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半导体晶圆fA级测量技术原理解读 V1.0
2025-01-21
本文深入浅出地阐明pA、fA级电流测量的挑战、Triaxial三轴电缆、Guard技术原理、源测量单元SMU是什么、常规的电流表、电压表的特征、电缆漏电、FormFactor两款探针技术指标说明。通过本文的阅读与理解，可以系统性地对fA级测量有系统理解，具对直流低噪声探针台的Micro-Chamber、Atto-Guard技术、低噪声直流探针、以及SUM测量单元都有一个全面认识。
1.关于fA级直流DC测量
提到直流测量时，大部分工程师觉得十分简单，不需要理解与掌握射频测量时一大堆复杂的校准和相关概念。如果要完成普通的DC测量，诸如mA、uA幅度的测量确实不复杂，一般使用普通的源表和探针即可完成表征。但是如果进行pA、fA级这种微小电流的幅度大小半导体器件测量时，情况变得较复杂，因为很多因素都会影响到测量的准确性和一致性。
（写到此需要做一个小小的说明，看到有些人会说做pA、fA级精度的测量，这样的表述不是特别准确，应该是pA、fA级电流幅度大小的测量，就是说要测量的这个元器件，其电流值十分十分小，这样才是先进半导体的技术趋势，那么意味着半导体器件的功耗十分小。如果认为是pA、fA级的精度测量这个需求，也可以勉强说的过去，那么如果测量一个uA级大小的电流假定3.7uA，一般这么描述就够了，没有必要说我要测量到一个3.7248389uA精确的电流，电流表述的精度达到了fA级精度，有何意义呢？）
到底哪些因素会影响到pA、fA级测量的准确性，后面再作答。首先回答pA、fA级这种半导体器件的测试需求来自那里呢？随着电子产品体积更小、更轻便，但是功能比以往更强大。这种矛盾意味着构成电子系统的半导体器件功能更强大，尺寸减小。直观上看这是一对矛盾。行业内一方面先进半导体封装技术正在解决着热耗密度剧增的问题，诸如采取晶圆级尺寸封装来提升散热能力以及信号完整性水平。但是最本质上还是要单位门电路单元的功率，以达到节能降耗的目的。因此低栅压、低阈值电流等特征的半导器件需求增多，也响应了地产生了半导体晶圆的微电流测量需求。
----总结：fA级电流测量的需求来源于先进半导体发展的需求，一般指的是电流幅度为fA级，另外fA级电流测量确实是以一项挑战，
2.影响fA级直流测量准确性的因素
影响微fA级直流测量准确性的因素很多，主要可以从三个方面是来阐明：测量仪表组，连接，待测器件。
1.首先这台测量仪表具有表征fA级电流的测量能力，否则再好的连接（探针台+探针）
也是没有用的。在本文中，重点不谈及测量仪表部分的准确性和重复性问题，因为假定我们选择的这台测量仪表具有fA级测量能力。如果就仪表内部如何实现fA级进入深入讨论，第一我们也知识能力达不到，其二也没有必要性。就把这部分作为黑盒子，只保证输出接口能力即可。
2.其次是连接部分，连接部分由于线缆漏电、自激杂散电流、污染等影响导致测量出
现较大的失真；
3.DUT待测器件部分，主要是DUT器件所处的环境因素，诸如温度稳定、机械稳定、
探针与Pad接触稳定、周围空气干燥、抗电磁、抗光干扰能影响。如果待测器件是晶圆、且器件底部设有电极Pad，需要使用探针台进行测量表征，那么Chuck的漏电情况会明显影响测量结果。
其实关于fA级如何测量，测量理论方案是半导体测量学的一个分支，其地位并行于高速、射频微波测量，因此十分复杂，深奥。做一个十分专业的介绍，讲解。估计也需要100-200页的内容来完成的。而这边文章是完全站在一个应用者的角度上描述的，相信通过这篇文章的学习，至少可以给客户讲的清楚，与客户交流起来没有一点障碍，甚至可以纠正与引导客户的购买方案。
图1测量由三部分构成示意
----总结：fA级电流测量的准确性与测量仪表、连接部分（电缆等组件）、待测器件的环境均有关。另外fA级测量本身就是微小直流测量学的一个分支，难度不亚于射频测量。
