Использование метода линейного изменения скорости для выполнения квазистатических измерений C-V с помощью анализатора параметров полупроводников Keithley 4200A-SCS

Введение

Современная электрофизика полупроводников немыслима без измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ), или т.н. CV-метрии, что подразумевает измерение ёмкости полупроводниковых структур как функции от приложенного постоянного напряжения смещения. Именно эти измерения дают возможность быстрого определения базовых параметров слоёв полупроводников и диэлектриков, которые затруднительно измерить прямыми методами. В их числе: тип проводимости и концентрация легирующих примесей полупроводника, характеристики глубоких энергетических уровней, генерационное время неравновесных носителей заряда, плотности поверхностных состояний и их распределение по энергиям, толщина диэлектрика, напряжения плоских зон, пороговые напряжения МОП-структур и др.

Измерения ёмкости-напряжения (C-V) обычно выполняются с использованием метода измерения на переменном токе. Однако в некоторых случаях требуется метод измерения на постоянном токе. Такой метод называют квазистатическими измерениями C-V (или QSCV), поскольку они выполняются на очень низкой тестовой частоте, то есть почти на постоянном токе. Эти измерения обычно включают изменение напряжения постоянного тока и измерение результирующего тока или заряда. Некоторые из методов, используемых для квазистатических измерений C-V, включают метод заряда с обратной связью и метод линейного изменения. Анализатор параметров полупроводников Keithley 4200A-SCS (рисунок 1) использует новый метод, метод линейного изменения скорости, в котором используются два источника-измерителя (SMU) Keithley 4200-SMU с двумя предусилителями Keithley 4200-PA (рисунок 2).

Рисунок 1. Анализатор параметров полупроводников Keithley 4200A-SCS

Дополнительные предусилители Keithley 4200-PA требуются, поскольку этот тест включает в себя генерацию и измерение тока в пикоамперном диапазоне. SMU используются в качестве источника тока для зарядки конденсатора, а затем для измерения напряжения, времени и тока разрядки.

Рисунок 2. Предусилитель Keithley 4200-PA для работы в пикоамперном диапазоне

Программное обеспечение рассчитывает ёмкость как функцию напряжения на основе измеренных параметров и отображает кривую на дисплее Keithley 4200A-SCS.

Метод линейной скорости

На рисунке 3 показана базовая схема подключения для метода линейного изменения скорости. Для этой конфигурации требуется два модуля Keithley 4200-SMU с модулями Keithley 4200-PA, подключёнными к обеим сторонам тестируемого устройства. Поскольку метод изменения скорости работает в ограниченном диапазоне, ёмкость тестируемого устройства должна находиться в диапазоне от 1 пФ до примерно 400 пФ.

Рисунок 3. Базовая схема подключения для измерения ёмкости с использованием метода изменения скорости

По сути, метод линейного изменения скорости работает путем зарядки тестируемого устройства до определённого напряжения линейно увеличивающимся напряжением с заданной пользователем скоростью (т.н. пилообразная форма или рамп) с использованием SMU в качестве источника тока. Как только устройство зарядится, ток противоположной полярности принудительно разряжает устройство, поскольку SMU измеряет напряжение как функцию времени.

Второй SMU измеряет разрядный ток. Из измеренных значений напряжения (V), тока (I) и времени (t) ёмкость (C) определяется как функция напряжения и времени:

C=dQ/dV

Q=∫Idt

Метод изменения скорости, включённый в Keithley 4200A-SCS, следует следующим шагам при выполнении измерений QSCV.

1. Зарядка устройства

Ток предварительной зарядки 100 пА подаётся на тестируемое устройство с помощью источника-измерителя, называемого ForceSMU, до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение соответствия. Напряжение соответствия задаётся пользователем и называется VStart. Полярность тока предварительной зарядки такая же, как и полярность напряжения VStart. Если ток предварительной зарядки недостаточен для достижения VStart устройства, будет сгенерирована ошибка тайм-аута.

2. Смещение устройства в течение заданного времени перед разверткой

На тестируемое устройство подаётся напряжение смещения при напряжении VStart в течение заданного пользователем времени (PreSoakTime) до развёртки.

