Анализатор полупроводниковых устройств Agilent B1500A

Выполнение измерений IV- и CV- характеристик при помощи Agilent B1500A MFCMU и SCUU

Инструкция по применению B1500-3

Введение

Для определения параметров полупроводниковых приборов необходимы измерения как IV- (вольтамперных), так и VC- (вольтфарадных) характеристик. Для современных технологических процессов обычно требуется, чтобы точные измерения IV- и CV- характеристик устройств на полупроводниках выполнялись за один проход. Анализатор полупроводниковых устройств Agilent B1500A, собранный в едином базовом блоке, обеспечивает измерение IV- и CV- характеристик при однократном проходе за счет использования нового MFCMU (многочастотного блока измерения емкости), размещенного в одном слоте, и двух измерителей SMU (блоков генератора/измерителя). Измерение IV- и CV-характеристик с помощью прибора, использующего один щуп, представляет собой довольно сложную задачу. При измерениях IV-характеристик на основе SMU используются триаксиальные разъемы, в то время как для измерений CV-характеристик на основе CMU (блока измерения емкости) применяются разъемы BNC. Переключение между этими двумя режимами работы является довольно сложным и трудоемким процессом и зачастую приводит к погрешностям в измерениях. В качестве примера можно привести метод ручного переключения измерительных кабелей с одновременным удержанием щупа на полупроводниковой пластине.
В этом случае электрический заряд, возникающий в результате трения при переключении кабелей, может привести к повреждению устройства. Для получения точных результатов кроме разрешения проблем, связанных с переключением кабелей, также необходимо правильно настроить параметр компенсации погрешности, относящийся к измерениям емкости. Унифицированный блок SMU CMU прибора B1500A (SCUU) решает эти проблемы. SCUU обеспечивает точное и простое переключение между измерениями IV- и CV-характеристик без трудностей и затрат, типичных для внешней коммутационной матрицы. В настоящей инструкции приведен порядок настройки системы точных измерений IV- и CV- характеристик при помощи B1500A.

Выполнение основных измерений емкости при помощи B1500A

На рисунке 1 приведена базовая схема подключения кабелей для выполнения измерений CV- характеристик на полупроводниковой пластине. Сначала подключите удлинительный кабель с четырьмя контактными парами (4ТР) к измерительным клеммам блока MFCMU прибора B1500A. Схема подключения 4ТР аналогична подключению Кельвина при выполнении измерений IV-характеристик и способна свести ошибки, возникающие в связи с паразитными сигналами кабеля, к минимуму. Она также обеспечивает наилучшую точность при удлинении измерительного кабеля. Для повышения точности измерений проложите удлинительный кабель 4TP как можно ближе к тестируемому прибору. Затем подключите экранированный кабель с двумя (2Т) или тремя (3Т) контактными парами к измерительному манипулятору. Для подключения щупа, как правило, применяется 3Т-схема.

Рисунок 1. Базовые схемы подключения манипулятора

На рисунке 2 показано различие между 2T и 3T схемами подключения экранированных кабелей. При использовании 2T кабеля манжеты экранирования измерительного кабеля соединены друг с другом на конце измерительного кабеля. При использовании кабеля 3Т манжеты экранирования измерительного кабеля не соединены на конце измерительного кабеля. При использовании конфигурации с 2T схемой измерения более стабильны и точны, чем при использовании 3T. Это обусловлено тем, что остаточная индукция в экранированном кабеле 2T представляет собой постоянную величину, определяемую конструкцией кабеля.

