隨著半導體工藝的不斷演進，納米級器件（如鰭式場效應晶體管（FinFET）、憶阻器、量子點器件等）在現代電子技術中的應用日益廣泛。這些器件的尺寸已縮小至幾納米甚至亞納米級別，其電氣特性呈現出顯著的量子效應，導致漏電流（Leakage Current）成為影響器件性能和可靠性的關鍵參數。然而，納米級漏電流通常在皮安（pA）至飛安（fA）量級，傳統測試方法易受環境噪聲、測試系統寄生參數及電磁干擾的影響，難以實現高精度測量。為此，吉時利（Keithley）數字源表2400系列通過創新的三軸隔離技術，構建了低噪聲、高精度的測試環境，為納米器件漏電流測試提供了突破性解決方案。

一、納米器件漏電流測試的挑戰與難點
納米器件的漏電流測試面臨以下核心挑戰：
1.電流信號微弱且易受干擾
納米級器件的漏電流通常在亞fA至pA量級（例如，10 fA~100 pA），遠低于常規測試儀器的本底噪聲。此外，測試環境中的靜電放電（ESD）、電磁干擾（EMI）、熱噪聲、測試線纜寄生電容/電阻等因素均可能導致信號淹沒或失真。
2.高阻抗測試需求
納米器件（如高k柵介質MOSFET、隧穿二極管等）的漏電流路徑往往涉及高阻抗節點，要求測試系統具備極高的輸入阻抗（通常需達到10 TΩ以上），以避免分壓效應影響測量精度。
3.測試系統的寄生效應
傳統測試設備中，電源、信號線、接地回路等存在的寄生電容/電感會引入額外的電流路徑，導致測量誤差。例如，測試線纜的寄生電容在高頻條件下可能產生數百fA的位移電流，嚴重干擾真實漏電流的測量。
4.動態測試需求
部分納米器件（如憶阻器、神經形態器件）的漏電流具有時間依賴性或非線性特征，需要測試設備具備快速響應能力（如μs級采樣速率）和動態范圍調節能力，以捕捉瞬態電流變化。
二、吉時利2400的三軸隔離技術解析

