高频-MOS-C-V-电容―电压特性测试

实验高频MOSC-V电容―电压特性测试高频MOS电容―电压特性测试是研究MOS器件、半导体界面性质的重要方法，使用该方法可求得SiO2膜厚度、掺杂浓度、导电类型及氧化层固定电荷、可动电荷密度等电学参数。使用的设备简单，但作BT测量时一定要细心、耐心方能得出满意的结果。本实验的目的及任务是用C―V测试仪、函数记录仪等测出MOS样品C-V曲线，根据该曲线计算一系列样品电学参数；掌握测试原理，学会成套仪器的使用方法。一、实验原理1．理想MOS结构的C―V曲线，其理想MOS结构的假设是：(1)金属与半导体之间的功函数差Фms为零;(2)不考虑氧化层中电荷的作用，电阻率为无穷大，在偏置作用下不导电;(3)二氧化硅与半导体之间没有界面态存在。MOS电容器的结构及其等效电路如图10－1所示。当外加栅压VG为零时，理想MOS结构的半导体表面能带是平直的。测量时，在金属电极上加直流偏压VG，并在该偏压上叠加一个固定频率为1MHz的信号电压△VG，测出相应VG下的MOS电容值C。如果电压从小到大自动加上，则会自动描出C―V曲线。doxAlAlNACdCoxVG图10-1MOS电容器1C(或C/Cox)CCFBCmin高频DEVG(伏)ACoxB图10-2P型Si理想MOS电容C-V曲线0图10―2是P型硅的理想MOSC―V曲线，当金属铝电极上加直流偏压VG时，VG的一部分Vox降落在SiO2膜上，另一部分ψs，表面势降落在半导体上，即VG=Vox+ψS(1)CQdEVoxSoxoxox==(2)式中Eox为氧化硅膜中的电场强度;QS为硅表面区空间电荷密度，Cox为氧化层中氧化膜单位面积电容。其单位面积电容Cox为：dcoxoxooxεε=(3)1其中ε0为真空介电常数，εOX为SiO2相对介电常数。当直流VG上叠加交流小信号电压△VG时，相应的有表面势变化量，△Ψs和表面空间电荷密度变量△QS，则MOS结构的微分电容Cd为：φddQcSsd=(4)由MOS结构的等效电路可知，MOS结构总电容是由固定电容COX与微分电容Cd串联组成，即：C=doxdoxcccc+×(5)由图2看出，P型Si理想MOS结构高频C―V曲线分为三段：AB段：VG0，空穴积累，C=Cox，C/Cox=1;C点(并带点);VG=0，平带，CFB=dooxdoOXccCC+×C/COX1（6）CD段;VG0耗尽区C=doxdOXccCC+×VG↑→C↑DE段；VG》0强反型C=Cmin=XmdxoxoxOX×+⋅)(εεεεD（7）其中Cdo平带时的微分电容，Cdo=(KTNqsAεε⋅⋅⋅02)1/2(8)εS为硅的相对介电常数，Xm为表面耗尽区厚度的最大值。由(3)、(6)、8)式可知，COX与dox有关;Cdo与NA有关;而CFB与dox，NA有关。这里已有计算好的CFB/Cox~dox，NA曲线。从图3中可查出CFB。由(7)式可知表面耗尽区厚度为极大值Xm时，MOS电容具有最小值Cmim其微分电容也有最小值C’dmin.C’dmin.=msXεε⋅0(9)而图10--3归一化平带电容CFB/Cox~(dox，NA)关系XM=(ASNqTK204⋅⋅⋅εε)1/2(10)2总电容C’min=minmindOXdOXCCCC+⋅(11)Cox取决于dox，Cdmin，NA;Cmin取决于dox，NA现有计算好的Cmin/Cox∽dOX，NA曲线，如图4可查出NA。2.实际的MOSC-V结构曲线;实际的MOS结构由于氧化膜中存在着电荷，即使偏压VG=0时，硅表面区能带仍会弯曲，氧化膜中的电荷可分为四种：(1)界面态电荷;主要是硅表面悬挂键形成，表面势发生变化时，悬挂键俘获成或释放电子而形成能级中心。(2)可动离子电荷：主要由碱金属离子Na＋，K＋，Li＋和氢离子形成。在电场和一定温度下能够在SIO2中移动。(3)固定表面正电荷;一般认为是由Si—SiO2界附近过剩的硅离子(或氧空位)引起的，它位于Si—SiO2界面约200Å的SiO2区域内。