实验18 MOS结构高频C-V特性测试

MOS结构高频C-V特性测试MOS结构电容-电压特性简称C-V特性测量是检测MOS器件制造工艺的重要手段。它可以方便地确定二氧化硅层厚度、衬底掺杂浓度N、氧化层中可动电荷面密度、和固定电荷面密度等参数。本实验目的是通过测量MOS结构高频C-V特性及偏压温度处理简称BT处理，确定、N、和等参数。一、 实验原理MOS结构如图1a所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体外表形成的空间电荷区有一定的厚度微米量级，而不像金属中那样，只集中在一薄层0.1nm内。半导体外表空间电荷区的厚度随偏压而改变,所以MOS电容是微分电容 1式中是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。现在考虑理想MOS结构。所谓理想情形，是假设MOS结构满足以下条件：1金属与半导体间功函数差为零；2绝缘层内没有电荷；3与半导体界面处不存在界面态。偏压VG一局部在降在上，记作；一局部降在半导体外表空间电荷区，记作,即 2又叫外表势。考虑到半导体外表空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有 3式中是半导体外表空间电荷区电荷面密度。将式2、3代入式1， 4式4说明MOS电容由和串联构成，其等效电路如图1b所示。其中是以为介质的氧化层电容，它的数值不随改变；是半导体外表空间区电容，其数值随改变，因此 5 6式中是相对介电常数。p型衬底理想MOS结构高频C-V特性曲线如图2所示。图中V代表偏压。最大电容,最小电容和最大电容之间有如下关系1： 7式中是半导体的相对介电常数。时，半导体外表能带平直，称为平带。平带时的MOS电容称为平带电容，记作。对于给定的MOS结构，归一化平带电容由下式给出1： 8平带时所对应的偏压称为平带电压，记作。显然，对于理想MOS结构，。现在考虑实际的MOS结构。由于中总是存在电荷通常是正电荷，且金属的功函数和半导体的功函数通常并不相等，所以一般不为零。假设不考虑界面态的影响，有 9式中是中电荷的等效面密度，它包括可动电荷和固定电荷两局部。“等效是指把中随机分布的电荷对的影响看成是集中在Si-SiO2界面处的电荷对的影响。是金属-半导体接触电势差， 10对于铝栅p型硅MOS结构，大于零，通常也大于零正电荷，所以，如图3中的曲线1所示。作为比照，图中还画出了相应的理想曲线曲线0。利用正、负偏压温度处理的方法简称处理可将可动电荷和固定电荷区分开来，负BT处理是给样品加一定的负偏压即，同时将样品加热到一定的温度。由于可动电荷主要是带正电的离子在高温小有较大的迁移率，它们将在高温负偏压条件下向金属-界面运动。经过一定的时间，可以认为中的可动电荷根本上全部运动到金属-界面处。保持偏压不变，将样品冷却至室温，然后去掉偏压，测量高频C-V特性，得到图18.3中的曲线2。由于这时可动电荷已经全部集中到金属-界面处，对平带电压没有影响了，根据9式可得 11假设，由式18.11可以确定中的固定电荷面密度 12改变偏压极性，作正BT处理。加热的温度和时间与负BT相同。正BT处理后，测量高频C-V特性，得到图3中的曲线3。由于这时可动电荷已根本上全部集中到界面处，所以中包含了和的影响。根据式9和式11 13令，由式13可确定可动电荷面密度 14本实验所用仪器设备主要包括三局部:测试台(包括样品台、探针、升温和控温装置等)、高频1MHz或更高C-V测试仪和X-Y函数记录仪。实验装置如图4所示。样品制备中衬底材料、电极面积、氧化层厚度以及电极材料等，均可根据现有的材料和具体工艺条件而定。例如，p型或n型硅单晶抛光片，电阻率610。干氧氧化，氧化层厚度约为100。铝电极或多晶硅电极，面积为。为了保证样品和测试台之间有良好的欧姆接触，最好在样品反面蒸上驴。最后，在400-450 forming gas(10%、30%的混合气体)中退火30分钟，起合金和减少界面态的作用。