半导体器件CV测量技术解析

前言：研究器件特性和器件建模都离不开精确的电容电压(CV)测量。精确的CV模型在仿真器件的开关特性，延迟特性等方面尤为重要。目前，在宽禁带器件（GaN/SiC）、纳米器件、有机器件、MEMS等下一代材料和器件的研究和开发中，CV测量的重要性越来越高。因此，必须要了解CV测量的基础。今天就聊一聊CV测量的基础和测量的小技巧。

一、CV测量原理精要

1. 自动平衡桥式CV仪原理
通过公式 Zx=Ix/Vx 测量器件阻抗：

• Hc/Hp端施加交流信号与直流偏置，实时监测DUT两端电压
• Lc端通过参考电阻Rr构建虚拟地，精确计算电流Ix=Rr·Vr
• 优势高频段稳定性强，可覆盖10MHz以下频段

图1：简化的自动平衡桥式CV仪框图

 

2. 主流连接方式对比

方式	特点	适用场景
4PT四线法	高精度，独立电流/电压检测	实验室精密测量
S-2T屏蔽法	简化布线（2端口），误差可补偿	量产测试，集成IV/CV联测

图2：采用Shielded two terminal(S-2T)连接方式

二、晶圆级测试避坑小技巧

On-Wafer CV测量三大干扰源：卡盘寄生电容、漏电流、环境噪声
优化方案：

接线策略

• 低阻抗端（CML）连接栅极，隔离卡盘噪声
• 缩短S-2T线缆长度（建议<30cm）

参数设置

• 信号电平：≥100mV（提升信噪比）
• 积分时间：中/长模式（牺牲速度换精度）
• 频率选择：1kHz-100kHz低频段（规避寄生效应）

图3：On-Wafer测试示意图

三、Keysight B1500A CV模块介绍

硬件方案

• MFCMU模块多频电容测量单元（单插槽集成）
• SMU模块双通道精密直流偏置源
• SCUU+GSWU组合实现CV/IV测量无缝切换，布线误差<0.1%

图4：SCUU模块及电路示意图

软件流程
WaferPro Express操作三步法：

1. 创建测试Routine（定义DUT引脚上施加的激励，有默认Routine可选）
2. 配置SMU偏置（Vgs/Vds/Vbs多参数联动）
3. 设置CV扫描参数（频率/电平/积分时间等）

四、MOSFET电容表征实战

关键电容分量解析

下图显示了MOSFET中的电容分布：

 

 

图5：MOSFET器件界面图

• Cgc（栅-沟道电容）C4+C1+C6（含交叠电容）
• Cgb（栅-衬底电容）反向偏压下主导器件特性
• Cgg（总栅电容）全面评估器件开关速度
• Cgd, Cgs（栅极和漏极/源级电容）漏极和源级结电容

测试配置范例

测试类型	连接方式	WaferPro Routine设置
Cgc_Vgs_Vbs
Cgb_Vgb_Vdb
Cgd_Vds_Vgs
Cgg_Vgs_Vds

五、技术趋势

随着第三代半导体器件向高频高压演进，CV测量正面临两大升级方向：

1. 宽频测量扩展至100MHz以上高频段，引入S参数测试。
2. 动态CV分析研究开关瞬态下的电容特性迁移