MOS结构C-V特性测量及BT实验

实验四MOS结构C-V特性测量及BT实验一.实验目的与意义对MOS结构测量其高频电压-电容（C-V）曲线，以及利用正、负偏压温度处理方法（简称BT试验）进行Si/SiO2界面研究，可以获得MOS结构的多个参数：二氧化硅层的厚度，衬底硅掺杂类型、浓度，以及二氧化硅层中可动电荷与固定电荷密度。通过实验全过程的操作及数据处理，使学生加深对所学“固态电子论”中半导体表面理论的理解，特别是硅-二氧化硅系统性质的理解。掌握用C-V方法测量MOS结构样品的多个参数。二.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表面形成的空间电荷区有一定的厚度（在微米量级），而不象金属那样，只集中在一薄层（约0.1nm）内。半导体表面空间电荷区的厚度随外加偏压VG而改变，所以MOS电容C是微分电容。(a)结构示意图(b)等效电路(c)p-SiMOS理想C-V曲线图4-1MOS结构及其C-V特性GGdvdQAC（4-1）式中：QG是金属电极上的电荷面密度；A是电极面积。理想情形可假设MOS结构满足下列条件：①金属-半导体间的功函数差为零；②SiO2层中没有电荷；③SiO2与半导体界面处不存在界面态。偏压VG一部分降在SiO2上，记为Vo；一部分降在半导体表面空间电荷区，记为Vs，即：SGVVoV(4-2)Vs又称为表面势。考虑到半导体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:GsQQ(4-3)式中：Qs为半导体表面空间电荷区电荷面密度。将（4-2）、（4-3）代入（4-1）式，有：+3120SOGGGdVdVdQAdVdQACSOSOCCCC（4-4）式（4-4）表明MOS电容是C0和Cs串联而成，其等效电路为图4-1的b所示。其中Co是以SiO2为介质的氧化层电容，它的数值不随VG改变，Cs是半导体表面空间电荷区电容，其数值随VG改变。因此，有：000dACrO（4-5）SSSdVdQAC（4-6）式中:ε0=8.86*10-12F/m、εr0=3.9*10-12F/m分别为真空介电常数和二氧化硅相对介电常数。由式（4-6）看，Cs的大小主要由空间电荷区单位面积电量Qs随表面势Vs的变化而定。P型硅的理想MOS结构高频C-V特性曲线如图1的c所示，V轴表示外加偏压，C轴是电容值。最大电容CmaxCo，最小电容Cmin和最大电容Cmax之间有如下关系：21)4(1120maxminirSOrsronNLnNqKTdCC(4-7)式中：N为Si衬底参杂浓度；εrs=11.7*10-12F/m，为半导体的相对介电常数；KT（室温）=0.0259eV；q=1.6*10-19C，为电子荷电；ni=1.45*1010/cm3，为Si本征载流子浓度。当Vs=0时，半导体表面能带平直，称为平带。平带时，对应的偏压称为平带电压，记为VFB。显然，对于理想MOS结构，VFB=0。此时，对应的电容称为平带电容，记为CFB。对于给定的MOS结构，归一化平带电容有如下关系：2120)(11NqKTdCCRSOrsroOFB（4-8）考虑实际的MOS结构，由于SiO2中总是存在电荷（通常都为正电荷），且金属-半导体接触的功函数并不相等，两者功函数差记为Vms。因此，VFB也不为零。若不考虑界面态，有下式：msFBVCAqQV00（4-9）图4-2铝栅P-SiMOS结构C-V特性对于铝栅p-SiMOS结构，Vms大于零，Q0也大于0（正电荷），所以VFB﹤0。如图4-2CFBVVFB3VFBVFB2C所示，曲线1是在常温下测量的，曲线0为理想MOS结构曲线。利用正、负偏压温度处理方法（简称BT处理），可将氧化层中可动电荷和固定电荷区分开。