高频MOSC-V电容―电压特性测试

1、实验 高频MOS C-V电容一电压特性测试高频MOS电容一电压特性测试是研究MOS器件、半导体界而性质的重要方法，使 用该方法可求得SiO?膜厚度、掺杂浓度、导电类型及氧化层固泄电荷、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。本实验的冃的及任务是用CV测试仪、西数记录仪等测出MOS样品C-VII1I线，根据该 1111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-V111线，其理想MOS结构的假设是：(1) 金属与半导体Z间的功函数差ems为冬；(2) 不考虑氧化层中电荷的作用，电阻率为无

2、穷大，在偏置作用下不导电；(3) 二氣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101所示。当外加栅床Vg为零时，理想MOS结构的半导体表面能带是平直的。测量时, 加一个固定频率为1MHz的信号电压AVg， 到大自动加上,则会H动描出C-V曲线。在金屈电极上加门流偏压Vg，并在该偏压上卷 测出相应Vg下的MOS电容值C o如果电压从小A1丄5.7)-CdNaoVGAl.1JdoxCminCfb高频EDn C(或 C/CQ#图10-1 MOS电容器0Vg(伏)图10-2 P型Si理想MOS电容C-V曲线图10-2是P型硅的理想MOSC-V曲线，当金属铝电极上加比流偏压Vg

3、时，VG的一 部分Vbx降落在S1O2膜上，另一部分Ws，表而势降落在半导体上，即VG = Vox + Ws(1)E o.t d#式中E。乂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：ox其中5为貞空介电常数，£ox为S1O2相对介电常数。当H流Vg上矗加交流小信号电压Vg时，和应的有表而势变化晟，屮s和表而空间电荷密度变SAQs.则MOS结构的微 分电容Cd为：2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：(5)由图2看出，P型Si理想MOS结构高频C-V |11|

4、线分为三段:AB段：VG«0,空穴积累，C = C°x，C/Cox=l；C点併带点）；Vg = 0,平带，Cf沪誓严C/C°x<l （6）CD段；VG >0 耗尽区心4DE段；Vg0 强反熨(7)其中Cd。半带时的微分电容,Cdo=(KT(8) S为硅的相对介电常数，Xm为表面耗尽区厚皮的最大值。由（3）、（6）、8）式可知，Cox与dox有关;Cd。与Na有关Cfb与d°x，Na有关。这甲.己有计算好的CFB/Cox-dox ,Na曲线。从图3中可査出CFBo 由（7）式可知表而耗尽区厚度为 极大值Xm时，MOS电容具有放小值 Cgm其微分

5、电容也有瑕小值C5dnun %£$图10-301化半帯电容Cr / Cox-(dox, Na)关系XM=(4r0 £s K T)12(10)#(11)总电容C minCox取决丁dox, Cn，Na ; Cmm 取决 T-dox, Na现有计算好的Clllin / COx-dOx，皿山1 线，如图4可査出Na°2. 实际的MOS C-V结构曲线；实际的MOS结构由于氧化膜中存在着电荷，即使偏床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) 界而态电荷;主耍是硅表而悬挂键形成，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)

6、 可动离子电荷：丰要由碱金屈离子Na+, K IT和氧离子形成。右吨场和一罡沿度下能够在SIO2中移动。固泄表面止电荷;一般认为是由SiS102界附近过剩的硅离子(或氧空位)引起的，它位TS1S102界面约200A的S102区域内。通常在外电场作用下，它们不移动，带电状况也不随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，使S102膜中产生电子空穴对， 在电场作用下，电子被拉向止栅极，空 g 穴将陷AS1S1O2界面附近。在300C 冷 以上退火，该电荷消失。由于氧化膜中存在电荷，所以实 际的CV曲线耍偏离理想CV曲线， 具体讨论如下：0假定电离陷阱电荷和界面态不存在。那么只

7、讨论固定表面电荷、可动 离子电荷、可动离子电荷和铝图1(M C昨Cg与参杂浓度及氧化层厚度的关系硅功函数差的影响。如入)(盯固肚表而电荷的影响：S1-S1O2界而附近冇固定表面止电荷Q,它在A1电极上感应 出负电荷Qm，在Si表面感应出负电荷Q, IL满足下式Q产iQm+Qsl，这时即使Vg-O,能 带也耍向下弯曲，为了使能带重新变平，必须加负偏斥，Vg=Vfb<0,由丁能带变平了，空4间电荷区已不存在，那么Ws = O电压则全部降落在S1O2层上，即Vg = VoX = Vfb，而C°x=，那么Vfb = 黑 0平带电床由Vfb =0变为Vfb =.工,那么C-V|ll|线向

8、Vg方 向平移了 IQ/Coxl的距离。但平带电容Cfb、最大电容和最小电容Cn与理想CV 曲线时相同。(b)AlSi功函数差ms的影响：小一9功换数差5山 和掺杂浓度Na的关系如图10-5 所示。由于AlSi功丙差为负值，CV曲线还要往-Vg方向偏移一段距离Vo |A1定正图10-5 A1-S1系统功函数签Cms和Na的关系51.00.500图10-6归一化平带电容Cre/Cox确定平带电压及正 负BT处理对平带电爪的影响-理想曲线Crg/Cox1、.111111111:VpB3 IFBl Vre2111C/Cox(14)电荷和ms的共同作用，使平带电压 为VpRins 生 (12)从(12

