优化电缆连接技术改善晶圆上测量结果

     完全分析所有材料和器件需要进行精密直流、交流阻抗以及超快I-V或脉冲I-V测量。将测试设备连接到半自动或手动探测台的复杂性会使晶圆上的准确测量变得更为复杂。本文分析了直流、多频电容、超快I-V和脉冲测试以及正确接地和屏蔽的重要性，为特定测量选择正确的互连方式，并排除常见的互连故障。

　　直流测量的电缆连接

　　了解预计的测量电平可以轻松地*估潜在误差源。为简单起见，我们假定所有被测信号既不是高电压（高于100V）也不是大电流（高于200mA）信号，误差源也分为3类：漏电流、静电干扰和力学作用。

　　漏电流

　　漏电流是有用信号传输通道之外的电流，例如流过互连绝缘体的电流。当DUT的阻抗接近于电路中各种绝缘体的阻抗时，漏电流可能是个问题。减少漏电流简单的方法是采用带有高阻绝缘体（例如Teflon或聚乙烯）的高质量电缆。质量较好的电缆通常能更好地降低介电吸收的影响，这也是绝缘材料的作用之一。

　　虽然使用高质量电缆对降低漏电流很有帮助，但这种方法有时候不能令人满意。非常重要的是要明白将源测量单元（SMU）等典型直流仪器用同轴电缆连接至DUT时发生了什么。在图1中，值得注意的是漏电流IL如何流过电缆的绝缘电阻RL。这使SMU将测量流过DUT的电流IDUT与漏电流的和，而不仅仅是流过器件的电流。

图1  漏电流的产生

　　防护能消除绝缘体漏电流的影响。防护是电路的低阻抗点，其电位与电路中高阻抗导线的电位相等。在带防护的测量中，因为屏蔽被驱动到与SMU强制高端的电位相等，所以绝缘电阻上没有电流经过，近而消除了漏电流的影响。

　　除了屏蔽和信号导体的连接外，防护与仪器建立了第三路连接。虽然理论上同轴电缆可以使用防护连接，但是因为屏蔽的电位可能与强制端的电位相等，所以可能不安全。因而，禁止将SMU的防护连至同轴电缆的屏蔽。但是，使用三同轴电缆可以解决这个问题，因为它有两层屏蔽：内层屏蔽连接至防护，外层屏蔽连接至低端（图2）。

图2 同轴电缆的构造

　　静电干扰和磁力干扰

　　这两种干扰类型出现在带电（或带磁）物体干扰被测电路的情况。虽然低阻抗条件下由于电荷消失很快可以忽略这些影响，但在高阻抗条件下不能忽略。通常，静电干扰源存在于周围环境中，例如荧光灯、电机，甚至人。静电干扰引起的误差通常缘于某些类型的电容耦合到电路中，这会产生额外的电流。

　　由于静电耦合产生的误差可以用两种方法消除：首先是使用带屏蔽的三同轴电缆。另一种降低静电干扰很有效的方法是将探针的顶板、黑盒子或金属外壳接地，使感应电流噪声经过屏蔽接地而不通过DUT。

　　虽然将探针外壳或顶板接地是降低静电干扰的好方法，但如果接地不良会使问题更糟糕。通常，探针和仪器被分别接到两个电源线的地，因为它们通常接到不同的电源插座。在这种设置中，仪器和探测台之间存在波动电流，从而导致仪器的接地单元或低连接移动并产生误差。这些被称为地环路。为了防止地环路，探针外壳和屏蔽应当被连接到一个公共点。

　　力学作用

　　摩擦起电和压电效应也是直流测量的重要误差源。当从导体上擦掉自由电子时，导体和绝缘体摩擦产生的电荷形成摩擦电流，因电流负载不平衡而产生电流。这种影响在低质量的电缆弯曲时比较明显。高质量电缆的绝缘体通常涂有石墨润滑层，可以减轻摩擦。即使高质量的三同轴电缆也需要隔离振动，因为压电效应会产生电流。在空气层上放置探针并用远程前置放大器可以缩短三同轴电缆的长度进而有助于使这些问题的影响。

　　二线连接产生的损耗

　　无论使用电缆的质量有多好，电缆的损耗依然较大。大多数互连电缆即便很长，其电阻也只有几欧姆。但是，如果测量仪器使用两线连接至DUT，当DUT的电阻也很小时（例如金属结构），电缆和衬垫触点贡献的电阻会引起较大误差。例如，如果电缆、触点和DUT的电阻仅为几欧姆，那么仪表将测量这些电阻的和。幸运的是，四线或Kelvin连接（图3）提供了一种方法以解决因互连两端压降产生的损耗问题。在Kelvin连接设计中，电压表接在DUT两端。此仪器能施加电流并测量DUT两端的压降。在这种情况下，考虑到电压表的阻抗很高，转移到电压表的电流将非常小。因此，施加的电流在电路各点基本一致并且电压表将仅测量DUT和触点电阻（不含接线电阻）的压降。