3. Применение линейного изменяющегося тока для разряда устройства

После того, как устройство находится под смещением в течение заданного времени, к устройству подается линейно изменяющийся ток для разрядки устройства. Ток разрядки имеет противоположную полярность, чем ток предварительной зарядки. Значение тока рампы равно:

Iramp=CVal×RampRate,

где CVal – оценочное значение ёмкости, введённое пользователем в фарадах (F), RampRate – вводимая пользователем скорость изменения напряжения (dV/dt) в В/с.

4. Одновременный запуск источников-измерителей для выполнения измерений

Источник-измеритель, который является ForceSMU (рисунок 3), измеряет напряжение (V1, V2, V3, … Vn) и время (T1, T2, T3, … Tn). Источник-измеритель, который является MeasureSMU, измеряет ток (I1, I2, I3, … In). Измерения напряжения, времени и тока выполняются до тех пор, пока не будет достигнута противоположная полярность напряжения VStart.

5. Расчет выходных значений напряжения, времени и ёмкости

В режиме реального времени параметры извлекаются из измерений и отображаются на листе или графике. Этими параметрами являются напряжение (Vout), время (Tout) и ёмкость (Cout), они рассчитываются следующим образом:

Vout=(V2+V1)/2
(т.е. среднее значение двух измеренных напряжений);

Tout=T2
(т.е. время проведения второго измерения);

Cout=I2/(dV/dt),
где dV=V2–V1 и dt=T2–T1.

Как проводить квазистатические измерения C-V с помощью программного обеспечения Clarius (используется на Keithley 4200A-SCS)

Программное обеспечение Clarius включает пользовательский модуль для выполнения квазистатических измерений C-V с использованием метода линейного изменения скорости. Этот пользовательский модуль, meas_qscv, расположенный в пользовательской библиотеке QSCVulib, может быть открыт как пользовательский тест из проекта.

Настройка параметров в meas_qscv в пользовательском модуле

После того, как вы создали тест с помощью пользовательского модуля, вам нужно ввести несколько параметров. Настраиваемые параметры пользовательского модуля meas_qscv перечислены в таблице.

Более подробное описание входных параметров

ForceSMU: SMU, который подает ток на тестируемое устройство и измеряет напряжение как функцию времени. Этот источник-измеритель должен иметь предусилитель, потому что он будет генерировать ток в пикоамперном диапазоне.

MeasureSMU: SMU, который будет измерять ток в цепи. Этот источник-измеритель должен иметь предусилитель, потому что он будет измерять ток в пикоамперном диапазоне.

VStart: это одновременно начальное и конечное напряжение развёртки C-V, поскольку развёртка C-V всегда симметрична относительно 0 В.

CVal: введите как минимум приблизительное значение максимальной ёмкости тестируемого устройства. Это значение используется для определения величины тока источника для зарядки устройства.

RampRate: скорость изменения напряжения (наклон характеристики) в В/с. Если скорость линейного изменения слишком высока, в развёртке будет недостаточно точек данных. Если скорость рампы слишком медленная, показания могут быть зашумлены. Чтобы найти оптимальную настройку для конкретного устройства, могут потребоваться некоторые эксперименты.

PreSoakTime: продолжительность времени в секундах для подачи напряжения VStart на устройство до начала развёртки C-V. Укажите достаточное время для зарядки устройства и достижения равновесия.

TimeOut: интервал времени, в течение которого устройство заряжается до напряжения VStart до истечения времени ожидания тестового модуля. В некоторых случаях, например, когда устройство закорочено, оно может не достигать напряжения VStart; этот параметр позволяет модулю автоматически останавливаться и генерировать сообщение об ошибке. По умолчанию установлено значение 10 секунд.

Выполнение квазистатического измерения C-V

Пользовательский модуль meas_qscv можно открыть в проекте, выбрав новый пользовательский тест в библиотеке тестов. Затем выберите «Настроить» в верхнем левом углу экрана и на правой панели выберите пользовательскую библиотеку QSCVulib и пользовательский модуль meas_qscv. Затем вы можете ввести соответствующие значения в зависимости от вашего приложения. Однако Keithley уже создал тест и проект, входящий в библиотеку, который выполняет квазистатические измерения C-V с использованием пользовательского модуля meas_qscv.