在上面的讨论中，我们忽略了界面态的作用。事实上，界面态可以从两个方面影响MOS C-V特性：界面态电荷对偏压的屏蔽作用和界面态的电容效应。当偏压改变时，外表势改变，因而费米能级在禁带中的位置发生改变，界面态的填充几率就要发生变化，界面态电荷随之发生变化。这就是说，是偏压的函数。这和、不同，它们不随而改变。、的作用只是影响平带电压，使实际C-V曲线相对于理想曲线在形状上发生改变。比方常见到的曲线拖长、平台等现象。另一方面，在C-V测量中，我们是在偏压上迭加交流小信号。引起，从而引起。所以界面态的作用又可以表现为电容由于界面态是通过和体内交换电子来实现充放电的，它的时间常数较长，通常大于，所以界面态电容只在低频或准静态情形下对MOS电容有奉献。对于1MHz的高频C-V测量，通常不考虑界面态电容的影响。界面态对C-V曲线的影响取决于界面态的具体性质，比方态密度、时间常数等。这些性质因样品而异，所以界面态的影响比拟复杂。前面提到的forming gas退火是减少界面态的有效方法。经过这种退火处理，禁带中部的界面态密度可降低到量级以下，对高频C-V测量的影响可以忽略。最后还要特别指出，对于掺杂浓度不是很高或更低的p型MOS样品，高频C-V特性会出现不稳定现象，如图5所示。其原因是场区电极以外的区域存在反型层和正偏压时的正电荷侧向铺伸效应2。在这种情况下，为了正确测量，从而正确地求出衬底掺杂浓度等参数，必须采取措施防止场区反型层的形成。常用的方法是在电极周围再制作一个环型电极隔离环。测试时，环上加一定的负电压，使之屏蔽其下氧化层中的正电荷，到达抑制场区反型的目的。对于硅栅MOS结构，可以用场区离子注入浓硼的方法防止场区反型。*：最近的研究结果说明，禁带中靠近导带底或价带顶附近的界面态，其时间常数可以是微秒量级，因此，即使在1MHz的高频C-V测量中，也不能忽略界态电容的作用。近年来生产的MOS参数测试仪例如HP公司的M4061等，高频C-V测量的频率采用了10MHz。二、实验内容1. 测量初始高频C-V特性曲线。2. 作正、负BT处理。3. 分别测出正、负BT处理后的高频C-V特性曲线。三、实验步骤1. 翻开各仪器的电源，预热10分钟。2. 确定X-Y记录仪的零点和量程。3. 根据被测量样品的最大电容数值用的电极面积和氧化层厚度进行估算选择C-V测试仪相应的电容量程，并按照仪器说明书的规定对所选择的电容量程进行校正。4. 根据样品的少子产生寿命确定偏压C-V曲线，如图6所示。通常可选用每秒100mV的速率，如果仍得到深耗尽的曲线，那么应将速率再放慢，直至得到稳态C-V曲线。5. 作BT处理，条件是：150200，恒温10分钟。偏压的数值根据氧化层厚度来计算，一般认为氧化层中的电场到达可以实现可动离子有效的迁移。假设，取正BT处理或负BT处理。至于先作正BT还是先作负BT，并无特别的规定，通常是先作负BT。正、负BT处理之后，分别测量高频C-V特性曲线。四、数据处理和分析1. 由初始C-V曲线，可获得和。利用式5和7可求出氧化层厚度和衬底掺杂浓度N。2. 利用式8求出。3. 由实验曲线确定、和。4. 查表或计算求出。5. 利用式12和14分别求出和。6. 如果或较大量级或更大，分析一下原因比方硅片清洗不干净，氧化系统有玷污等等，进而提出改良措施。7. 如果C-V曲线形状异常，可以配合界面态的测量来分析原因。五、思考题以下情况对高频C-V特性有什么影响？为什么？1. 偏压的扫描速率太快。2. 界面处有较多的界面态。3. MOS样品的反面衬底和测试台接触不好。4. p型样品，场区有反型层。5. 金属-界面处有可动离子陷阱，对正、负BT处理后得到的有什么影响？对同一样产品，反复作BT处理，有什么变化？6. 光照对高频C-V有什么影响？解释其原因。7. BT处理过程中，为什么偏压要始终加在被测样品上？六、参考文献1 刘恩科、朱秉升，半导体物理学，国防工业出版社，1979.2 马鑫荣、田立林、李志坚，半导体学报，第2卷，第4期，288.1981.