C-V测量讲义

高频MOS结构C-V特性测试【引言】MOS（金属－氧化物－半导体）结构的电容是外加压的函数，MOS电容随外加电压变化的曲线称之为C-V曲线（简称C－V特性）。C-V曲线与半导体的导电类型及其掺杂浓度、SiO2-Si系统中的电荷密度有密切的关系。利用实际测量到的MOS结构的C-V曲线与理想的MOS结构的C-V特性曲线比较，可求得氧化硅层厚度、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。oxdIQfcQ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。oxdIQfcQ【实验原理】由半导体平面工艺制备的MOS结构，是在“清洁”硅片上用热氧化、蒸发和光刻等方法制备而成的。其结构如图1（a）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表面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。半导体表面空间电荷区的厚度随偏压而改变,所以MOS电容是微分电容GVGGdVdQAC=（1）式中是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。GQ在分析MOS结构电性能时，常假设有一种理想地MOS结构存在。其满足以下条件：AlSiO2Si衬底VGCoxCs(a)MOS结构示意图（b）等效电路图图1（1）金属与半导体间功函数差为零；（2）在绝缘层（）内没有电荷；2OSi（3）与半导体界面处不存在界面态。2OSi㈠理想MOS结构的电容理想地MOS结构在外形上与实际MOS结构完全相同，在电性能上它满足理想MOS结构的三个假设。在这个机构上加偏压VG时，一部分在降在上，记作；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作,即2OSioxVSVSOXGVVV+=（2）SV又叫表面势。因为考虑的是理想情况，SiO2中没有任何电荷存在，半导体表面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GSCQQ=（3）式中是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将式（2）、（3）代入式（1），SCQSoxSoxSoxSoxGGGCCCCCCdVdVdQAdVdQAC+=+=+==111（4）式（4）表明MOS电容由和串联构成，其等效电路如图1（b）所示。其中是以为介质的氧化层电容，它的数值不随改变；是半导体表面空间区电容，其数值随改变，因此oxCSCoxC2OSiGVSCGVoxrooxGoxdAdVdQACεε0==（5）SSCSdVdQAC=（6）式中roε是相对介电常数。2OSi㈡理想MOS结构的C-V曲线p-Si衬底理想MOS结构高频C-V特性曲线如图（2），曲线上的每一点都同MOS结构的一个能带状态相对应。图中标出了若干有代表性的点，下面结合相应的能带图，作一些简单分析。-6-4-20246AppliedVoltage(V)图2p-Si衬底理想MOS结构的高频C-V曲线Cox(A)(B)(C)(D)(E)(F)CFBC/COX○a偏压的积累电容0〈GV图中V代表偏压，此时金属与半导体加较大的负偏压（金属接负）。表面处能带向上弯曲，这时表面电荷（空穴）随表面势的绝对值GVSV的增大而指数式增长。由于空穴是多子，跟得上高频电压变化，故SSVdQd/很大，空间电荷区电容相当于一个大电容，这时总的电容就近似等于氧化层电容，oxCC≈max，而且几乎不随偏压VG变化。图3（a）给出此情况下的能带图，对应图2中C-V曲线的（A）,（B）段。当负偏压较小时，此时半导体表面空间区电容对总电容的贡献不能忽略，与串联的结果使总电容C变小。因此，，偏置电压SCoxCsC1/〈oxCCGV越小越小，便逐步下降，对应图2中C-V曲线上的（B）（C）段。oxCoxCC/○b偏压的平带电容0=GV在零偏置电压情况下，表面势为零。表面处不发生能带弯曲，如图3（b）所示,对应图2中C-V曲线上的C点。此时QSC=O.这种状态称之为平带状态，总MOS电容用表示，称为平带电容。在MOS结构C-V测试中，是一个很有用的参数，用它可以定出实际C-V曲线的平带点。对应理想C-V曲线上的C点。FBCoxFBCC/(a)积累(b)平带(c)耗尽(d)反型qVEFM(VG＜0)ECEVEFEiEFMECEFEiEV(VG=0)(VG＞0)ECEiEFEVqVECEiEFEVqVEFMQn图3p-SiMOS电容不同偏置电压时的能带图(a)积累，(b)平带，(c)耗尽，(d)反型（V＞＞0）.○c偏压的耗尽区电容0〉GV当偏压为正，但不足以使半导体表面反型时，p-Si的表面能带向下弯曲，空间电荷区处于耗尽状态。空穴耗尽，空间电荷主要是电离的受主杂质。由于耗尽层宽度随的增大而变宽，于是耗尽区空间电荷电容将越来越小，也越来越小。此区域的能带图如图3（b），对应的C-V曲线是图2上的（C）（D）段。dXGVSCoxCC/○d偏压的反型区电容0〉〉GV当外加正偏压进一步增大时，表面处能带相当于体内进一步向下弯曲，表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量,也就是说，费米能级离导带底比价带顶更近一些。这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反地一层，叫做反型层。C-V曲线进入反型区，表面空间电荷内少子（电子）的出现，随偏压的变化是很剧烈地，这些电子屏蔽了绝大部分增加的表面电场，使得只有极少数所增加的电力线穿过反型区进入耗尽区里去，因此随着偏压增大，耗尽区宽度的增加减少了，甚至是基本不增加，达到了一个极大值。但反型层中的电子是p型半导体的少子，其数量来不及随测试电容的高频讯号变动，这时就主要由空间电荷区的电离受主决定，空间电荷区电容达到一个极小值iESCminC。反型情况下的能带图如图3（d）,反型区对应的C-V曲线是图2上的（D）（F）段。