电化学CV测试

1、半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲Theory of a Schottky BarrierW =e 0e r AElectrolyteElectrolytedCSemiconductorSemiconductor12(F - V )e e电化学 测试(ECV)ECV)2qN电化学CVCV测试Wd =0 rqNee1Vb0r2+Electrochemical C-VC =AVb+ + +Ec+1C3E2(F - V)N =.q e 0 e r A2dCdVWdC - CapacitanceEvA - Area of samplee0er - fr

2、ee & relative permittivityq - Charge of an electronN - Carrier Concentration - Potential barrier height08:08:32321108:08:3232V - Applied potential22半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲一一、电电化化学学CVCV原原理理 电电解解液液/半半导导体体结结（L(E)/SL(E)/S结结）特特性性测测试试是是基基11.电化学 （）技术：包括电化学腐蚀与电解液半导于于肖肖特特基基结结（又又称称M/SM/S结结）

3、电电容容效效应应，L(E)/SL(E)/S电化学CC-VV（ECVECV）技术：包括电化学腐蚀与电解液/半导M/SM/S体体结结L(E)/SL(E)/S结结特特性性测测试试两两部部分分内内容容。在在测测试试分分布布时时，电电化化结结可可以以看看作作结结，只只不不过过这这里里把把金金属属看看成成学学腐腐蚀蚀与与测测试试是是交交替替进进行行的的。电性能和半导体结面层中电电解解液液L(E)L(E)。从从导导电性能和半导体结面层中22.半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理。形形成成接接触触势势垒垒来来看看，L(E)/SL(E)/S和和M/SM/S是是一一样样的的，半导体电化学腐蚀是根据电化

4、学中阳极氧化及电解原理。这这样样，L(E)/SL(E)/S结结在在下列假设条件下：我我们们知知道道，固固体体物物质质在在液液体体中中消消溶溶有有两两种种方方法法：一一种种为为不不加加下列假设条件下：外外电电场场的的情情况况下下，利利用用液液体体和和固固体体物物质质之之间间的的化化学学反反应应，使使在电解液、半导体界面上不存在界面态；固固体体逐逐渐渐腐腐蚀蚀的的方方法法。该该方方法法一一般般称称湿湿发发腐腐蚀蚀；另另一一种种为为把把在电解液、半导体界面上不存在界面态；L(E)/SL(E)/S结可做突变结近似，且认为半导体界面层固固体体物物质质置置于于电电解解液液中中，外外加加直直流流电电压压，电

5、电压压正正端端接接要要被被腐腐结可做突变结近似，且认为半导体界面层蚀蚀的的固固体体物物质质，负负端端接接一一不不被被溶溶解解且且导导电电的的电电极极。通通电电后后，势势垒垒区区为为载载流流子子耗耗尽尽区区；阳阳极极物物质质在在电电场场和和电电解解液液的的作作用用下下逐逐渐渐被被氧氧化化，腐腐蚀蚀的的方方法法半导体中横向平面内掺杂均匀。这这种种方方法法称称电电化化学学腐腐蚀蚀。与与湿湿发发腐腐蚀蚀相相比比，电电化化学学腐腐蚀蚀的的半导体中横向平面内掺杂均匀。优优点点是是可可以以精精确确的的控控制制固固体体物物质质除除去去的的深深度度，且且与与L(E)/SL(E)/S结结测测试试兼兼容容。08:0

6、8:32323308:08:323244半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲CellCell ConfigurationConfiguration SchematicSchematicECVECV的的等等效效电电路路图图。化化学学池池结结构构图图08:08:32325508:08:323266半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲Small leakageElectrochemicalElectrochemicalSemiconductor/ElectrolyteSmallleakageSemicon

7、ductor/ElectrolyteProfilingProfilingcurrent-ve+vecurrent+ve-vee o e r ADissolution (etching) of semiconductor materialsSi A-SiSi+SiD+SiSi-W d =SiA-SiSiSiD+ Sidepends on the presence of holes Si+-CSi -SiSi+Si+SiSi-p-type materials holes are plentiful and dissolution is readily achievedA+D-by forward