3.50Ω特征阻抗
传输线的特征阻抗或者说是端口的特征阻抗，是一个比较抽象的概念，也是一个比较容易混淆的概念，有些人误解为导线的直流阻抗。即便是电子专业的技术人员，有很多人也对传输线的特征阻抗概念说不清楚，或者死记硬背公式，更别说非电子专业的技术人员了。特别是高速电路，射频，微波电流领域，是一个经常会提到的一个概念。再搞清楚这个概念前，需要明白以下几个外围概念：
1.什么是传输线？
2.什么是长线效应？
3.什么是特征阻抗？
4.为何是50欧姆？
1.什么是传输线，简单的说，传输线就是能够传输信号的连接线。电源线，视频线，同轴电缆，PCB板上的走线（表层称为微带走线，内层称为带状走线），都可以称为传输线。
2.什么是长线，假设传输线上流过的信号是工频信号50Hz，那么信号的波长为6000公里(假设信号速度为光速),即使传输线的长度有1千米长，相对于信号来说还是很短的，对信号来说传输线可以看成短路，传输线对信号的影响是很小的。但是对于高速信号来说，假设信号频率提高到300MHz，1GHz，信号波长就减小到1米，0.3米，对于传输1.5m的距离来说，这是传输线和波长可以比拟，在一个数量级上。在传输线上就会存在波动效应，在传输线上的不同点上的电压电流就会不同。在这种情况下，就需要考虑输线对信号造成的影响。再举一个形象的例子，轿车在行驶中遇到一小坑，车子就会颠簸，甚至无法通过，但是对履带式的坦克而言，碰到一小坑，甚至一条较宽壕沟都可以顺利通过。因为轿车车轮尺较小，尺寸可以和小坑可以比拟，产生了波动效应。
3.特征阻抗属于长线传输范畴的一个概念，信号在传输线中传输的过程中，在信号到达的一个点，传输线和参考平面之间会形成电场，由于电场的存在，会产生一个瞬间的小电流，这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压，这样在信号传输过程中，传输线的每一点就会等效成一个电阻，这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。
4.对于特征阻抗，有些人也打比方，特征阻抗好比水管的粗细，如果均匀管道，那么水流平稳，某一处管子突然变细，那么水流会产生反射，或者某一处管子直径变粗，水流也会不平稳。再者好比河道中的水流一样，如果河中间有颗大石头阻挡，那么那处水花会升高，形成紊流，如果河面突然有落差，或者河床有个深坑，水花会下陷。其实这样的例子都能形象地说明特征阻抗不连续时信号会发生反射，造成信号失真。
5.为何是50欧姆的传输线，这是由于历史原因形成的。需要注意的一点是，特征阻抗是传输线的固有特性，它不随着承载电压幅度、频率的改变发生改变。
----总结：特别对高速测量领域，50欧姆阻抗是一个事实上的工业标准，因为高速仪表端口阻抗一般是50欧姆。因此要求测量线缆、链路都要达到这个要求，否则链路连接处会发生信号发射，造成能量损失，信号失真。好比一条标准的高速公路，如果达到50欧姆这个等级，那么小汽车行驶在这条高速路上十分顺畅，车速能达到120码，否则高速公路达不到50欧姆这个等级，那么小汽车会产生颠簸，车速达不到120码。
4.开尔文连接
开尔文（Kelvin）测试就是通常所说的四线测试方式，四线开尔文测试的目的是扣除导线电阻带来的压降。一段30cm长导线的等效电阻大概是十毫欧姆到百毫欧姆，如果通过导线的电流足够大（比如是安培级的话），那么导线两端的压降就达到几十到上百mV。如想准确测量负载两端的电压就必须扣除导线电阻带来的压降。开尔文测试的等效电路如下：
其中RL等效为被测器件，通过V/I源的FORCE线为器件提供恒流，通过SENSE线测量RL两端的电压。而FORCE和AGND导线均存在等效电阻，当流经的电流较大时，势必产生比较大的压降。由于SENSE和DGS直接接到负载两端，且输入阻抗极高，故流过这两根导线的电流可视为零，从而能精确读取负载两端电压。
图2四线法测量两端口器件的示意图