对于n型半导体，可以作类似的分析，当金属电极和半导体之间加正偏置电压时（金属接正），半导体表面层内形成多数载流子的积累；当金属电极与半导体之间加不太高的负偏压时，半导体表面层内形成耗尽层，负偏压进一步增大时，表面层内形成有少数载流子空穴形成的反型层。由半导体物理学，时，半导体表面能带平直，称为平带。对于给定的MOS结构，归一化平带电容由下式给出[1]：0=SV212011⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=NqkTdCoxCrsoxrsroFBεεεε（7）式中rsε是半导体的相对介电常数。平带时所对应的偏压称为平带电压，记作。显然，厚度关系。最小电容和最大电容之间有如下关系[1]：FBV对于理想MOS结构，0=FBV。图4给出归一化平带电容与硅衬底的受主浓度及二氧化硅层minCmaxC2120maxminln411⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=irsoxrsronNNqkTdCCεεεε（8）图5给出归一化高频最小电容与受主浓度NoxCC/minA及二氧化硅厚度层厚度dox关系。如果已知二氧化硅层厚度dox和半导体受主浓度NA(NA≈p0),就可以由5式和7式计算得到平带电容；反之，如果从MOS的C-V曲线得到氧化层电容和高频最小电容,那么就可由氧化层电容计算二氧化硅层厚度，再由二氧化硅层厚度doxCminCox和高频最小电容从图4、图5的曲线中查得半导体受主浓度和平带电容。minC㈢实际MOS结构的C-V曲线分析现在考虑实际的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。金属可以通过交换电荷，这些因素对MOS结构的C-V特性产生显著影响。若不考虑界面态的影响，有2OSimWSWFBV2OSimSoxoxFBVCAqQV−−=（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部分。“等效”是指把中随机分布的电荷对的影响看成是集中在SoxQ2OSiIQfcQ2OSiFBVi-SiO2界面处的电荷对的影响。是金属-半导体接触电势差，FBVmSVqWWVmSmS−=（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。作为对比，图中还画出了相应的理想曲线（曲线0）。mSVoxQ0FBV-6-4-20246VFB3理想C-V曲线负BT处理C-V曲线实际C-V曲线正BT处理C-V曲线ΔVFBVFBVFB20213CCFB(V)图6铝栅p-Si结构高频C-V特性表1给出室温下n-Si、p-Si衬底Al栅-SiO2-SiMOS结构的接触电势差。mSVSi的掺杂浓度(cm)-3Al-SiO2-Si(n-Si)(p-Si)1014-0.36-0.821015-0.3-0.881016-0.24-0.941017-0.13-1.00表1.Al-SiO2-Si的功函数差（接触电势差）mSV㈣温度（BT）处理对C-V特性的影响利用正、负偏压温度处理的方法（简称BT±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IQfcQ0GV），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基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+Na2OSi2OSi2OSi2OSifcoxQQ=mSoxfcFBVCAqQV−−=2（11）若已知，由式（11）可以确定中的固定电荷面密度mSV2OSiAqVVCQFBmSoxfc)(2+−=（12）)(2−cm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基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）2OSSii−3FBVIQfcQfcIoxQQQ+=23FBoxImSoxfcoxIFBVCAqQVCAqQCAqQV+−=−−−=（13）令32FBFBFBVVV−=Δ，由式（13）可确定可动电荷面密度AqVCQFBoxIΔ=（14）)(2−cm【实验设备】本实验所用仪器设备主要包括三部分:测试台(包括样品台、探针、升温和控温装置等)、高频（1MHz或更高）hp4275AC-V测试仪,计算机。实验装置如图7所示。手工记录C-V数据计算机Origin软件高频C-V特性测试仪输入输出样片样片室加热装置控温装置风扇冷却装置图7高频C-V测量系统示意图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。干氧氧化，铝电极。为了保证样品和测试台之间有良好的欧姆接触，样品背面蒸上铝。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MOSC-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，表面势改变，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。比如常见到的曲线拖长、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GVSVSSQSSQGVIQfcQGVIQfcQcVCdVCdVSdVSSdQSSSSSdVdQAC=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电容有贡献。对于1MHz的高频C-V测量，通常不考虑界面态电容的影响。s610−界面态对C-V曲线的影响取决于界面态的具体性质，比如态密度、SSN)(12−−⋅eVcm时间常数SSτ等。这些性质因样品而异，所以界面态的影响比较复杂。经过退火处理，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。1010)(12−−⋅eVcm最后