8、biasing the semiconductor/electrolyte junction-Si-+SiSi+1C3ASiA+DD-n-type materials, in which electrons are the majority charge carriers,Depletion zoneDepletion zoneN =2 .Reverse BiasReverse BiasdCholes have to be created for dissolution to take placea) P-type semiconductorb) N-type semiconductoreee

9、 r o AdVEtching Semiconductor/ElectrolyteEtchingSemiconductor/ElectrolyteEtchingSemiconductor/ElectrolyteEtchingSemiconductor/Electrolytecurrent+ve-vecurrent+ve-vecurrent+ve-vecurrent+ve-ve1-SiSiSiSi+SiSiA- SiSiD+Si4+ -H+ Q HAD-c+- + SiSiSi2-l hSiSiASiSiSiDSi-2SiSiASiSiSiDSi-4+E- A-SiSiSiD+SiSiSiA-S

10、iSi4+SiD+SiSi-SiSi4+SiSi + 2Q Si 2 +SigA-SiSiA-D+SiSiD+-SiSi-Si+SiSi+-Depletion zone.AADD-a) P-type semiconductorb) N-type semiconductorSi2 + 2Q Si4 +Depletion zoneForward BiasReverse Bias with illuminationa) P-type semiconductorb) N-type semiconductorForward BiasReverse Bias with illumination77Diss

11、olution of n-type and p-type samples808:08:323208:08:32328半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲测测量量方方法法nn型型和和pp型型材材料料的的II-VV特特性性1. Obtain an I/V plot, from which it is possibleto derive the bias voltage range forIlluminated I-V curveDark I-V curvecapacitance measurementDark I-V curve2. Using th

12、e bias voltage range derived fromIlluminated I-V curvethe I/V plot, obtaina C/V plot, and use thisto derive the measurement potentialIV curve of n-type GaAs (-4E17) with TironIV curve of p-type GaAs (4E17) with Tirorequired to create etching conditionsetched depth WrWr =M tIdt3. Measure the depletio

13、n profilezFra 0Wd = e0er APROFILED DEPTH = W + W4. Using information obtained above, performrdCthe etch profilecharge carrier density N at the edge of the depletion layer1C3N =q e2.eAdC / dV08:08:32329908:08:32320r1010半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲测测量量结结果果测测量量结结果果1/C2 curveC-V curveC-V c

14、urve1/C2 curveDissipationcurveDissipation curve08:08:3232CV plot of p-typeGaAs with Tiron111108:08:3232CV plot of n-type GaAs with Tiron1212半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲二二、 ECVECV ProPro 技技术术简简介介 11ECVProECVPro技技术术融融合合了了全全新新的的数数字字电电子子技技术术半导体的串联电阻和电解液电阻是引起 值下降，可可以以产产生生数数字字波波形形，信信号号处处理理方方

15、法法可可以以精精22半导体的串联电阻和电解液电阻是引起DD值下降的的主主要要原原因因。我我们们可可以以用用双双频频率率的的办办法法解解决决这这个个问问确确控控制制漂漂移移波波形形的的产产生生，这这对对样样品品的的精精确确可可题题。重重复复测测量量很很重重要要。内内建建校校准准电电阻阻可可以以测测量量电电电解液与半导体接触面积的测量路路阻阻抗抗。 33电解液与半导体接触面积的测量根根据据肖肖特特基基二二极极管管理理论论，当当接接触触面面半半径径有有2%2%的的误误 ECVProECVPro模模型型的的等等效效电电路路只只有有在在串串联联电电阻阻或或并并差差，会会产产生生载载流流子子浓浓度度计计算

16、算结结果果8%8%的的误误差差。而而一一般般联联电电导导等等于于零零时时才才能能成成立立。但但是是在在一一般般情情况况情情况况下下我我们们测测得得的的并并非非接接触触面面半半径径，而而是是密密封封环环的的下下，并并不不能能保保证证上上述述情情况况成成立立。这这样样就就引引出出半半径径。密密封封环环的的半半径径也也并并非非总总是是常常数数，所所以以在在计计算算了了耗耗散散系系数数DD，耗耗散散系系数数DD就就是是等等效效串串联联电电路路后后载载流流子子浓浓度度在在内内变变化化正正常常。中中电电容容阻阻抗抗与与电电阻阻的的比比值值（15%20%15%20%D =R S= R S w C S）。1w