吉時利數字源表2400通過三軸隔離技術構建了物理和電氣上的完全隔離環境，有效解決了上述挑戰。三軸隔離技術是指將源表的前端測量電路在三個維度（信號軸、電源軸、地軸）上與主機電路及外部環境實現電氣隔離，具體實現方式如下：
1. 信號軸隔離
光隔離技術：2400采用高速光纖通信模塊，將測量信號通過光電轉換傳輸至主機，徹底切斷信號路徑上的電氣連接。該技術具有以下優勢：
消除共模噪聲：光隔離可承受高達1500 V的共模電壓，有效抑制電源線干擾、地電位差等引起的共模電流。
降低寄生電容：光纖傳輸無寄生電容，避免高頻干擾通過電容耦合路徑進入測量回路。
2. 電源軸隔離
變壓器隔離供電：源表內部測量單元采用獨立的隔離電源模塊，通過高頻變壓器為前端電路供電。該設計實現了以下功能：
電源噪聲隔離：隔離電源將市電噪聲與測量電路完全隔離，避免電源紋波通過供電回路影響測量精度。
浮動測量范圍：隔離電源使測量單元可工作在“浮動模式”，即被測器件（DUT）的電壓參考點可任意設置，無需強制接地，適用于多端口器件測試。
3. 地軸隔離
懸浮地設計：測量單元的地線（GND）與主機系統地及外部大地完全隔離，形成“懸浮地”系統。該設計解決了以下問題：
消除地環路干擾：懸浮地切斷外部地電位差形成的電流回路，避免因地線噪聲導致的測量誤差。
支持差分測量：懸浮地允許用戶配置差分測量模式，進一步抑制共模干擾，提升信噪比。
4. 其他關鍵技術補充
低噪聲前置放大器：2400內置超低噪聲放大器（輸入噪聲密度<0.3 fA/√Hz），結合斬波穩零技術，進一步降低放大器自身噪聲。
屏蔽與濾波：儀器內部采用多層金屬屏蔽腔體，并集成高精度濾波器，抑制射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）。
校準與補償：內置自動校準功能，實時補償溫度漂移、寄生參數等引起的誤差，確保長期穩定性。
三、三軸隔離技術在漏電流測試中的應用
以下是三軸隔離技術在實際測試中的具體應用場景及優勢分析：
1. 高阻抗器件測試
案例：柵氧層漏電流測試
在測試納米級MOSFET的柵極漏電流時，柵氧層厚度僅為12 nm，漏電流可低至10 fA。2400通過三軸隔離技術將輸入阻抗提升至10 TΩ，同時利用光隔離阻斷外界干擾，實現了對柵極襯底間微弱漏電流的精確測量。
2. 多端口器件同步測試
案例：三維存儲器陣列測試
對于堆疊式存儲器（如3D NAND），需要同時測量多個存儲單元的漏電流。2400的多通道同步測量功能結合三軸隔離，可在不同端口施加獨立電壓并同步采集電流，避免通道間串擾。
3. 動態漏電流特性分析
案例：憶阻器阻態切換測試
憶阻器的漏電流隨電壓/時間動態變化，2400通過高速采樣模式（最高1 MS/s）和動態量程切換功能，實時捕捉憶阻器在阻態轉換過程中的亞fA級電流瞬變，揭示其內在物理機制。
4. 極端環境測試
案例：高溫漏電流測試
在高溫（如150℃）環境下，器件漏電流可能顯著增加。2400的隔離設計使其可在高溫箱內直接測量，避免長距離信號傳輸引入的噪聲，同時隔離電源確保高溫環境下儀器自身穩定性。
四、與傳統測試方法的對比
傳統方法 三軸隔離技術（吉時利2400）
使用普通源表+屏蔽箱 三軸隔離+光隔離+懸浮地設計，噪聲抑制能力提升100倍以上
測試線纜長距離傳輸 光纖傳輸+本地放大，消除寄生電容影響
單點接地，易形成地環路 懸浮地設計，徹底消除地環路干擾
動態范圍有限，需頻繁切換量程 7個自動量程，動態范圍達1012A，無需手動調節
校準周期長，易受溫漂影響 內置自動校準，實時補償溫漂及寄生參數
五、典型應用案例：納米級MOSFET漏電流測試
測試目標：評估28 nm節點FinFET的柵極漏電流（目標電流范圍：10 fA~1 pA）。
測試配置：
1. 吉時利2400數字源表（配置三軸隔離模式）
2. 半導體參數分析儀（用于柵極電壓控制）
3. 真空探針臺（環境噪聲<1 pA）
4. 定制低噪聲測試夾具（寄生電容<1 pF）
測試步驟：
1.隔離設置：開啟2400的三軸隔離功能，將源表測量單元與主機及外部環境完全隔離。
2.電壓掃描：通過參數分析儀對FinFET柵極施加03 V的斜坡電壓，同時2400監測漏極電流。
3.數據采集：設置2400采樣速率為1 kS/s，量程自動切換至10 fA檔，實時記錄電流變化。
4.結果分析：提取柵壓漏電流曲線，計算亞閾值斜率（SS）及漏電流密度。
測試結果：
在柵壓2 V時，測得漏電流為15 fA，數據重復性（標準差）<0.5 fA
通過對比傳統源表（無隔離）測試結果，2400的信噪比提升約30 dB，測量誤差降低至0.1%
六、未來發展方向
隨著納米器件向更小型化、多功能化發展，漏電流測試技術需進一步突破以下方向：
1.更高靈敏度：開發亞fA級分辨率的測試儀器，結合量子傳感器技術提升檢測極限。
2.片上集成測試：將隔離電路與納米器件集成，縮短信號路徑，降低寄生參數影響。
3.AI輔助分析：利用機器學習算法識別和補償測試系統中的非線性誤差。
4.多物理場耦合測試：在溫度、應力、電磁場等多物理場條件下進行漏電流動態測試。

吉時利數字源表2400通過創新的三軸隔離技術，構建了低噪聲、高精度的納米器件漏電流測試平臺。該技術通過信號、電源、地軸的全面隔離，有效解決了傳統測試方法中存在的噪聲干擾、寄生參數、動態范圍不足等問題，為納米電子學的研究與開發提供了可靠工具。未來，隨著隔離技術的進一步優化與新型半導體器件的涌現，三軸隔離架構有望成為納米級電氣特性測試的標準解決方案，推動半導體技術的持續創新。

審核編輯 黃宇