对于双端口的器件，每一个Pad上需要扎两个探针，这样两个Pad上一宗需要扎4个探针。分别形成两个回路。一个回路是Force线，提供恒定电流。另一个回路是sense线，接在电压表上。并且电压表的接入电阻十分大，流过sense线的电流几乎为零。
显然这样，即便连接器件两侧Pad上的探针有接触电阻、探针自身电阻、连接电缆电阻几乎不会对测量结果造成影响。换言之，这就是一种远程测量方法，即可以将测试环境原理测试对象。
----总结：四线法属于一种远程测试方法，遥感测试。因为可以不考虑待测器件两侧端子或者Pad之外的接触电阻，探针自身电阻、导线电阻等等，言下之意，就是测量主体可以距离待测对象很远。另外核心一点是force线提供恒流源、sense线检测电压，两者之间分离。
5.SMU源测量单元与基础电路
5.1 SMU介绍
什么是SMU?直译是源测量单元，具有提供源的能力，也具有测量的能力。再具体一些，就是可以提供电压源、电流源，也可以用来测量DUT的电压、电流。当然上述这些功能可以单独使用或者可以组合使用。
SMU是一只高精度电源仪器，利用SMU可以完成fA级的测量表征。此外，SMU还提供开尔文四线测量功能和一个同时包括双极性电压和功率消耗的能力的四象限输出。SMU可以执行电流扫描和电压扫描，可以利用这一功能可以来表征器件的IV特征。因此，SMU已经在业界被广泛采用，也是半导体领域的研发、生产活动中常用的设备之一。SMU具有四象限输出，它可以提供正电压和正电流（1象限）、负电压和正电流（2象限）、负电压和负电流（3象限）或者正电压和负电流（4象限）。
5.2实际电压源和电流源
当SMU作为源时，可以提供电压源和电流源。理想的电压源是可以这么描述：无论接入Load大小如何变化，Load两端的电压与电源提供的电压大小完全一致。即对于变化的负载Load，理想的电压源是恒定的，是一个恒压源。
实际上，由于电源内部均有内阻，根据分压原理，Load两端获取到的电压值会比电源电压小一点，特别是在轻载时，这种偏差（偏小）会更大，更明显。在重负载时，这种偏差（偏小）会减小。如果当load无穷大，或者断开输出。那么这时才与电源电压相等。
这说明了如果仪表要提供一个稳定的电压源，那么其输出内阻要尽量无限小，逼近零欧姆。
同样，理想的电流源是可以这么描述，无论接入负载Load大小如何变化，流过Load两端的电流与电源提供的电流大小完全一致。即对于变化的负载Load，理想的电流源是恒定的，是一个恒流源。
实际上，任何的电流源都可以等效为一个恒流源与一个较大电阻的并联。根据分流原理，通过Load两端的电流会比提供的理想电流小一点，特别是在重载时，这种分流更明显，导致流过Load两端的电流会更小，出现更大的偏差（偏小的更多），在轻载时，这种偏差（偏小）会减小。如果当load无穷小，或者输出短路时，那么这时才会与理想电流相等。
这说明了如果仪表要提供一个稳定的电流源，那么其输出内阻要尽量无穷大。
5.3电流表和电压表
在讲述电压、电流表的原理时，先说说集成运放，因为讲述电压表、电流表的时很难绕开这个知识点。实际上要测量一个uV、nV或者更小的电压信号或者测量一个pA、fA的电流也是十分不容易的事情。需要对这个小信号进行不失真的放大，然后变成大信号，然后进行离散、采样、数字化然后再显示。
一个基本的差分集成运放单元如下，其中A为运放的放大倍数。集成运放的特性电压虚短、电流虚断。即U+=U-,I+=I-=0。
电压表：根据集成运放的特性可以推出这V0=V2*(1+Ra/Rb），单端输入V2。放大倍数为(1+Ra/Rb）。另外可以看出，电压表的输入内阻十分大，输入电流几乎为零。
推理过程：V0-V2=Ra*I;V2=Rb*I,可以得出V0=V2*(1+Ra/Rb）。如果Ra短路，Rb断开路那么放大倍数为1，这就是一个电压buffer。
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