IV 測定の基礎 2016 年 1 月 28 日キーサイトテクノロジー合同会社電子計測本部アプリケーションエンジニアリング部門新井崇雅

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さあしゃさわまつ
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1 IV 測定の基礎 2016 年 1 月 28 日キーサイトテクノロジー合同会社電子計測本部アプリケーションエンジニアリング部門新井崇雅

2 はじめに半導体デバイスは材料の多様化に伴い評価すべき項目は止まることなく増加していますしかし正確な電流や電圧などの測定が必要な場面ではちょっとした不注意から期待する結果が得られない例が多く見られるようになっています半導体評価に欠かすことのできないオンウェハーでの IV 測定を精度良く行うための基本技術を紹介します

3 目次 I-V 特性評価装置微小電流測定のテクニック 4 端子抵抗測定のテクニック

4 目次 I-V 特性評価装置 MU とは微小電流測定のテクニック 4 端子抵抗測定のテクニック

Guard MU Force MU ens B1500A シリーズ MU の構造 MU 出力端子の構造 (

5 MU とは ource Measure Unit の略電圧電流印加と測定が可能な DC 電源電流 / 電圧印加 / 測定の切り替え機構によりさまざまなパラメータを接続を変えずに測定可能 x1 A V または MU Guard MU Force MU ens B1500A シリーズ MU の構造 MU 出力端子の構造 ( トライアキシャルコネクタ ) Common Guard Force / ense Force B2900A シリーズ ense

6 目次 I-V 特性評価装置微小電流測定のテクニック AC 電源ラインのノイズ適切な配線測定レンジ選択適切な積分時間適切な待ち時間 4 端子抵抗測定のテクニック測定環境測定器の設定

7 微小電流測定のテクニックトランジスタの Id-Vg 特性 (Transfer 特性 ) この特性はトランジスタ本来の値? 測定器の限界? 測定環境の問題?

8 AC 電源ラインのノイズ測定環境電源ラインは広いノイズスペクトラムを持っているため事実上もっとも影響度の高いノイズ源 AC 電源ライン自身 (50Hz,60Hz) 照明機器用の AC 電源ライン真空ポンプ用の AC 電源ライン静電結合がノイズを拾う原因

9 AC 電源ラインのノイズへの対策シールド測定器側の積分時間を電源周期の倍数に設定

10 電流 [A] シールドの効果 OPEN 状態 0.1PLC でリーク電流を測定ノイズレベルシールドなし :±80 papp シールドあり :±1 papp 時間 [s]

11 配線の失敗例測定環境 MU コモン端子をコアキシャルケーブルの外部導体に接続トライアキシャルケーブルコアキシャルケーブルマニピュレータ問題点 : (1) 誘電吸収 MU 電圧印加後電流が安定しない (2) リーク電流 (3) ノイズコネクタープレート等価回路 A 配線容量絶縁抵抗誘電吸収ケーブルノイズ

12 適切な配線 ( ガード端子を利用 ) 測定環境トライアキシャルケーブルが理想コアキシャルケーブルの場合トライアキシャルケーブル MU トライアキシャルケーブル MU ガード MU G コアキシャルケーブルコネクタープレート A MU ガード A MU ガードプローバ内をコアキシャルケーブルで配線する際に有効トライアキシャルコアキシャルコアキシャルケーブルの外皮には芯線と同じ電位が印加されるコアキシャルケーブルの外皮は必ず Floating させる GND に落とさない必ずインターロックと併用する

13 Triax-BNC 変換アダプタ製品番号パーツ番号概要概略図注意事項 N1254A Triax (m) to BNC (f) N1254A Triax (f) to BNC (m) ガードとコモンが接続されているため MU に接続できない CV 測定で使うことあり N1254A-103 N1254A Triax (m) to BNC (f) Triax (f) to BNC (m) 微小電流測定( 約 1nA 以下 ) に有効なアダプタ BNCのシールドにガード ( フォースと同電位 ) がつながるた Triax (f) to BNC (f) め BNCのシールドを触れたりグランドに落としたりしないように注意 N1254A-105 N1254A Triax (f) to BNC (m) Triax (m) to BNC (f) 微小電流測定( 約 1nA 以下 ) に不向きなアダプタ BNCのシールドがグランドのため安全 N1254A Triax (m) to Triax (f) GNDU 用アダプタ

14 測定レンジの選択測定器の設定微小電流測定には適切なレンジ選択が必要レンジングモードオートレンジング最高分解能で測定できるように測定値に合わせて測定レンジを自動設定する電流リミテッドオートレンジングオートレンジングと同様の動作を行う指定したレンジ値以上のレンジを使用する電流固定レンジ指定したレンジを使用する電流電圧電圧 : レンジング動作のイメージ : 測定値のイメージ電圧