Рисунок 2. Различие между схемами подключения с использованием экранированного кабеля 2Т и с кабеля 3Т

Остаточная индукция не изменяется даже при перемещении кабелей, идущих к тестируемому прибору, что обеспечивает стабильность и точность измерений. Остаточная индукция экранированного кабеля 2Т представляет собой постоянную характеристику по той причине, что наведенный ток в защитном экране имеет ту же величину, что и ток в экранированном проводнике, но течет в обратном направлении. Этот наведенный ток помогает изолировать магнитный поток, создаваемый током в измерительном кабеле, и, таким образом, поддержать постоянное и невысокое значение остаточной индукции кабеля. С другой стороны, при использовании схемы с кабелями 3Т обратный ток не возникает. В случае применения такой схемы остаточная индукция определяется случайным расположением кабелей. Поскольку расположение кабелей изменяется неконтролируемо, обеспечить постоянную величину и стабильность остаточной индукции довольно сложно. Вибрации в испытательной среде приводят к изменению остаточной индукции измерительного кабеля, делая ее нестабильной. По этой причине компенсировать остаточную индукцию измерительных кабелей при использовании 3Т- конфигурации непросто. Иногда этот эффект называют "проблемой обратной цепи". Она возникает в том случае, когда защитные экраны не замыкаются у конца кабеля при использовании кабелей 3Т. Устранить данную проблему можно, если подсоединить защитные экраны так, как показано на рисунке 2.

Чтобы обеспечить получение точных результатов измерения емкости, необходимо выполнить три основных условия: во-первых, минимизировать ошибки, вызываемые паразитными сигналами; во-вторых, стабилизировать погрешности; в- третьих, обеспечить их эффективную компенсацию. На Рисунке 3 приведен пример схемы с использованием кабеля 2Т, создающей относительно короткую цепь до наконечника щупа. Чем короче тракт, тем меньше вероятность возникновения паразитных сигналов, создающих ошибки измерения (типичная погрешность в данном случае возникает за счет остаточной индукции в измерительном кабеле). За счет применения экранированного кабеля 2Т по всей цепи до наконечников щупов можно свести длину экранированного кабеля 3Т к минимуму. Это уменьшит длину нестабильной части измерительной схемы и облегчит процесс компенсации погрешностей с помощью соответствующих методов.

Рисунок 3. Остаточная индукция не оказывает значительного воздействия на точность измерений.

Важные моменты при автоматизации выполнения измерений IV- и CV-характеристик

Как было указано выше в настоящей инструкции, обеспечить простоту и точность выполнения измерений CV- характеристик достаточно легко. Однако задача усложняется, если необходимо выполнить точные измерения IV- и CV-характеристик в автоматизированной испытательной среде. На рисунке 4 приведена идеальная схема, обеспечивающая точные измерения слаботочных IV-характеристик, в которой для подключения SMU к входной клемме манипулятора щупа полупроводниковой пластины используется триаксиальный кабель. Центральный проводник кабеля и защитный экран подключаются к тестируемому прибору через экранированный наконечник щупа.

Рисунок 4. Пример идеальной (не-Кельвиновской) схемы для измерения IV-характеристик полупроводниковой пластины.

На рисунке 5 приведен пример хоть и несколько иной, но все же аналогичной схемы точного измерения CV- характеристик. Тракт после точки перехода с 4ТР на экранированный 2Т аналогичен схеме, применяемой для измерений IV-характеристик, однако существуют два основных различия. Во-первых, на тех участках цепи, на которых при измерениях IV- характеристик применяется триаксиальный кабель, в измерительной схеме для CV-характеристик используется коаксиальный кабель. Во-вторых, в схеме для измерения CV- характеристик между экранами измерительного кабеля и щупом манипулятора есть соединительный провод, а в схеме измерения IV-характеристик его нет.

Рисунок 5. Пример идеальной схемы для измерения CV-характеристик полупроводниковой пластины.

Хотя схемы разводки кабелей, использующиеся для раздельного выполнения измерений CV- и IV-характеристик, показанные на рисунках 4 и 5, и являются сходными, имеющиеся различия значительно затрудняют создание единой схемы, которая позволит переключаться между режимами измерения IV- и CV-характеристик в автоматизированной испытательной среде. В следующем разделе инструкции показано, как можно использовать B1500A для выполнения измерений IV- и CV- характеристик по единой схеме с сохранением точности измерений и без каких-либо специальных знаний относительно измерений CV-арактеристик.

