Lake Shore 低温探针台中的变温晶圆级电容测量

      介绍
      晶圆级电容电压（或 C-V）测量评估许多材料和器件架构（包括 MOSFET 和 MOS 电容器）上的各种半导体参数，而与温度相关的 C-V 测量可以更深入地了解半导体生长质量、表面陷阱和载流子冻结- 出去。

      由于 C-V 测量在表征新兴研究级设备方面的实用性，因此 C-V 测量通常在探针台的晶圆级进行； 然而，许多探测几何结构中固有的杂散电容和残余电感的偏移和漂移会掩盖从 C-V 测量中得出的关键参数。 在低温探测器中需要额外小心，因为这些偏移可能与温度有关。 在这项工作中，介绍了在低温探测环境中进行高质量晶圆级 C-V 测量的技术和仪器要求。

      实验平台

      使用自动平衡桥式 C-V 计（MFCMU，Keysight B1500A）在低温（Lake Shore TTPX，CPX-VF）和无低温（Lake Shore CRX-4K）探针台中进行与温度相关的 C-V 测量。 为获得最佳噪声性能，MFCMU 的接地片固定在探针台真空室上。 探针台配备了 Lake Shore C-V 探针套件，其中包括建立屏蔽双端子 (S-2T) 配置所需的特殊双连接器探针和电缆（图 1）。 S-2T 配置将靠近设备的两个探头的屏蔽层连接在一起，并在屏蔽层中创建电流返回路径； 该返回电流抵消了测量产生的磁通量。 如果没有此返回路径电流，未缓解的磁通量将导致剩余电缆电感增加，并且会随着探头的放置而变化，从而降低电容测量的整体精度（图 2）。

图 2. 100 pF 器件在 300 K 时使用 S-2T 配置以及没有屏蔽返回路径的探测配置测得的电容。

      用于 C-V 测量的特殊双接头探头是标准 Lake Shore ZN50 探头的直接替代品。 安装探头刀片后，首先将标准信号电缆连接到两个探头的 SMA 插孔，然后将短接电缆卡在探头的 SSMB 插孔上。 安装短接电缆时，应从下方支撑探头臂，以免将探头尖端强行插入样品架。 为防止在移除短接电缆时损坏探头，应使用小型平头螺丝刀从探头插孔中撬出短接电缆连接器（图 3）。

图 3. 从参数探头安装（左）和移除（右）SSMB 连接器。

      现场电缆补偿

      在探针台中，电缆、探针、样品架和设备都会影响测量的电容值。 对于高达 1 MHz 的测量，开路/短路补偿通常可以校正测量平台的影响。 有关补偿数据的执行和存储的详细信息通常可以在 C-V 测量仪器的手册中找到。 对于探测测量中的短路补偿，两个探针在被测器件 (DUT) 晶圆上导航，随后落在同一接触垫上。 探头和设备之间不可忽略的接触电阻会导致补偿误差，并随后导致电容测量误差。 为了最大限度地减少接触电阻和接触电阻的可变性，特别是在低温下，钨探针尖端只能用于氧化触点，例如铝或难熔金属，而镀金钨探针尖端可用于较软的器件触点，尤其是那些由 金子。 要执行 OPEN 补偿测量，应将探头从 DUT 晶圆上抬起并分开相当于器件接触间距的距离。 可以通过简单的补偿后开路 C-V 测量来评估开路/短路补偿的质量和测量噪声（图 4）。 由于电缆参数随温度变化，因此应在热研究中的每个温度下执行开路/短路补偿。

图 4. 电缆补偿程序后的 100 kHz OPEN C-V 测量。 该测量提供了对固有背景电容以及校准质量的测量。

      NP0 级电容器的温度依赖性

      NP0 型电容器要求温度系数小于 ±30 ppm/K，并且在 -55 至 125 °C 的温度范围内损耗角正切小于 0.001。 这种稳定性是通过混合具有正温度系数和负温度系数的介电材料来实现的。 传统的 NP0 陶瓷配方含有大量的钕、钐和其他稀土氧化物； 钛酸镁和钛酸钙的混合物； 或碳酸钕、二氧化钛和钛酸钡的混合物 [2]。 尽管这些电容器的额定值仅适用于在环境条件附近运行，但之前的研究表明，某些市售的 NP0 型电容器非常适合低温应用 [3]。 随着对多路复用器等低温额定微波元件的需求不断增加，关键无源器件的氦温性能值得进一步研究。 就电容器而言，陶瓷配方可能因供应商以及法规和商品条件而异。 在这里，我们检查了两种不同成分的商用 NP0 型表面贴装电容器的低温性能。

      图 5 显示了开路/短路校准前后精密 2.2 ±0.25 pF 电容器的频率相关电容 (C-f) 结果。 测量采用 2 V 偏置和 50 mV 振荡。 如果测量噪声特别大，则可以增加振荡幅度和积分时间以提高电流传感电子设备的性能。 校准过程去除了高频尾部和偏移。 校准后，该设备的测量电容在高温、环境温度和低温下显示出最小的色散。

图 5. 精密 2.2 pF 电容器在 300 K 时的校准和未校准 C-f 测量。

      这个相同的 2.2 pF 电容器的电容作为温度的函数进行测量。 对于此测量，CRX-4K 探针台的载物台设置为 5.5 K 至 400 K 之间的温度。达到设定点温度后，样品在该温度下“浸泡”10 至 15 分钟以达到热平衡 舞台; 执行上述短路/开路校准程序，然后对器件进行电容电压 (C-V) 扫描。 在 30 mV 振荡下，器件从 -10 V 扫描到 +10 V，并从该数据中提取平均电容。 结果如图 6 所示。从 300 到 400 K，该 NP0 器件的电容变化 +20 ppm/K，从 225 到 300 K，电容变化-15 ppm/K，均在规格范围内。 在低于 200 K 的温度下，负-正陶瓷补偿不太平衡，器件的总电容增加约 1%。 对于许多低温应用，如过滤，这种偏移足够小。

图 6. 2.2 pF NP0 器件的温度相关电容。

      第二个装置是由低磁化率陶瓷组成的 5 nF 多层电容器。 该器件的 5 K、C-f 测量如图 7 所示，其中使用并联和串联电路模型提取电容。 与设备的任何阻抗测量一样，结果将包括寄生电阻、电感和电容 [4]。 有效的电路模型用于从这些寄生参数中提取器件参数。 在具有电容设备的并联电路模型中，假定串联电阻为零。 在这种情况下，低温接触电阻（与电容器串联）和高频阻抗 |Z|=1⁄ωC 处于同一数量级。 因此，并联电容模型的误差相当大。 作为电容测量的经验法则，并联电路模型应用于 10 kΩ 以上的阻抗，而串联电路模型应用于 10 Ω 以下的阻抗。 对于中间阻抗值，应注意表征随温度变化的接触电阻，并比较两种等效电路模型的结果。

图 7. 比较 5 K 时 5 nF NP0 电容器的 C-f 测量中的等效电路模型。低温接触电阻要求使用并联电路模型。 在室温下，两种电路模型提供相似的器件参数。

      结论

      在这里，使用低温探针台演示晶圆级电容测量。 双连接器探头可实现低温兼容的屏蔽 2T 接线配置； 当结合探测夹具的原位校准和对接触电阻的关注时，晶圆级半导体和纳米级设备的低温表征成为可能。