I分析系統優化小電流測量- 引言
許多關鍵應用都需要能夠測量小電流的能力——比如pA級或更小。這些應用包括確定FET的柵極漏流、測試敏感的納米電子器件，以及測量絕緣體或電容的漏流。
4200-SCS型半導體特性分析系統配備可選的4200-PA型遠程前置放大器時，可提供非常卓越的小電流測量能力，分辨率達1E–16A。成功測量小電流不僅依賴于使用非常靈敏的安培計，例如4200-SCS型，而且還取決于系統的交互測試環境(KITE)軟件進行正確設置、使用低噪聲夾具和電纜連接、留有足夠的建立時間，以及采用能夠防止不希望的電流降低測量準確度的技術。本文介紹利用吉時利4200-SCS型優化小電流測量的最佳解決方案。
測量系統中的偏移電流
將系統配置為進行超低電流測量的前幾步之中有一步是確定整個測量系統的偏移和漏泄電流，包括4200-SCS本身、連接電纜、開關矩陣、測試夾具和探針。這可確定整個系統的噪底限值，并設置一個開始點，如果可能的話則進行改進。從測量源測量單元(SMU)的偏移開始，然后繼續增加測量電路組件，直到連接了除被測裝置(DUT)之外的全部組件。直接由帶有4200-PA遠程前置放大器的4200-SMU利用KITE軟件進行測量。
II分析系統優化小電流測量——內部偏移
對于理想的安培計，當其輸入端子保持開路時，其讀數應為零。然而，現實中的安培計在輸入開路時確實存在小電流。這一電流被稱為輸入偏移電流，是由于有源器件的偏置電流以及流過儀器中絕緣體的漏泄電流產生的。SMU內產生的偏移電流已包括在吉時利4200-SCS型的技術指標中。如圖1所示，輸入偏移電流增加至被測電流，所以儀表測量的是兩個電流之和。
圖1. SMU的輸入偏移電流
測量每個帶有4200-PA前置放大器的4200-SMU的偏移時，Force HI和Sense HI端子上除金屬帽外不連接任何東西。這些三銷金屬帽已包含在系統中。在進行所有測量之前，SMU應該在帶有連接至前置放大器的Force HI和Sense HI端子的金屬帽的條件下，預熱至少1個小時。如果系統安裝有7.1版或更高版本的KTEI，可采用以下目錄中名稱為“LowCurrent”的項目測量偏移電流：C:S4200kiuserProjectsLowCurrent
打開該項目，選擇SMU1offset ITM。點擊圖表標簽，并運行測試。結果應類似于圖2所示的圖形。可能需要利用自動縮放(Auto Scale)功能適當縮放曲線。在圖形上右擊，即可找到自動縮放功能。4200-PA前置放大器連接至SMU時，偏移電流應該在fA級。電流偏移可為正或負。根據公布的4200-SCS型的安培計技術指標驗證這些結果。
利用獨立ITM對系統中的每個SMU重復該項測試。LowCurrent項目具有可對帶有前置放大器的4個SMU進行偏移電流測量的ITM。
運行7.1版本之前的KTEI軟件的系統也很容易測量偏移電流。請按照以下步驟創建測試，對SMU1進行測量：
1. 在已創建的項目中，打開一個用于一般2端器件的新Device Plan(器件規劃)。
創建一個名稱為SMU1Offset的新ITM。為端子A選擇SMU1，端子B選擇GNDU。
圖2. SMU1的偏移電流測量
1. 在Definition標簽頁中進行如下設置：
SMU源測量配置：電壓偏置0V，10pA固定電流量程。
Timing菜單：靜音速度，采樣模式，0s間隔，20個樣本，1s保持時間，選中使能時標。
公式計算器：創建一個公式，利用標準差測量噪聲，NOISE=STDDEV(A1)。
再創建一個公式測量平均偏移電流：AVGCURRENT=AVG(A1)。
2. 在Graph標簽頁中進行如下設置(在圖形上右擊)：
定義圖形：X軸：時間
Y1軸：電流(A1)
數據變量：選擇在圖形上顯示NOISE。選擇在圖形上顯示AVGCURRENT。
完成配置后，保存測試并運行。結果應類似于圖2所示的圖形。對系統中的全部SMU重復該測試。
在KITE中執行自動校準程序，可優化輸入偏移電流技術指標。如需執行SMU自動校準，在KITE的工具菜單中點擊“SMU Auto Calibration”(SMU自動校準)。進行自動校準之前，使系統在上電后預熱至少60分鐘。除金屬帽之外，SMU的Force HI和Sense HI端子上不應連接任何東西。自動校準程序對系統中全部SMU的全部源和測量功能調節電流和電壓偏移。請勿將其與全系統校準混淆，后者應每年在吉時利工廠進行一次。
完成SMU自動校準后，即可重復進行偏移電流測量。
III分析系統優化小電流測量——外部偏移
確定了安培計的偏移電流后，將系統的其余部分逐步添加至測試電路，通過重復電流(0V)和時間圖，驗證系統其余部分的偏移(利用圖3中所示的“Append Run”按鈕)。最后，在“up”位置對探針末端或未連接器件的測試夾具進行測量。該過程將有助于確定任何故障點，例如短路的電纜或測量電路中的不穩定性。然而，要意識到，連接和斷開電纜都會在電路中產生電流。為了進行超低電流測量，可能有必要在改變測試電路的連接后等待幾分鐘至幾個小時，使雜散電流衰減。圖4中的圖形顯示的是以下條件下的偏移：1)SMU的Force HI端子上戴有金屬帽；2)前置放大器上僅連接一根三軸電纜；3)通過吉時利7174A型小電流開關矩陣至探針臺，“up”位置有一個探針。