通硅表面势的变化而变化。(4)电离陷阱电荷：它由各种射线的幅射，常在外电场作用下，它们不移动，带电状况也不随使SiO膜中产生电子-空穴对，在电场作用下，电子被拉向正栅极，空穴将陷在Si—SiO2界面附近。在300℃以上退火，该电荷消失。V曲线，固定表面电荷、可动离子电Si―SiO2界面附近有固定表面正电荷Qr，它在Al电极上感应mrmsG2由于氧化膜中存在电荷，所以实际的C—V曲线要偏离理想C—具体讨论如下：假定电离陷阱电荷和界面态不存在。那么只讨论荷、可动离子电荷和铝图10-4Cmin/Cox与参杂浓度及氧化层厚度的关系硅功函数差的影响。(a)固定表面电荷的影响：出负电荷Q，在Si表面感应出负电荷Qs，且满足下式Q=∣Q+Q∣，这时即使V=0，能带也要向下弯曲，为了使能带重新变平，必须加负偏压，VG=VFB0，由于能带变平了，空34S2GoxFBCox=间电荷区已不存在，那么ψ=0电压则全部降落在SiO层上，即V=V=V，而FBfVQ−，那么VFB=-OXfCQ0平带电压由VFB=0变为VFB=-OXfCQ向平移了，那么C-V曲线向-VG方|Qf/COXCFBmax最大电容和最小电容Cmin与理想V功函数差Φms的影响：Al—Si功函数差Φms和掺杂浓度NA的关系如图10-5所示。0.50-0.5-1.001415116111019电荷和Φms的共同FB2=Φms–|的距离。但平带电容、CC—曲线时相同。(b)Al—Si由于Al—Si功函差为负值，C—V曲线还要往-VG方向偏移一段距离Vms。固定正1.0NNN型SiAuP型Sin型SiAlAuP型SiAl-1.51100017018图10－5Al－Si系统功函数差Φms和NA的关系作用，使平带电压为VOXfCQ(12)从(12)式可求得单位面积SiO2中固定QfVFB2)库仑/厘米2由于离界面200Å之内的正电荷是一2固定电荷的数目Nf，为：f表面电荷：Qf=COX(Φms–-VGVFB3VFB1VFB2VG00.51.0OX①②③CFB/COXC/C0理想曲线图10-6归一化平带电容CFB/COX确定平带电压VFB及正负BT处理对平带电压的影响(13)价硅的正离子，所以单位面积SiO中N=qCOX(Φms-V)个/厘FB米2(14)5为了测定固定表面正电荷，就必须消除可动电荷的影响，因此先对MOS二极管做-BT(负偏压SiO2中可动离子电荷Na+等，可在硅表面感应出负电荷，使fmFB3ms—温度)处理，经过一定时间之后，可动正离子(Na+等)被赶到Al—Si界面附近，使它对硅表面的影响小到可忽略不计的程度。此时所测的C-V曲线②只反映φms和Qf的影响，此时的平带电压用VFB2表示。(C)可动离子电荷的影响;由于C—V曲线往-VG方向平移。为了测出单位面积SiO2中正电荷的数目Nm，首先对MOS二极管做+BT(正偏压—温度)处理，经一定时间后，可动正离子Na+等被赶到Si—SiO界面附近，界面处，正电荷变为Q+Q，其相应的平带电压为V。V=φ-2FB3OXfMQQ+C(15)C—V曲线的平带电压减，得：相应的曲线用③表示。将②与③ΔVFB=VFB2－VFB3=OXMQ(16)C而单位面积SiO2中的可动电荷数目为：Qm=Cox(VFB2－VFB3)=Cox.ΔVFB(17)由于可动电荷是正一价的Na+离子，则可动电荷密度为：Mm=qQM=qCOX(V－FB2FB3(18)择漏电流小的MOS电容，记下图形位置，直径(换算成面积)。用校正实验所用仪器的使用方法;选择样品图形，记下样品原始数据。ox总)。VG=-10V，t=10分钟。等样品温度降到T=180℃，VG=10V，t=10分钟，待样品温度降V)二、实验内容测试盒X-Y函数记录仪UJ106测温电位差计CTG-1型高频C-V仪图10-7实验系统示意图在样品上，选后的C―V测试仪、函数记录仪等测试样品常温C-V曲线以及±BT处理后的C-V曲线，根据该曲线，计算一系列电学参数。