MOS结构高频CV特性测试

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1、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

2、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 （2）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 （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）， （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

3、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。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。若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

4、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基本上全部运动到金属-界面处。保持偏压不变，将样品冷却

5、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）若已知，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） （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

6、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，最好在样品背面蒸上驴。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，表面势改变，因而费米能级在禁带中的位置

7、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。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、时间常数等。这些性质因样

8、品而异，所以界面态的影响比较复杂。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

9、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-

10、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：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达到可以实现可动离子有效的迁移。若，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。