15 測定レンジの選択測定器の設定種々の測定レンジによる IdVg 特性例リミテッドオート 1uA リミテッドオート 100nA リミテッドオート 10nA リミテッドオート 100pA リミテッドオート 100pA にて 100fA を安定に測定可能

16 積分時間と測定値測定器の設定電源周期 (Power Line Cycle:PLC) の倍数に設定することで電源由来のノイズ成分をキャンセルできる確度と測定時間はトレードオフ適切な積分時間に設定する種々の積分時間による IdVg 特性例 :640us :1PLC :4PLC :8PLC

17 待ち時間の設定電圧印加から測定開始までの待ち時間を調整することでデバイス及び測定系の浮遊容量への充電電流を避けて測定する待ち時間の調整往復掃引等により影響を確認待ち時間の種類 Hold Time: スタート電圧設定後最初の測定までの待ち時間 Delay Time: 各掃引ステップにおける待ち時間 Wait Time: 測定レンジごとに MU が自動設定する待ち時間待ち時間の概念図

18 Delay 時間の影響 LED 0V to 1V 10mV tep 往復掃引で Delay 時間の影響を確認 Delay:0s Delay:100ms

19 目次 I-V 特性評価装置微小電流測定のテクニック 4 端子抵抗測定のテクニック

20 4 端子抵抗測定 ( ケルビン接続 ) 抵抗測定におけるケルビン接続の効果接続の配線抵抗およびコンタクト抵抗による影響を排除 TEG 内部の寄生抵抗の影響も排除非ケルビン接続測定 R T I 1 R R T ケルビン接続測定 R T V 1 R V 2 I 1 R T 電流源 I1 R F R F F V V 1 V 2 電圧計 V1 電圧計 V2 V F 電圧源 0V 電流源 I1 R F R R R F F V 電圧計 V1 電圧計 V2 V F 電圧源 0V V 1 - V 2 R 測定 = = R + 2 x (R F +R T ) I 1 R 測定 = V 1 - V 2 I 1 = R

21 ケルビン接続例 MU3 MU 4ch の場合 MU2 MU4 MU3 MU2 MU1 MU4-Force MU3-Force MU1-Force MU2-Force MU4 MU1 Force ense MU 2ch の場合 MU2-Force MU1-Force MU2 MU1 MU2-ense MU1-ense Force-ense 間許容電位差は 3V 以内

22 4 端子抵抗測定における注意点有機グラフェン材料などは金属電極とのコンタクト抵抗が大きい場合が多い B1500A にて 2MU でケルビン接続をする場合 Force-ense 間抵抗を介して電流が流れてしまい正確なケルビン測定ができない R T V 1 R V 2 I 1 R T B1500AMU の構造 x1 A V MU Guard MU Force MU ens 電流源 I1 R F R R R F I I F V 電圧計 V1 電圧計 V2 V F 電圧源 0V R T 大のとき ense 端子から電流が流れ ense 端子で電圧降下が発生し電圧を正確にモニタできない

23 有機材料の 4 端子抵抗測定解決策 1 4MU でケルビン接続する Force-ense 間抵抗による誤差が発生しない MU3 MU 4ch の場合 MU2 MU4 MU3 MU2 MU1 MU4-Force MU3-Force MU1-Force MU2-Force MU4 MU1 Force ense

24 有機材料の 4 端子抵抗測定解決策 2 B2900A 4-Wire 設定で 1MU でケルビン接続する B2900A は Force-ense 間に抵抗が接続されていないためコンタクト抵抗が大きくても ense 端子の電圧降下は起こらない B2900A eries A - x1 Guard High Force High ense R T V 1 R V 2 I 1 R T R F R R R F V - Low ense Low Force GND B2900AMU の構造 B2900A は Low 端子があるため 1MU で測定可能ただし Force-ense 間電圧は 3V 以内である必要がある 3V 以上離れてしまうような場合には使用できない

25 有機材料の 4 端子抵抗測定解決策 3 B2900A 2-Wire Floating 設定で 2MU でケルビン接続をする MU1 ( 電流源 ) R T 電流源 I2 = 0A Force-ense 間抵抗や電位差の制限なく測定が可能 I 1 I 1 R V 2 R F R R F R R T MU2 ( 電圧計 ) F F 電流源 I1 V 電圧計 V1 V 2 V 電圧計 V2 Floating B2900A は MU を Floating にできるためこのような接続が可能