Решения Agilent B1500A IV/CV

На рисунке 6 приведена базовая схема кабельной разводки B1500A, которая используется для переключения между режимами измерения IV- и CV-характеристик. Измеритель SCUU прибора B1500A может переключаться между режимами измерения IV- и CV-характеристик без ущерба для точности измерений. Подключать SCUU к щупам можно при помощи кабеля длиной 1,5 или 3 м. Измерительные кабели от SCUU к манипулятору щупа можно удлинять при помощи двух триаксиальных кабелей или двух пар Кельвиновских (силовой и сигнальный) триаксиальных кабелей, которые приспособлены для изме- рений как IV-, так и CV- характеристик. Для обоих видов измерений необходимо подключить центральный сигнальный проводник триаксиального кабеля к центральному проводу измерительного зонда, а проводящий экран триаксиального кабеля – к внешнему экрану измерительного зонда. Подключение внешнего экрана к экрану измерительного зонда обеспечивает защиту от внешних наводок.

Рисунок 6. Применение B1500A для выполнения измерений CV-характеристик полупроводниковой пластины при помощи SCUU и GSWU.

Как показано на рисунке 5, экраны измерительных клемм CH и CL манипулятора щупа замкнуты вместе на конце каждого коаксиального измерительного кабеля, что позволяет добиться высокой точности системы измерения CV- характеристик. Блок предохранительного выключателя (GSWU) прибора B1500A используется для замыкания экрана измерительного кабеля во время проведения измерений CV-характеристик. Во время измерения IV-характеристик выключатель GSWU размыкается автоматически, что предотвращает потенциальную возможность повреждения измерителя SMU, т.к. в противном случае экраны двух SMU (которые, предположительно, обладают разницей потенциалов) были бы закорочены между собой.
Даже при использовании Кельвиновского триаксиального подключения между SCUU и манипулятором щупа значительная длина кабеля не окажет отрицательного воздействия на точность измерений. Все, что необходимо сделать – это наладить данную простую схему подключения, а также собрать и сохранить данные о компонен- тах погрешности остаточной индукции при помощи встроенных в программное обеспечение EasyEXPERT для B1500A стандартных программ компенсации воздействия открытия/закрытия и (при необходимости) нагрузки. Программное обеспечение EasyEXPERT берет на себя все переключения режимов IV-CV и компенсацию погрешностей, а также за счет управления модулем GWSU, устраняет «проблему обратной цепи» при выполнении измерений емкости. Программное обеспечение EasyEXPERT предоставляет возможность проведения более 100 прикладных тестов IV- и CV- характеристик. Просто выберите CV-алгоритм и нажмите кнопку – прибор начнет производить измерения. При использовании SCUU можно увеличить напряжение тока покоя при измерениях CV- характеристик в пределах ±100 В, что намного больше, чем диапазон ±25 В, стандартный для измерителей MFCMU. При использовании SCUU корректировка напряжения тока покоя в пределах ±100 В выполняется автоматически модулем SMU, подключенным к SCUU.

Рисунок 7. Пример подключения MFCMU и HRSMU прибора B1500A к измерителю SCUU при помощи переходного кабеля

На рисунке 7 приведен пример подключения блоков MFCMU и HRSMU прибора B1500A к измерителю SCUU при помощи 3-метрового переходного кабеля. GSWU подключен к управляющему терминалу SCUU, что обеспечивает автоматическое переключение GSWU.

Рисунок 8. Схема подключения SCUU и GSWU к манипулятору щупа полупроводниковой пластины

На рисунке 8 показана схема подключения SCUU и GSWU к манипулятору щупа полупроводниковой пластины. GSWU подключен к экрану манипулятора щупа рядом с основанием держателя манипулятора. Такое подключение создает цепь обратного тока при выполнении измерений CV- характеристик, что обеспечивает стабильность и точность показаний.

Заключение

Agilent B1500A в сочетании с блоками MFCMU, SMU, SCUU и GSWU обеспечивает точную и простую в эксплуатации систему, позволяющую переключаться между измерениями IV- и CV-характеристик. Программное обеспечение EasyEXPERT для прибора B1500A берет на себя все переключения режимов IVCV и компенсацию погрешностей. Для начала выполнения измерений следует просто выбрать IV- или CV- алгоритм и нажать кнопку.