圖3. Append按鈕
圖4. 整個測試系統的偏移電流測量
在生成電流-時間圖形時施加一個測試電壓，重復該項測試，確定測量電路中的漏泄電流。在DUT的實際測量中，使用的是測試電壓，而非零偏壓。現在，將測量并繪制測試夾具和電纜中的任何漏流。如果漏流太高，可對測量電路進行調節，減小漏流。關于減小漏流的方法信息，請參見本文“漏流和保護”部分。
IV測量誤差源及減小誤差的方法
確定了電流偏移、漏流及所有不穩定性后，采取措施減小測量誤差將有助于提高測量準確度。這些誤差源包括建立時間不足、靜電干擾、漏泄電流、摩擦效應、壓電效應、污染、濕度、接地環路，以及源阻抗。圖5中匯總了本節討論的部分電流的幅值。
圖5. 產生電流的典型幅值
建立時間和定時菜單設置
測量電路的建立時間在測量小電流和高電阻時尤其重要。建立時間是指施加或改變電流或電壓后測量達到穩定的時間。影響測量電路建立時間的因素包括并聯電容(CSHUNT)和源電阻(RS)。并聯電容是由于連接電纜、測試夾具、開關和探針造成的。DUT的源電阻越高，建立時間越長。圖6的測量電路中標出了并聯電容和源電阻。
圖6. 包含CSHUNT和RS的SMU測量電路
建立時間是RC時間常數τ的結果，其中：
τ = RSCSHUNT
以下為計算建立時間的一個例子，假設 CSHUNT = 10pF，RS = 1TΩ，那么：
τ = 10pF × 1TΩ = 10s
因此，讀數穩定至最終值的1%所需的建立時間為τ的5倍，也就是50秒。圖7所示為RC電路的階躍電壓指數響應。經過一個時間常數(τ = RC)后，電壓上升至最終值的63%。
圖7. RC電路的階躍電壓指數響應
為了成功測量小電流，重要的是每次測量留有足夠的時間，尤其是掃描電壓時。對于掃描模式，可在“ Sweep Delay”(掃描延遲)域的“Timing”(定時)菜單中添加建立時間；對于采樣模式，則在“Interval time”域內。為了確定需要增加多長間隔時間，通過繪制電流-時間圖，測量DUT穩定至某個階躍電壓的建立時間。階躍電壓應該是DUT實際測量中使用的偏執電壓。可利用LowCurrent項目中的ITM測量建立時間。應適當增加“Timing”(定時)菜單中的“#Samples”，以確保穩定后的讀數顯示在圖形中。在測量小電流時，采用“Quiet Speed Mode”或在“Timing”菜單中增加額外濾波。請注意，這是噪聲和速度之間的平衡。濾波和延遲越大，噪聲越小，但是測量速度也越小。
V電磁干擾和屏蔽
當帶電物體接近被測電路時，會發生靜電耦合或干擾。低阻抗時，由于電荷消失很快，所以干擾的影響不明顯。然而，高電阻材料不會使電荷快速衰減，則會造成測量不穩定、噪聲很大。通常情況下，當被測電流≤1nA或者被測電阻≥1GΩ時，靜電干擾就會成為問題。
為了減小靜電場影響，被測電路可被密封在一個靜電屏內。圖8所示為非屏蔽和屏蔽測量一個100GΩ電阻之間的巨大差異。非屏蔽測量比屏蔽測量時的噪聲要大得多。
圖8. 100GΩ電阻的屏蔽和非屏蔽測量的比較
屏蔽可以僅僅是一個將測試電路包圍起來的簡單金屬盒或金屬網。商業探針臺往往將敏感電路密封在一個靜電屏蔽內。屏蔽被連接至測量電路LO端子，該端子不一定接地。對于4200-SCS來說，屏蔽連接至Force LO端子，如圖9所示。
圖9. 屏蔽高阻器件
采取以下步驟將靜電耦合導致誤的差電流降至最小：
• 屏蔽DUT，并將屏蔽層在電氣上連接至測試電路公共端——4200-SCS的Force LO端子。
• 使所有帶電物體(包括人員)和導體遠離電路的敏感區域。
• 測試區域附近避免移動和振動。
VI漏流和保護I
漏流是施加電壓時通過(泄露)電阻的誤差電流。當DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當時，該誤差電流就會成為問題。為減小漏流，在測試電流中采用高質量的絕緣體、降低測試實驗室的濕度，并采用保護。
保護是由一個低阻源驅動的導體，其輸出為或接近高阻端子的電勢。保護端子用于保護測試夾具和電纜絕緣電阻和電容。保護是三軸連接器/電纜的芯屏蔽，如圖10所示。
圖10. 4200三軸連接器/電纜的導體
請勿混淆保護和屏蔽。屏蔽通常意味著采用金屬護欄防止靜電干擾影響高阻電路。保護則意味著使用增加的低阻導體，將其維持在于高阻電路相同的電勢，它將攔截任何干擾電壓或電流。保護不一定提供屏蔽。下圖
為保護的兩個例子：1)利用保護降低測試夾具導致的漏流，而2)則利用保護降低由于電纜連接產生的漏流。
圖11所示為保護消除可能會通過測試夾具內隔離絕緣體的原理。在圖11a中，漏流(IL)通過隔離絕緣體(RL)。該漏流增加至來自于DUT (IDUT)，然后被SMU安培計測得(IM)，對小電流測量的準確度造成不利影響。
圖11. 利用保護減小測試夾具中的漏流
在圖11b中，金屬安裝板被連接至SMU的保護端子。隔離絕緣體頂部和底部的電壓接近相同電勢(0V壓降)，所以在隔離絕緣體中就不會有漏流影響測量準確度。由于金屬安裝板將處于保護電勢，所以為安全起見，金屬屏蔽必須連接至地。