-BT处理是给样品加一定的负偏压（即VG﹤0），同时将样品加热到一定温度，由于可动电荷（主要为钠离子）在高温下有较大的迁移率，在负偏压下将向Al/SiO2界面运动；然后，保持偏压不变，将样品自然冷却到室温；最后，去掉偏压，测C-V特性，得到图2中的曲线2。此时，可动电荷都迁移到Al/SiO2界面处，对平带电压没有影响，由式（4-9）可得：fQQ0（4-10）msfFBVCAqQV02（4-11）式中：Qf是固定电荷面密度。若Vms已知，则可确定二氧化硅中固定电荷面密度:AqVVCQFBmsOf)(2（4-12）改变偏压极性，作+BT处理，加热时间和-BT相同。与-BT同样测量C-V特性，将得到图2中的曲线3。由于这时可动电荷基本上都移到Si/SiO2界面附近。所以VFB中包含有固定电荷和可动电荷的影响。可动电荷面密度为QI，有：fIQQQ0（4-13）msOfOIFBVCAgQCAgQV3=-FBOIVCAgQ(4-14)令32FBFBFBVVV，并由(4-14)式可得可动电荷面密度：AqVCQFBOI(4-15)三.实验内容采用高频C-V测试方法，以及正、负偏温（±BT）实验，测量MOS结构的C-V特性曲线；并通过数值计算得到MOS结构样品的多个特性参数：衬底硅掺杂类型、浓度，二氧化硅层的厚度，以及二氧化硅层中可动电荷与固定电荷的面密度。四.实验仪器与样品哈尔滨工业大学研制的高频C-V特性测试仪，计算机控制系统，打印机，【-具有偏压、加热控温装置的多功能探针台，显微镜。高频C-V特性测试系统如图4-3所示。图4-3高频C-V特性测试系统示意图另有MOS结构芯片样品若干片。五.实验步骤（一）C-V测试准备如图4-4所示，连接探针台、C-V特性测试仪及计算机。开计算机进入C-V测试状态。测量将样片放在探针台上接好，进行测试，打印测试结果；在显微镜下测量被测MOS结构Al电极直径。六.数据处理1.截图及近似图Al圆片直径为2mm。2.由C-V曲线1确定MOS结构芯片衬底掺杂类型。利用公式（4-5）和（4-7）计算二氧化硅层厚度d0，及衬底掺杂浓度N。利用公式（4-8）计算平带电容CFB；由平带电容得到平带电压VFB。利用公式（4-9）计算二氧化硅层中正电荷面密度Q0。1).MOS结构芯片衬底掺杂类型为N型000dACrO，0=8.86x10-12F/m、0r=3.9，A=3.14mm2，由图像得200pFCmax，Cmin=50pF；2)m105.42d7max0000CACAroro；3)21)4(1120maxminirSOrsronNLnNqKTdCC，掺杂浓度N化简得319-220minaxm103.554])1[(/NLn-NKTqdCCnLnrSOrorsmi）（，估算可得N=1.45x1010/cm3。七．讨论题所测曲线及数据与理论是否相符，如不相符分析原因?①激励正压不断增加，电容没有出现最大值，而是持续增加。原因：半导体表面态处于非平衡深耗尽状态，由于空间电荷区少子产生速度没有电压变化快，反型层来不及建立，为满足电中性条件，耗尽层延伸到半导体深处，产生大量电荷，由于电容和空间电荷区深度成反比，所以电容可以一直增加。②图像比理论图像靠左。原因：SiO2绝缘层里存在电荷，产生电场，影响了空间电荷区的分布；实验中其他存在误差的地方：1.MOS管里半导体不均匀，会有其他杂质造成影响；2.由于MOS管通过导电底板与测量端相连，底板的电容特性会影响到实验结果；3。测量仪器内部产生的误差。八．实验思考与总结通过实验，加深了对半导体表面理论的理解，特别是硅-二氧化硅系统性质，初步了解了使用C-V方法测量MOS结构样品的多个参数。改进意见：1.更换仪器直流模块可以提高仪器直流特性，保持数据的稳定性。也可以不更换，但是需要测量每个数据阶段的直流偏移量，然后在实际数据的基础上去掉直流偏移量；2.选择均匀的样品进行测量，在正式测量前可以先测各个样品的均匀度，选择其中最好的一个进行实验。