2022-09-28 09:14:53 由 yihong 发表
低电流测量-低于1na -是评估现有和新兴半导体器件的设计和制造质量的关键工具。在这种情况下，器件材料、生长参数或器件几何形状的修改可能会导致器件中不需要的和无关的电流路径。这些所谓的泄漏电流可能是由材料缺陷、栅极氧化物形态、衬底选择和电场分布造成的，并最终导致器件性能下降——通常是通过过度的功率损耗造成的。因为许多泄漏路径背后的物理机制都是众所周知的温度依赖性，所以低温探测测量可以成为一种有用的评估工具，以识别电流泄漏背后的精确机制，特别是对于新材料和器件架构。
温度对器件泄漏的影响可以在一个商用的n型硅JFET在300k和80k的传递曲线中看到。测量是在湖滨模型CPX-VF探针站中进行的，采用三轴电缆和接地样品架。该设备采用基思利4200半导体表征系统;在源测量单元(SMU)的最低电流范围(1 pA)下，4200具有1%±10 fA的精度。在室温下，通过将器件冷却到100k以下，皮安培级阈值下泄漏显著减少到约6fa。该装置中的阈值下泄漏可能是由热辅助传输穿过栅极屏障造成的，栅极屏障在100 K以下被淬火。为了达到这些极低电流(fA)的测量条件，必须在测量设备的所有方面进行小心，包括测量单元、电缆、环境和设备固定。在这篇应用笔记中，将回顾低电流、低温探测测量的关键方面。
图1。硅JFET的温度相关亚阈值特性。
电缆和夹具
同轴电缆，通常被称为同轴电缆或BNC电缆，由于其低噪声和宽频率特性在大多数实验室是常见的。同轴电缆的中心导体(或力线)被高阻绝缘体包围，所有这些绝缘体都位于导电屏蔽内(图2)。在设备测量中，同轴电缆的外层屏蔽连接到地面，设备端子连接到中心力导体。施加在力线上的电压通常会导致电流流向设备，但由于中心导体和屏蔽之间有电压差，一个小的电缆泄漏电流(通过RI)将被添加到总测量电流。高质量同轴电缆的绝缘电阻为100 GΩ。如果中心导体偏置到10v，那么将出现100pa量级的电缆泄漏电流。
图2。同轴导线中的导线和使用同轴配置的器件测量布局。这种配置中的绝缘漏电和充电效应将低电流性能限制在大约1na。
使用同轴电缆进行低电流测量时，充电电流可能会产生更不利的影响。通常情况下，设备测量需要扫描电压并测量相应的电流响应。在扫过电压时，电缆电容将导致充电电流(IC)由:
其中C是电缆的总电容——通常是30pf /ft的量级。对于长度为1m、扫描速率为1v /s的测量，充电电流接近1na。当然，充电电流可以通过减缓扫描速率来降低，但这将增加不必要的测试时间到设备特性。
三轴或三轴电缆可以消除同轴配置遇到的充电和泄漏电流。三ax电缆与同轴电缆相似，只是在中心导体和外层屏蔽之间增加了一个中间的同心保护导体(图3)。在现代源-测量单元中，保护导体由缓冲放大器驱动，电压与中心导体相同。由于保护装置和力导体具有相同的电势，因此它们之间不可能流过泄漏电流。在扫掠测量过程中，力和保护之间的电压保持恒定，这也消除了充电电流。
图3。三轴导线中的导线和使用三轴配置的器件测量布局。在这种配置中，增加保护导体可以减少绝缘泄漏和充电效应，从而实现fa级的低电流性能。
Lake Shore低温探针台的微操作探针臂提供同轴和三轴电缆，根据测量需要，用户可以在现场交换电缆。对于低于1na的测量值，Lake Shore建议采用三ax电缆配置。在三轴配置中，探针臂馈通和布线以及探针叶片被完全保护到探针尖端，以获得优异的低电流性能(图4)。通过将探针升高到样品级以上，并使用Keithley 4200中的保护源-测量单元扫描电压，测量探针臂组件的泄漏电流，使用固定的1pa电流设置。此外，Lake Shore提供同轴和三轴样品支架，可用于扩展保护到样品支架。
图4。测量Lake Shore三轴探头臂组件中的泄漏电流，包括馈通、电缆和探头叶片。
摩擦电、热电和压电效应
电缆或设备接触处的摩擦充电(摩擦电)、热电梯度(热电)和机械应力(压电)会导致背景电流，从而掩盖设备测量的结果。在探测测量中减少这些电荷效应:
在开始设备测量之前，请在连接源单元和探测站之间的线缆后等待15 ~ 30分钟。任何由电缆弯曲或扭转引起的储存电荷通常在这个时间尺度上消散。
在可变温度测量中，在开始测量之前，要有足够的时间让探头臂达到热平衡。在湖岸探测站中，热稳定性可以用探测臂传感器进行监测，其变化应小于1 K/min。
请勿将电缆敷设在真空泵、真空连接件上或穿过真空泵、真空连接件上，如果是闭合循环系统，请勿将电缆敷设在压缩机组上。
测量电缆应避免扭结或急剧弯曲。
图5。饱和蒸汽和抽真空三轴馈通电缆的泄漏电流。电化学传输限制了器件测量的电流灵敏度，可以通过尽量减少探测元件的污染以及在每次测量前疏散样品空间来避免。
表面脏污和潮湿
电缆、探头和设备上的水和污染物的吸收会影响设备或探头站的低电流性能。当施加偏压时，带电污染物可以自由移动，并可能引起背景电流。下面是储存在潮湿环境中的探头组件的泄漏电流图。在环境条件下测量，组件中的背景电流可能会掩盖敏感的电流测量。一旦探头站上的组件被抽走，低电流测量条件就恢复了。
为了避免电化学效应，建议在进行任何低电流测量之前疏散探头室(即使是室温测量)。当不使用时，湖滨探测站的真空室应进行排气或用干气净化，以减少进一步的污染。此外，在处理设备和探针站组件(如更换的探针)时，应佩戴丁腈或乳胶手套，以避免污染探测环境。
结论
随着半导体器件的尺寸越来越小，漏电流可以显著增加这些器件的整体功耗。识别和建模各种泄漏机制是开发下一代低功率和高功率应用设备的关键。由于几种导致泄漏的因素是热激活的，低温探测测量有助于评估在特定设备结构中驱动泄漏的物理机制。适当注意电缆和设备环境，超低电流半导体设备测量(对评估设备泄漏至关重要)在Lake Shore低温探针台进行了演示。
