【導讀】在半導體測試、納米科技及高精度絕緣分析等多種領域，對pA級乃至更微弱電流的精確測量已成為評估器件性能與可靠性的關鍵。然而，超低電流測量極易受到環境干擾、儀器噪聲及測量方法本身的顯著影響。本文將系統解析測量中的主要誤差來源，并基于行業實踐，為工程師提供一套可操作的高精度測量指導方案。
在半導體測試、納米科技及高精度絕緣分析等多種領域，對pA級乃至更微弱電流的精確測量已成為評估器件性能與可靠性的關鍵。然而，超低電流測量極易受到環境干擾、儀器噪聲及測量方法本身的顯著影響。本文將系統解析測量中的主要誤差來源，并基于行業實踐，為工程師提供一套可操作的高精度測量指導方案。
4200A-SCS參數分析儀配置4200-PA遠程前置放大器時， 具有最小10aA分辨率（10-16）的特殊低電流測量能力。小電流的成功測量不僅取決于使用像4200A-SCS這樣非常靈敏的電流表，還取決于在系統的Clarius軟件中選擇適當的設置，使用低噪聲夾具和測試電纜，允許足夠的積分時間，并使用相關技術來防止影響精度的不必要電流。本文給出了Keithley最著名的測試方法建議，用于優化使用4200A-SCS進行低電流測量。
測量系統的偏置電流
建立超低電流測量系統的第一步是確定整個測量系統的偏置和漏電流，包括4200A-SCS本身、連接電纜、開關矩陣、測試夾具和探頭。這確定了整個系統的噪聲下限，并設置了一個起點，以便在可能的情況下對系統進行改進。首先測量源測量單元（SMU）的偏移量，然后繼續添加測量電路中的組件，直到除被測（DUT）外所有組件都連接上。測量直接使用Clarius軟件控制4200-SMU與4200-PA遠程前置放大器來完成。
內部偏置
理想的電流表在輸入端子為開路的情況下，回讀電流大小應為零。然而，現實情況中電流表在輸入端開路時確實有一些小電流流過。這種電流被稱為輸入偏置電流，是由有源器件的偏置電流和通過儀器內部絕緣體的漏電流產生的。SMU內產生的偏置電流可以參考4200-SMU的技術規格。如圖1所示，輸入偏置電流加到被測電流上，因此儀表測量值為兩個電流之和：IMEASURE = ISOURCE + IOFFSET
圖1. SMU的輸入偏置電流
測量帶有4200-PA前置放大器的每個4200-SMU的偏置時，除了金屬帽外，Force HI和Sense HI端子沒有任何連接。這些金屬帽包含在系統備件中。在進行任何測量之前，應將前置放大器連接到SMU上，并前置放大器的Force HI和Sense HI端子接上金屬帽，對SMU預熱至少一小時。偏置電流可以使用“Low Current Project”項目來測量，該項目可以在項目庫的選擇視圖中找到，或直接搜索“Low Current”獲取。圖2顯示了Clarius軟件應用程序中的這個項目。
圖2. Low Current Project在Clarius應用中
打開這個項目，選擇SMU1offset測試項，測量SMU1的偏置電流。選擇Analyze，然后運行測試。結果應該類似于圖3所示的圖形。可能需要使用自動縮放功能來適當地縮放曲線。右鍵單擊圖形可以找到自動縮放功能。當4200-PA前置放大器連接到SMU時，偏置電流應該在fA量級內。偏置電流可以是正的，也可以是負的。可用SMU標的的電流表規格來驗證這些結果。應該重復此操作對系統中的每個SMU進行單獨的測量。Low Current Project會對四個帶前置放大器的 SMU進行偏置電流測量的測試。
圖3. SMU1的偏置電流測量
輸入偏移電流規格可以通過在Clarius中執行自動校準程序來進行優化。執行SMU自動校準，請在“Tools”菜單中選擇“SMU auto calibration”。在執行自動校準之前，至少需要開機預熱60分鐘。除了金屬帽外，SMU的force HI和sense HI端子上不應連接任何東西。自動校準程序調整系統中所有SMU的所有源和測量功能中的電流和電壓偏置。這里不要與全系統校準相混淆，應每年在授權的機構完成一次對4200A-SCS 的全系統校準。一旦執行了SMU自動校準，就可以對偏移電流進行重復測量。