图3 四线或Kelvin连接

　　C-V测量的电缆连接

　　半导体电容（或C-V）测量通常使用四端的多频电容表（图4）：大电流（Hcur）、高电位（Hpot）、小电流（Lcur）和低电位（Lpot）。这些端子是同轴的，所以它们通常需要同轴互连电缆。它们也具有固定的特性阻抗，通常为50欧姆或100欧姆。多频电容表在测量阻抗时通过输出小交流电压至DUT并测量产生的交流电流和交流电压。

图4 四端的多频电容表

　　用于测量电容的信号是交流的，所以请注意信号通道的阻抗变化，这引起的信号反射会影响交流源和测量信号，进而导致读数错误。使用与仪器特性阻抗相等的电缆有助于使阻抗变化。而且，大多数电容表能执行某种方式的电缆补偿，包括将使用电缆的长度输入到仪表设置中。此外，所有4条电缆必须等长使信号通道的阻抗变化，并确保仪表的电缆补偿计算正确无误。屏蔽不当的同轴电缆也会产生电容测量误差，所以要检查电缆的屏蔽没被打开。

　　线路杂散电感和互连电感会使测试电路振荡，从而使电容测量结果出错。尽可能紧密地连接同轴电缆屏蔽与DUT可以降低电感并使测量隔绝电感。

　　超快直流和脉冲测量的电缆连接挑战

　　这些测量涉及的交流信号或高频信号需要考虑的互连与直流测量或C-V测量完全不同。

　　傅里叶级数分析表明无论脉冲速度多快，都可以模拟为一系列不同幅度和频率的正弦波。如果信号通道不能准确通过较高的频率，一些基频就会受到影响，使脉冲波形失真并影响传送到器件的功率。因此，脉冲测试对信号通道的带宽要求比直流测试或C-V测试高（约为150MHz）。脉冲发生器通常不包含测量功能并且示波器不提供源功能。这些连接是单端的；即中心导体传输信号并被连至DUT。同轴电缆的屏蔽是信号返回通道并且非常适于连接到DUT的低端。然而，现在有一种新的脉冲仪器具有测量功能，即使对于每条通道这些仪器都使用一根同轴电缆连接至探针。为了防止反射，互连阻抗应与源阻抗匹配。因为大多数脉冲仪器具有50欧姆输入阻抗，所以通常使用50欧姆同轴电缆进行连接。为了使电感化，一种好办法是将多条同轴电缆的屏蔽连在一起。

　　为确保全部信号通道不受阻抗变化或插入损耗的影响，在理想情况下，同轴电缆的屏蔽应当连接到测试电路的低端。而且将DUT的低端连到直流地时虽然可行，但是返回信号将沿两条通道回到仪器：一条通过地，第二条通过电容耦合至同轴屏蔽。将测试电路低端连接至直流返回通道将会限制脉冲的保真度。

　　电缆连接要求

　　正如表1所概括的，每种测量类型都有其特有的电缆连接要求。为了在DUT上进行直流I-V、C-V和脉冲测试，特别是如果没采用具有其相关复杂性的开关矩阵，有必要在每次变更探针的测量类型时改变电缆连接。改变电缆连接比较耗时而且在两次测试之间常常需要升降探头，这很容易损坏晶圆衬垫。幸运的是，一种新的组合测量探针电缆（MMPC）套件为配合Suss和Cascade探针优化，提供了解决此问题的简单方案并能用一组三同轴互连实现I-V、C-V和脉冲测量。吉时利的MMPC电缆是专用的三同轴电缆和适配器，支持高精密直流和宽带交流连接至探针和DUT。这些电缆可以采用Kelvin和非Kelvin配置。更重要的是，所有这些都可以在不影响探头电缆连接的情况下完成；只需要移动探针连接器堵头的电缆。使用4200-SCS半导体特性分析系统时，配合吉时利4225-PMU超快I-V模块使用的吉时利4225-RPM型远程放大器/开关能自动重配MMPC电缆。

直流I-V测量	LCR/C-V测量	脉冲I-V测量
l  三同轴电缆 l  Kelvin连接 l  隔离、驱动防护	l  同轴电缆 l  Kelvin连接 l  探针尖的屏蔽连接 l  匹配仪器输入阻抗的电缆阻抗	l  同轴电缆 l  非Kelvin（一条电缆）连接 l  靠近探针尖的屏蔽连接 l  匹配仪器输入阻抗的电缆阻抗