三、实验步骤1.充分熟悉本2.用C—V测试仪测量氧化层电容(即加偏压使MOS电容达到最大值时电容C3.用测量到的氧化层电容进行归一化校准，并测量原始样品的归一化C—V特性曲线①并用X-Y函数记录仪绘在座标纸上，选好原点。4.测量-BT处理C-V曲线②。条件为T=180℃，室温，断开加电的导线，绘制曲线。5.测量＋BT处理的C-V曲线③：条件为6到室温由给出的图形，即可得到图形面积A，由实验测出Cox总的最pf(mm)-2dox=ε0εoxoxSi片导电类型。2.求硅片掺杂浓度NA：由实验曲线①测得的，断开加电的导线，绘制曲线。四、实验数据处理和分析1.求SiO2，膜的厚度dox：大电容，求出单位面积电容量，求得dox：Cox=Cox总/A/C(Å)根据C—V曲线形状判定OXCCmin值，又知dox，由OXCCmin~dox，NA查图4中曲线求得NA值。FB：由已知dox、NA、，Cox可由图10—3查3.求平带电容COXCCmin~dox，NA求出CFB/Cox从而得FBVFB2和VFB3：由所求CFB/Cox点(纵座标)作平行于VG轴的直线，直线与曲线②、③f到C。4.求之交点所对应的VG即为VFB2和VFB3。5.求固定表面正电荷密度Nf：N=qCOX(φms-VFB)6.Nm求可动离子电荷密度：Nm=qCOX(VFB2-VFB3)MOSC—V曲线时，原点座标，外加直流变化电压如何选择?BT如何做?与样品台实现欧姆接触?它对测试结果有什么影响?六、时，对样品加热不宜太快，由于采用小炉盘，电压不宜超过40V;同时，赶五、思考题1.在绘制±列出一个简单的进度表。2.怎样才能使样品背面3.分析影响测试结果的主要原因，提出改进方法。注意问题1.做BT处理Na+时样品电源不宜过高，一般取±10V，这时C-V仪的输入与输出均与样品开路;做完BT后，断掉样品电源，方可把输入、输出插头与C-V仪相接，最后绘制曲线。2.加热温度由电位差计或数字温度表读出。降温时，采用电吹风降温，提高降温速率，待样品并记录实验仪名称，型号等。七、宗明：《半导体物理实验》，高等数学出版社，1986。83。到室温，方可绘制曲线。3.做完实验，按要求关闭电源参考资料1.孙恒慧、包2.《半导体专业实验讲义》，电子科大半导体室，1986。3.王家骅、李长键：《半导体器件物理》，科学出版社，197置于负一正，(P型样品相反)，电压量程25V，X、置于测量，调节调零旋钮，使Pf表指示为零;再将挡置200Pf，调节调零旋钮容，以消除小信号的非线性。画出坐度。首先调零，之后打向测量，读出热电动势;查器至20伏，使该电压对样品台的电炉加热到180℃，这时实际值T=180℃+室温只是加压与-BT不同。做+BT时，对样品加压采用正附录：C-V测试仪及X-Y记录仪的使用方法：1.准备：在C—V测试仪上，将偏压挡极性记录速度断，自动记录置准备，断开输入，输出接头。电容端；估计被测电容大小。幅度在20db，接通电源开关预热20分钟;调零，校准，将开关最后调至测量位置，选择置于内。对于X—Y记录仪，X置于10mV/cm，Y置于5mV/cm，Y1、Y2置准备，抬笔。记录仪的Y分别与C—V仪的X、Y、地相接，X—T开关置于X;开启电源预热20分钟，这时调节X、Y方向旋钮，记录笔在X、Y方向移动。2.测试：(1).将Pf表使Pf表指示为零，然后调节校正及衰减旋钮，使Pf表满度。反复两次后将选择开关置于测量位置。接入输入、输出插头。注意(极性)调节偏压使电容为最大(Cox总)，记下此值。再调结校正使Pf表满度100%，这时的数值为归一化的数据。如果样品容量较小时，要在面板插入一个固定电(2).对于X-Y记录仪：X、Y先置短路位置，并调节X、Y旋钮，选择原点落笔标，抬笔。将Y置于5mV/cm，X置于10mV/cm。C—V仪的自动记录开关由准备打向记录，调节速率，画出C—V曲线①。抬笔，把记录倒向准备。(