外部偏置
一旦電流表的偏置已經確定，在添加測試電路的每一個環節后，通過重復電流（加載0V）對時間的圖來驗證系統其余部分的偏置。每次重復測試時，之前的運行都保存在歷史運行面板中。最后，對處于“UP”位置的探頭末端或對未連接設備的測試夾具進行測量。這一過程將有助于確定故障點，如電纜短路或測量電路的不穩定。但是，要注意連接和斷開電纜時會在電路中產生電流。對于進行超低電流測量，在改變測試電路中的連接后，可能需要等待幾分鐘到幾小時使寄生電流衰減。圖4顯示了1）僅接入force HI端子的SMU 的偏移量；2）前置放大器上僅帶三軸電纜；3）通過Keithley 7174A低電流開關矩陣到探針臺上處于“UP”位置的探頭。
圖4. 整個測試系統的偏置電流測量
在生成電流-時間圖時，通過施加測試電壓來重復此測試，以確定測量電路中的任何泄漏電路。相較施加零伏偏置，使用測試電壓加載到DUT上進行實際測量。現在測試夾具和電纜中的任何泄漏電流將被檢測到并體現在圖表中。如果泄漏電流看起來過高，可以對測量電路進行調整，以減少泄漏電流。參考標題為“泄漏電流和 Guard”的章節，其中描述了減少泄漏電流的方法。
測量誤差的來源和減少測量誤差的方法
一旦確定了電流偏移、泄漏電流和任何不穩定性，采取措施減少測量誤差將有助于提高測量精度。這些誤差來源包括穩定時間不足、靜電影響、泄漏電流、摩擦起電效應、壓電效應、污染、濕度、接地回路、光線和源內阻。圖5總結了本節討論的一些產生電流的量級。
圖5. 產生電流的典型幅度
穩定時間和時間菜單設置
在進行小電流和高電阻測量時，測量電路的穩定時間特別重要。穩定時間是開啟測量時在施加或改變電流或電壓后達到穩定所需的時間。影響測量電路穩定時間的因素包括并聯電容（CSHUNT）和源電阻(RS)。并聯電容是由連接的電纜、測試夾具、開關和探頭造成的。DUT的內阻越高，穩定時間越長。并聯電容和內阻如圖6中的測量電路所示。
圖6. SMU測量電路包括CSHUNT和RS
因此，需要5τ 或50秒的穩定時間，將讀數波動穩定到最終值的1%以內！圖7顯示了進入RC電路的階躍電壓的指數響應。經過一個時間常數（τ =RC）后，電壓上升到最終值的63%以上。
圖7. RC電路對階躍電壓的指數響應
要成功地進行低電流測量，為每次測量添加足夠的時間是非常重要的，特別是掃描電壓時。可以在 Sweep Mode的sweep delay字段或sampling Mode的interval time字段的test setting菜單中進行設置。為了驗證要增加多少間隔時間，可以通過繪制電流與時間到階躍電壓的關系來測量 DUT的穩定時間。步進電壓應該是DUT實際測量中使用的偏置電壓。在Low Current Project測試項中可以用來進行穩定時間的測量。
測試設置菜單中的采樣點數可能需要增加，以確保穩定讀數將顯示在圖形上。在進行低電流測量時，使用Quite Speed Mode或添加額外的濾波。需要注意的是，有一個去除噪聲和測試速度的權衡。濾波和延遲越多，噪聲就會越少，但測量速度就會越慢。
靜電干擾和屏蔽
當帶電物體接近被測電路時，就會發生靜電耦合或干擾。在低阻抗水平下，干擾的影響并不明顯，因為電荷會迅速消散。然而，高電阻材料不允許電荷快速衰減，這可能導致測試結果的不穩定、有較大的噪聲。通常，當電流測量≤1nA或電阻測量≥1GΩ時，靜電干擾是測量中必須考慮的一個問題。
為了減少電場的影響，可以將被測量的電路封閉在靜電屏蔽殼體中。圖8說明了100GΩ電阻器的非屏蔽和屏蔽測量之間的巨大差異。未屏蔽的測量比屏蔽的測量噪聲大得多。
圖8. 100GΩ電阻器上的屏蔽與非屏蔽測量
屏蔽可以只是一個簡單的金屬盒或網格罩，包裹測試電路。商用探針臺通常將敏感電路封閉在靜電屏蔽內。屏蔽連接到測量電路LO端，不一定接地。在4200-SMU的情況下，屏蔽連接到如圖9所示的 Force LO端子。
圖9. 屏蔽裝置高阻抗測試
