MOS结构电容-电压特性

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oxd、衬底掺杂浓度N、氧化层中可动电荷面密度IQ、和固定电荷面密度fcQ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oxd、N、IQ和fcQ等参数。一、实验原理MOS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GV而改变,所以MOS电容是微分电容GGdVdQAC（1）式中GQ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）2OSi绝缘层内没有电荷；（3）2OSi与半导体界面处不存在界面态。偏压VG一部分在降在2OSi上，记作oxV；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作SV,即SOXGVVV（2）SV又叫表面势。考虑到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SCQ是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将式（2）、（3）代入式（1），SoxSoxSoxSoxGGGCCCCCCdVdVdQAdVdQAC111（4）式（4）表明MOS电容由oxC和SC串联构成，其等效电路如图1（b）所示。其中oxC是以2OSi为介质的氧化层电容，它的数值不随改变GV；SC是半导体表面空间区电容，其数值随GV改变，因此oxrooxGoxdAdVdQAC0（5）SSCSdVdQAC（6）式中ro是2OSi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GV。最大电容oxCCmax,最小电容minC和最大电容maxC之间有如下关系[1]：2120maxminln411irsoxrsronNNqkTdCC（7）式中rs是半导体的相对介电常数。0SV时，半导体表面能带平直，称为平带。平带时的MOS电容称为平带电容，记作FBC。对于给定的MOS结构，归一化平带电容由下式给出[1]：212011NqkTdCCrsoxrsrooxFB（8）平带时所对应的偏压称为平带电压，记作FBV。显然，对于理想MOS结构，0FBV。现在考虑实际的MOS结构。由于2OSi中总是存在电荷（通常是正电荷），且金属的功函数mW和半导体的功函数SW通常并不相等，所以FBV一般不为零。若不考虑界面态的影响，有mSoxoxFBVCAqQV（9）式中oxQ是2OSi中电荷的等效面密度，它包括可动电荷IQ和固定电荷fcQ两部分。“等效”是指把2OSi中随机分布的电荷对FBV的影响看成是集中在Si-SiO2界面处的电荷对FBV的影响。mSV是金属-半导体接触电势差，qWWVmSmS（10）对于铝栅p型硅MOS结构，mSV大于零，oxQ通常也大于零（正电荷），所以0FBV，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）。利用正、负偏压温度处理的方法（简称BT处理）可将可动电荷IQ和固定电荷fcQ区分开来，负BT处理是给样品加一定的负偏压（即0GV），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Na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-2OSi界面运动。经过一定的时间，可以认为2OSi中的可动电荷基本上全部运动到金属-2OSi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-2OSi界面处，对平带电压没有影响了，根据（9）式可得fcoxQQmSoxfcFBVCAqQV2（11）若mSV已知，由式（18.11）可以确定2OSi中的固定电荷面密度AqVVCQFBmSoxfc)(2)(2cm（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基本上全部集中到2OSSii界面处，所以3FBV中包含了IQ和fcQ的影响。根据式（9）和式（11）fcIoxQQQ23FBoxImSoxfcoxIFBVCAqQVCAqQCAqQV（13）令32FBFBFBVVV，由式（13）可确定可动电荷面密度AqVCQFBoxI)(2cm（14）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）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6—10cm。干氧氧化，氧化层厚度约为100nm。铝电极或多晶硅电极，面积为81022cm。为了保证样品和测试台之间有良好的欧姆接触，最好在样品背面蒸上驴。最后，在400-450C0forminggas(10%2H、30%2N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GV改变时，表面势SV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SSQ随之发生变化。这就是说，SSQ是偏压GV的函数。这和IQ、fcQ不同，它们不随GV而改变。IQ、fcQ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cV上迭加交流小信号CdV。CdV引起SdV，从而引起SSdQ。所以界面态的作用又可以表现为电容SSSSSdVdQAC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s610，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。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SS等。这些性质因样品而异，所以界面态的影响比较复杂。前面提到的forminggas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1010)(12eVcm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（315/10cm或更低）的p型MOS样品，高频C-V特性会出现mnC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mnC，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。常用的办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，达到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办法防止场区反型。*：最近的研究结果表明，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.打开各仪器的电源，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（用已知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，则应将速率再放慢，直至得到稳态C-V曲线。5.作BT处理，条件是：150—200C0，恒温10分钟。偏压GV的数值根据氧化层厚度来计算，一般认为氧化层中的电场达到cmV/106可以实现可动离子有效的迁移。若nmdox100，取VVG10（正BT处理）或VVG10（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maxC和minC。利用式（5）和（7）可求出氧化层厚度oxd和衬底掺杂浓度N。2.利用式（8）求出FBC。3.由实验曲线确定2FBV、3FBV和FBV。4.查表或计算求出mSV。5.利用式（12）和（14）分别求出fcQ和IQ。6.如果fcQ或IQ较大（211/10cm量级或更大），分析一下原因（比如硅片清洗不干净，氧化系统有玷污等等），进而提出改进措施。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。