)盡可能的短，遠離溫度變化（這會產(chǎn)生熱膨脹力），最好用膠帶或軋帶將電纜固定到非振動表面，如墻壁、工作臺或剛性結(jié)構(gòu)上。
還應(yīng)采用其他技術(shù)來盡量減少移動和振動問題：
移除振動源，如電機、泵和其他機電設(shè)備，或者使用機械減震
安全地安裝或固定電子元件、電線和電纜
安裝前置放大器時，盡可能靠近被測
壓電和存儲電荷效應(yīng)
當某些晶體材料使用絕緣端子和互聯(lián)硬件固定時，施加機械應(yīng)力就會產(chǎn)生壓電電流。在某些塑料中，儲存的電荷使材料表現(xiàn)出類似于壓電材料的特性。圖16所示為帶有壓電絕緣體的端子的一個例子。
圖16. 壓電效應(yīng)產(chǎn)生的偏置電流
為了使這些影響最小化，需要從絕緣體消除機械應(yīng)力和使用盡可能小的壓電和儲存電荷的絕緣材料。
污染和濕度影響
高濕度或離子污染可顯著降低測試夾具的絕緣電阻。高濕度條件下會發(fā)生冷凝或吸水，而離子污染可能是人體油脂、鹽或焊料助焊劑的結(jié)果。絕緣電阻的降低會對高阻抗測量產(chǎn)生嚴重的影響。此外，濕度或濕氣可以與任何污染物結(jié)合，產(chǎn)生電化學效應(yīng)，從而產(chǎn)生偏置電流。例如，常用的環(huán)氧印刷電路板，當蝕刻液、助熔劑或其他污染物未被徹底清洗時，可在導體之間產(chǎn)生幾nA的電流（見圖17）。
圖17. 離子污染和濕度產(chǎn)生的電流
為了避免污染和濕度的影響，選擇抗水分吸收的絕緣子，并保持濕度在中等水平（理想情況下<50%）。此外，確保測試系統(tǒng)中的所有組件和測試夾具保持清潔和無污染。
地回路
地回路可以產(chǎn)生雜散信號，可能是直流偏置或AC信號（通常是工頻或工頻的倍數(shù)）。接地回路是由測試電路中的多個接地引起的。接地回路的一個典型例子是將多個儀器插入不同儀器架上的電源排。通常，接地點之間存在微小的電位差，這可能會導致生產(chǎn)大電流，并產(chǎn)生意想不到的電壓下降。
圖18所示的配置顯示了通過將4200A-SCS信號公共（Force LO）和DUT LO連接到地而構(gòu)成的接地回路。回路中流過的大接地電流會遇到小電阻，要么在導體中，要么在連接點上。這個小電阻會導致電壓下降，從而影響性能。
為了防止接地回路，測試系統(tǒng)應(yīng)該只在一個點接地。如果不能拆除DUT接地，則應(yīng)拆除4200A-SCS GNDU公共端子與機箱接地之間的接地鏈路，如圖19 所示。
圖18. 地回路
圖19. 消除接地回路
結(jié)論
當配置可選的4200-PA遠程前置放大器時，4200A-SCS參數(shù)分析儀可以精確測量皮安或更小的電流。要測量整個測量系統(tǒng)的偏置電流，以確定系統(tǒng)的局限性，因此可以在必要時進行調(diào)整。通過使用諸如屏蔽、Guard和儀器適當接地等技術(shù)，以及在Clarius軟件中選擇適當?shù)脑O(shè)置，包括允許足夠的穩(wěn)定時間，可以減少測量誤差的來源。Keithley的《低電平測量手冊》提供了關(guān)于最佳低電流測量技術(shù)的進一步原理性描述。
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