最小化由于靜電耦合而產生的誤差電流 :
屏蔽DUT并將外殼和測試電路的公共端，4200A-SCS的Force LO端子短接
所有帶電物體（包括人）和導體遠離測試電路的敏感區域
避免在測試區域附近移動和發生振動
泄漏電流和Guard
泄漏電流是當施加電壓時流經絕緣電阻或從中泄漏的錯誤電流。當DUT的阻抗與測試電路中絕緣體的阻抗相當時，這種錯誤電流就成為一個問題。為了減少泄漏電流，需要在測試電路中使用質量好的絕緣材料，降低測試實驗室的濕度，并使用保護技術。
Guard是一個由低阻抗源驅動的導體，其輸出與高阻抗終端處于或接近相同的電位。Guard端子用于保護測試夾具和電纜的絕緣電阻和電容。Guard端子是圖10所示的三軸連接器/電纜的內部屏蔽。
圖10. 4200A三同軸接口、線纜定義
Guard不應與屏蔽混淆。屏蔽通常意味著使用金屬外殼來防止靜電干擾影響高阻抗測試電路。Guard意味著使用一個附加的低阻抗導體，與高阻抗電路保持相同的電位，它將攔截任何干擾電壓或電流。Guard并不一定提供屏蔽。下面的段落概述了兩個Guard的例子：1）使用Guard來減少由于測試夾具造成的泄漏，2）使用 Guard 來減少由于布線造成的泄漏電流。
圖11顯示了Guard如何消除可能流過測試夾具中隔離絕緣材料的泄漏電流。在圖11a中，泄漏電流(IL)流過隔離絕緣材料(RL)。該泄漏電流加到DUT(IDUT)的電流中，由SMU電流表(IM)測量，對低電流測量的精度產生不利影響。
圖11. 使用Guard以減少測試夾具的泄漏
圖11b中，金屬掛板連接到SMU的Guard端子上。絕緣固定支架的頂部和底部的電壓幾乎處于相同的電位(0V降)，因此不會有泄漏電流流過隔板影響測量精度。出于安全目的，金屬屏蔽必須連接到接地點，因為底部的金屬安裝板將在Guard電位。
Guard也可用于減少布線中的泄漏電流。圖12說明了驅動保護如何防止電纜的泄漏電阻降低低電流測量的性能。在無保護配置中，同軸電纜的泄漏電阻與DUT(RDUT)平行，產生不需要的泄漏電流(IL)。這種泄漏電流會削弱微弱電流測量。
在保護電路中，三軸電纜的內屏蔽連接到SMU的Guard端子上。現在這個屏蔽由一個增益單位、低阻放大器(Guard)構成的驅動。ForceHl端子和Guard 端子之間的電位差接近0V，因此消除了泄漏電流(lL)。
圖12. 使用Guard減少電纜中的漏電流
對比使用三軸電纜和同軸電纜進行高阻測量時的結果，圖13顯示了加載10V階躍電壓到100GΩ電阻，電流 vs.時間的測試結果。三同軸電纜啟用Guard，從兩個方面改進測量：1）它降低了有效的電纜電容從而降低了RC時間常數或測量的穩定時間，2）它防止電纜的泄漏電阻提升了測量精度。
圖13. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結果對照
從圖13的圖表中可以看到，使用帶保護的三軸電纜可以在測量電流具有更低的泄漏電流（小幾PA）和更快的穩定時間（大約快十倍）。
如果SMU必須連接到帶有BNC連接器的測試夾具，則使用Keithley三軸電纜連接SMU和測試夾具，然后使用三同軸轉BNC的適配器（去除Guard）將電纜連接到測試夾具。
SMU連接到DUT
除了在連接DUT時使用屏蔽和Guard外，4200A-SCS與設備的接入位置也是非常重要的。SMU Force Hl和Force Lo端子連接不當會導致電流偏移，測量結果不穩定。這些誤差是由共模電流引起的。
一般情況下，始終將SMU的高阻端子（Force HI）連接到被測電路的最高電阻點上。同樣，始終將4200A-SCS的低阻端子（Force LO）連接到被測電路的最低電阻點。最低電阻點可以是一個公共端子或接地點。如果Force HI端子連接到低阻端，那么共模電流可以通過測量電路，從而影響測試結果。