Дерево проекта для квазистатического измерения C-V с использованием проекта Ramp Rate (ramprate-cvsweep) показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Дерево проекта для квазистатического измерения C-V с использованием проекта Ramp Rate (qscv)

Этот проект содержит тест под названием «Ramprate-cvsweep» для проведения измерений на устройстве MOSFET. Панель конфигурации для настройки параметров теста показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Панель конфигурации для теста Ramprate-cvsweep

В этом тесте SMU1 (ForceSMU) и SMU2 (MeasureSMU) используются для выполнения измерений C-V. Значение VStart установлено на 4 В, так что это будет генерировать развертку напряжения от –4 В до 4 В. Приблизительное значение ёмкости составляет 10 пФ, поэтому оно было введено в качестве параметра CVal. Это значение ёмкости CVal будет использоваться для определения скорости линейного изменения тока. Если это число слишком низкое (например, 1E–12 вместо 10E–12), измерения ёмкости будут выглядеть зашумлёнными. Значение RampRate было установлено на 0,7 В/с. В этом случае большее значение RampRate (1 В/с) даст несколько более плавную кривую, но будет иметь меньше точек данных. Чем меньше значение RampRate (0,1 В/с), тем кривая будет более зашумлённой с большим количеством точек данных. На практике необходимо поэкспериментировать, чтобы определить оптимальные настройки для конкретного тестируемого устройства.

После подключения устройства к двум источникам-измерителям и создания теста с требуемыми входными параметрами можно выполнить развертку C-V. Результаты такой развертки показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Квазистатическая развертка C-V для MOSFET транзистора

Оптимизация измерений

При выполнении квазистатических измерений C-V с использованием метода линейного изменения скорости необходимо использовать различные приёмы для оптимизации точности измерений. Эти приёмы включают в себя внедрение методов измерения слабого тока и выбор соответствующих настроек в программном обеспечении.

Поскольку использование метода линейного изменения включает в себя подачу и измерение тока на уровне пикоампер, должны быть реализованы методы измерения малых токов. Необходимо использовать триаксиальные кабели, входящие в комплект поставки анализатора параметров полупроводников Keithley 4200A-SCS, которые экранированы и позволяют проводить защищённые измерения. Чтобы уменьшить шум из-за электростатических помех, необходимо экранировать тестируемое устройство, поместив его в металлический корпус и подключив экран к клемме Force LO 4200A-SCS.

Настройки параметров в модуле meas_qscv, которые больше всего влияют на измерения, – это CVal и RampRate. CVal – приблизительное значение ёмкости тестируемого устройства. Если введено значение, которое больше, чем у фактического устройства, то RampRate будет больше, а точек данных будет меньше. И наоборот, если введённое значение ёмкости меньше фактической ёмкости устройства, RampRate будет ниже, и на кривой будет больше точек данных. Стоит использовать максимально возможную RampRate, но при этом необходимо убедиться, что кривая устройства выглядит стабильной. Однако, если значение RampRate слишком велико, в развёртке может оказаться недостаточно точек.

Чтобы уменьшить уровень шума кривой, можно использовать функцию скользящего среднего (MAVG).

Чтобы вычесть смещение из-за кабелей и станции датчиков, сгенерируйте развёртку C-V с помощью модуля meas_qscv с поднятыми датчиками или с разомкнутой цепью в тестовом приспособлении. Используя Formulator, возьмите среднее значение показаний. Вычтите это среднее значение смещения из измерений ёмкости тестируемого устройства.

Выводы

Квазистатические измерения C-V можно выполнять с помощью анализатора параметров полупроводников Keithley 4200-SMU с предусилителями, используя метод линейного изменения скорости. Этот метод реализован программно в модуле meas_qscv пользовательской библиотеки QSCV_uslib программного обеспечения Clarius. Использование методов измерения низкого уровня и выбор соответствующих значений параметров в программном обеспечении обеспечат оптимальные результаты.

Использованные материалы

«Using the Ramp Rate Method for Making Quasistatic C-V Measurements with the Model 4200-SCS Semiconductor Characterization System» (руководство по применению компании Keithley).