26 まとめ I-V 特性評価装置 IV 特性評価には電流 / 電圧印加 / 測定可能な MU が最適微小電流測定のテクニックノイズ光温度等の環境による要因を排除する Guard 接続が重要適切な積分時間レンジ待ち時間を設定する 4 端子抵抗測定のテクニック高コンタクト抵抗のデバイスには 4MU や Floating した 2MU のケルビン接続が有効

27 付録その他の微小電流測定のテクニックケーブルノイズ誘電吸収光によるリーク電流温度によるオフセット電流ウェハープローバにおける実例

28 ケーブルノイズ測定環境ケーブルにより発生するノイズの原因は圧電効果と摩擦圧電効果 - 機械的な圧力が絶縁体に加えられることで発生摩擦 - ケーブルが振動などで動いた場合に導電体と絶縁体の界面の摩擦により発生対策 - 低ノイズケーブルを使う - ケーブルを強く押し付けない動かさない or 固定する

29 ケーブルノイズの例測定環境トライアキシャルケーブルとコアキシャルケーブルの振動によるノイズ比較トライアキシャルケーブルの構造芯線 (Force / ense) 絶縁体コアキシャルケーブル半導体層被覆 ( 絶縁体 ) 外層導体 ( Common ) 絶縁体中層導体 ( Guard ) 低雑音トライアキシャルケーブル低雑音トライアキシャルケーブルは微小電流測定に絶大な効果を発揮ケーブルを固定し振動を加えない

30 誘電吸収 Current Meter 誘電吸収電流測定環境 Voltage ource A 絶縁材料 Voltage Current time 測定ニードルとシールド間の絶縁物で形成される浮遊容量も誘電吸収の原因となる time 特徴 : 誘電吸収は印加電圧が変化する際に生じる穏やかで不安定なリーク電流の変化として現れるリーク電流はある時定数を持って収束する対策 : ガード技術を活用する金属は GND に接続し極力塗装や絶縁体を設けない絶縁物を測定物の近くに置かない誘電吸収によるリーク電流の大きさは絶縁材料に大きく依存テフロンは誘電吸収特性が良好

31 光によるリーク電流測定環境 - 空乏層への光の照射により電子正孔対が発生しこれらがリーク電流として観測される - 非常に不安定で場合によっては穏やかに変化対策 : 測定中は光源を切る光が当たらないように暗幕などで覆うプローバの遮光性能を再点検!

32 温度によるオフセット電流測定環境測定器ケーブルの温度が変化するとオフセット電流が発生する温度変化による微小電流のズレ Im (fa) 時間トライアキシャルコネクタを暖めた例 Triaxコネクタを指で挟む対策 : 100fA 以下の測定では空調の風が直接当たらないように覆いをかける短時間の場合は空調を止める測定セットアップ後温度が安定するまでの時間を置いて測定を開始する

33 ウェハープローバにおける実例 1. AC 電源ラインの実装電源ソケット照明器具真空ポンプをシールドボックスの内部に置かない電源ケーブルをシールドボックスの内部に置かないもしくはシールドで覆う

34 ウェハープローバにおける実例 2. ガード技術の適用 - ガード構造を持ったウェハーチャックトップを使用する - ガード構造を持った針を使用する - コネクタプレートと針との間の接続には低ノイズのケーブルを使用する

35 ウェハープローバにおける実例 3. 誘電吸収 - シールドボックスの中には誘電吸収を引き起こすものが多く存在 - ケーブルのジャケット遮光用のプラスチックシートドアノブなど - できる限りこれらをシールドボックスの外に出す - もしくは内部にてシールドする - またはテフロンなどの材料に置き換える

36 ウェハープローバにおける実例 4. シールド - 電気的に接続されていない導電体はただの受信アンテナにすぎない - シールドボックスのそれぞれの部品間の電気抵抗を確認 - 機械的な接続が電気的な接続も果たしているとは限らない - 例えばドアのヒンジスライド機構塗装された金属ねじなど - シールドボックスシールドボックス内の部品がグランドに接続されているかどうか確認 - 接続は電線で確実に行う

37 ウェハープローバにおける実例 5. ケーブルの使用 - 測定ケーブルは固定する - シールドボックス配線内部 - 測定器とシールドボックス間 - 低ノイズケーブルを使用する - 内部絶縁材が半導体層でコーティングされている - 極力ケーブル長は短くする - できればプローバと測定器はしっかりした台に設置

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半導体エンジニアのための CV( 容量 - 電圧 ) 測定基礎キーサイトテクノロジー合同会社アプリケーションエンジニアリング部門アプリケーションエンジニア柏木伸之 Page 1 これから CV 測定を始める方へ CV 測定はデバイス評価において幅広く使用されている測定手法です本セミナでは CV 測定の重要性基礎測定テクニックについてご紹介いたします Page 2 目次 CV 測定とは?CV

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