圖14給出了正確的和不正確的測量連接。圖14a為正確的連接方式，因為4200-SMU的Force Hl端子連接在晶圓上的被測器件的柵極上，Force LO端子連接在接地卡盤上。晶圓上的柵極端子是最高阻抗點，接地的卡盤是低阻抗點，所以這個電路是正確連接。注意，共模電流從SMU的Force LO端子流向接地卡盤；但是，電流不會流過安培計，因此不會影響測量。
圖14. 使用同軸電纜和三軸電纜測量高阻的結果對照
圖14b顯示了將高阻柵極端子與SMU的Force LO端子連接，接地卡盤和SMU的Force HI端子連接的不恰當連接方式。在這種情況下，共模電流將流過SMU以及DUT。這將導致測試結果的不準確，甚至無法穩定測量。
摩擦電效應
摩擦電流是由導體和絕緣體之間因摩擦產生電荷而形成的。在這里，自由電子與導體摩擦，產生電荷不平衡，導致電流流動。這種噪聲電流可以在幾十nA的范圍內。圖15展示了摩擦電流的流動情況。
圖15. 摩擦電效應產生的偏置電流
與4200A-SCS配套使用的三軸電纜通過在外層屏蔽下使用石墨浸漬絕緣材料，大大降低了這種影響。石墨供潤滑和一個導電圓筒，以均衡電荷，并將電纜運動產生的摩擦效應產生的電荷降至最低。然而，即使是這種類型的三軸電纜，在受到振動、膨脹或收縮時也會產生一些噪聲。因此，所有連接都應盡可能的短，遠離溫度變化（這會產生熱膨脹力），最好用膠帶或軋帶將電纜固定到非振動表面，如墻壁、工作臺或剛性結構上。
還應采用其他技術來盡量減少移動和振動問題：
移除振動源，如電機、泵和其他機電設備，或者使用機械減震
安全地安裝或固定電子元件、電線和電纜
安裝前置放大器時，盡可能靠近被測
壓電和存儲電荷效應
當某些晶體材料使用絕緣端子和互聯硬件固定時，施加機械應力就會產生壓電電流。在某些塑料中，儲存的電荷使材料表現出類似于壓電材料的特性。圖16所示為帶有壓電絕緣體的端子的一個例子。
圖16. 壓電效應產生的偏置電流
為了使這些影響最小化，需要從絕緣體消除機械應力和使用盡可能小的壓電和儲存電荷的絕緣材料。
污染和濕度影響
高濕度或離子污染可顯著降低測試夾具的絕緣電阻。高濕度條件下會發生冷凝或吸水，而離子污染可能是人體油脂、鹽或焊料助焊劑的結果。絕緣電阻的降低會對高阻抗測量產生嚴重的影響。此外，濕度或濕氣可以與任何污染物結合，產生電化學效應，從而產生偏置電流。例如，常用的環氧印刷電路板，當蝕刻液、助熔劑或其他污染物未被徹底清洗時，可在導體之間產生幾nA的電流（見圖17）。
圖17. 離子污染和濕度產生的電流
為了避免污染和濕度的影響，選擇抗水分吸收的絕緣子，并保持濕度在中等水平（理想情況下<50%）。此外，確保測試系統中的所有組件和測試夾具保持清潔和無污染。
地回路
地回路可以產生雜散信號，可能是直流偏置或AC信號（通常是工頻或工頻的倍數）。接地回路是由測試電路中的多個接地引起的。接地回路的一個典型例子是將多個儀器插入不同儀器架上的電源排。通常，接地點之間存在微小的電位差，這可能會導致生產大電流，并產生意想不到的電壓下降。
圖18所示的配置顯示了通過將4200A-SCS信號公共（Force LO）和DUT LO連接到地而構成的接地回路。回路中流過的大接地電流會遇到小電阻，要么在導體中，要么在連接點上。這個小電阻會導致電壓下降，從而影響性能。
為了防止接地回路，測試系統應該只在一個點接地。如果不能拆除DUT接地，則應拆除4200A-SCS GNDU公共端子與機箱接地之間的接地鏈路，如圖19 所示。
圖18. 地回路
圖19. 消除接地回路
結論
當配置可選的4200-PA遠程前置放大器時，4200A-SCS參數分析儀可以精確測量皮安或更小的電流。要測量整個測量系統的偏置電流，以確定系統的局限性，因此可以在必要時進行調整。通過使用諸如屏蔽、Guard和儀器適當接地等技術，以及在Clarius軟件中選擇適當的設置，包括允許足夠的穩定時間，可以減少測量誤差的來源。Keithley的《低電平測量手冊》提供了關于最佳低電流測量技術的進一步原理性描述。
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