9、)式可求得单位而积S1O2中固肚表面电荷Q：QfhCoxWms VfB2)库仑/厘米$(13)由T-离界面200A之内的IE电荷是一价硅的止离子，所以单位面积S1O2中 固定电荷的数目Nf,为:2=竽(皿Vfb)个/厘米2为了测立固加表而止电荷，就必须消除可动电荷的影响，因此先对MOS二极管做BT（负 偏压一淤度）处理，经过一定时间Z后，可动1E离子（N*等）被赶到AlSi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CV曲线只反映©q和Q的影响, 此时的平带电床用VFB2表示。（C河动离子电荷的影响;由丁SO2中可动离子电益Na+等，可在硅表而感应出负电荷，使 CV

10、lltl线往Vg方向平移。为了测出单位而积S1O2中止电荷的数目Nm，首先对MOS二极管做+BT（止偏压一温度）处理,经一定时间后，可动止离子Nf等被赶到SiSiO2界而附近，界而处，1E电荷变为Qf+Qm，其和应的平帶电压为VfB3。(15)Vfb3 = 4匹飞厂相应的曲线用表示。将与CV曲线的平带电爪减，得AVFB =Vfb2 一 VFB3 半（16）L ox'夕而单位面积S1O2中的可动电荷数目为:Qm=Cox(VFB2 Vfb3)= Cox AVfb(17)Mm哼=乎曲5）(18)图10-7实验系统示总图由丁可动电荷是价的Na千离子，则可动电荷密度为:二、实验内容在样品上，选择

11、漏电流小的MOS电容，记下图形位置，何径（换舁成而积）。用校疋 后的CV测试仪、函数记录仪等测试样品常温C-Vllll线以及土BT处理后的C-V曲线，根据该Illi线，计算一系列电学参数。三、实验步骤1. 充分熟悉本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。2. 用CV测试仪测鼠氧化层电容（即加偏压使MOS电容达到垠人值时电容C°x总）。3. 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!II一化CV特性|11|线 并用X-Y函数记录仪绘在座标纸上，选好原点。4. 测帚？BT处理C-Vllll线。条件为T=180°C, VG=-10V, t=10分钟。

12、等样品温度降到 室温，断开加电的导线，绘制曲线。5. 测S+BT处理的C-V111线：条件为1=18013, VG=10V, t=10分钟，待样品温度降到室温，断开加电的导线，绘制曲线。四、实验数据处理和分析1. 求S1O2,膜的厚度d曲 由给出的图形，即可得到图形面积A,由实验测出C°x总的最 大电容，求出单位面积电容最，求得dg：Cox = Cox 总 /Apf(nmi)-2d。迁e o £ ox/ Cox (A)根据C-Vllll线形状判定Si片导电类型。2. 求硅片掺杂浓度Na：由实验Illi线测得的言值，乂知cU，由 冷d°x，Na査图4中曲线求得Na值

13、。3. 求平带电容Cfb：由己知可由图103査舎d°x，Na求出CW从而得到 Cps。4. 求Vfb2和Vfb3：由所求Cfb/Cox点(纵座标)作平行丁 Vg轴的fi线，血线与曲线、 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：6. 求可动离子电荷密盛Nm：五、【考题1. 在绘制MOSCV曲线时，原点座标，外加任流变化电压如何选择？ 土 BT如何做?列出一个简单-的进度表。2. 怎样才能使样品背面与样品台实现欧姆接触?它对测试结果有什么影响？3. 分析影响测试结果的主耍原因，提出改进方法。六、注意问题1. 做BT处理时，对样品加热不宜太快，由丁采用小炉

14、盘，电压不宜超过40V;同时，赶 NF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、输岀插头与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, 待样品到室温，方可绘制Illi线。3. 做完实验，按耍求关闭电源并记录实验仪名称，醴号等。七、参考资料1. 孙恒慧、包宗明：半导体物理实验，禹等数学出版社，1986。2. 半导体专业实验讲义，电子科人半导体室，1986。3. 土家骅、李长键：半导体器件物理，科学出版社，1983。附录：CV测试仪及X-Y记录仪的使用方法

15、：1. 准备：在CV测试仪上，将偏压挡极性置于负一止，（P型样品相反），电压暈程25V, 记录速度断，H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，将开关最后调至测最位置，选择置于内。对于XY记录仪，X置丁 10mV/cm, Y置T5mV/cm, Y】、丫2置准备，抬笔。记录仪的X、 Y分别与CV仪的X、Y、地相接，XT开关置丁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表置丁测臥 调节调零旋钮，使Pf表指示为零;再将扌肖置200Pf,调节调零旋钮 使Pf表指示为零

16、，然后调节校1E及衰减旋钮，使Pf表满度。反复两次后将选择开关置于测最 位置。接入输入、输出插头。注意（极性）调节偏压使电容为最大（5总），记下此值。再调结校 正使P俵滿度100%,这时的数值为归一化的数据。如果样品容暈较小时，要在而板插入一个固泄电容，以消除小信号的非线性。（2）.对丁X-Y记录仪：X、Y先置短路位置，并调节X、Y旋钮，选择原点落笔価出坐 标，抬笔。将Y置于5mV/cm, X置JTOmV/cm。CV仪的H动记录开关由准备打向记录，调 节速率，画出CV曲线。抬笔，把记录倒向准备。（3）BT处理的CVilli线的测试：用测温电位差计测最对硅片加热的温度。首先调零，之后打向测最，读出热电动势;查 表求出温度；