利用吉時利4200-SCS型優化小電流測量的最佳解決方

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，ForceHI和SenseHI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ForceHI和SenseHI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SMU1offsetITM。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(AutoScale)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DevicePlan(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“SMUAutoCalibration”(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ForceHI和SenseHI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“AppendRun”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ForceHI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