17、 C S13131408:08:323208:08:323214半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲 44CellCell的的介介绍绍ECVPROECVPRO的的优优点点CellCell是是用用来来给给样样品品产产生生压压力力，使使样样品品固固定定。CellCell中中一一改善测量结果的准确性重复性般般用用来来填填充充电电解解液液改善测量结果的准确性重复性减少由于操作员熟练程度不同而引起的测量数据 55密密封封环环（SealingSealing RingRing）的的介介绍绍减少由于操作员熟练程度不同而引起的测量数据的的依依赖赖性性使使系系统统更

18、更容容易易操操作作密密封封环环是是ECVECV测测量量仪仪器器中中关关键键部部件件也也很很容容易易损损坏坏（减减少少操操作作员员化化学学处处理理损损坏坏原原因因主主要要有有装装片片过过程程样样本本位位置置不不对对，电电解解液液填填改改善善可可描描述述性性充充时时密密封封无无损损坏坏，还还有有仪仪器器的的不不正正常常启启动动），所所以以改善可靠性和可用性密密封封环环经经过过很很长长时时期期的的设设计计开开发发，基基本本上上可可以以保保证证改善可靠性和可用性 可可以以建建立立能能测测量量150150mmmm直直径径基基片片的的系系统统在在装装片片中中不不损损坏坏密密封封环环，在在损损坏坏后后更更容

19、容易易更更换换。可以建立系统模型和减少管脚可以建立系统模型和减少管脚08:08:3232151508:08:32321616半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲3.三三、 visionvisioncell2.主主要要用用于于测测量量结结果果的的分分析析与与成成像像，和和接接Sample触触面面积积的的测测量量与与监监控控，样样品品与与电电解解液液装装载载监监1.控控。4.CELL MOTION 如如上上图图所所示示蓝蓝色色坐坐标标轴轴是是cellcell的的运运动动方方向向，绿绿色色坐坐标标轴轴表表示示样样品品的的运运动动方方向向。 测测量量后后

20、从从样样品品上上撤撤走走所所有有电电解解液液，也也将将cellcell和和光光程程移移走走。在高速的照相机下获得图片。 在高速的照相机下获得图片。 在在situsitu校校准准下下，面面积积误误差差小小于于1%1%。08:08:32321717 密密封封环环状状况况监监控控。1808:08:323218半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲关关键键特特征征包包括括：优优点点： InIn-situsitu测测量量区区域域的的选选定定。可重复测量。无无电电缆缆补补偿偿。更准确地精度和更准确地精度和可重复测量。能增加产量。数数字字信信号号处处理理和和内内

21、部部测测量量论论证证，使使得得精精度度提提高高。在在简简化化工工作作量量下下能增加产量。改改善善操操作作效效率率。直直接接过过程程控控制制类类似似于于基基于于SEMISEMI E95E95标标准准的的软软件件。高标准的设计且易于维护。产产品品晶晶片片光光滑滑。高标准的设计且易于维护。与与PN4300+PCPN4300+PC相相比比，简简易易。减减少少工工序序调试时间减小。新新压压型型片片的的程程序序调试时间减小。08:08:3232191908:08:32322020半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲(一一)样样品品制制作作要要求求：11.样样

22、品品尺尺寸寸：22.样样品品清清洁洁：，使用标准的技术，必须做最最小小的的样样品品尺尺寸寸取取决决于于密密封封环环。最最大大的的样样品品尺尺寸寸主主要要由由它它本本身身的的重重量量限限制制，通通过过接接触触压压放放在在密密封封在在进进行行ECVECV之之前前，使用标准的技术，必须做好好样样品品清清洁洁，例例如如，GaAsGaAs样样品品，要要使使用用酒酒环环上上。如如下下表表：精精清清洗洗；若若怀怀疑疑已已经经被被氧氧化化，要要用用强强酸酸清清Minimum sample size (mm)Ring sizeFront contactBack contact洗洗30306060秒秒。因因为如果

23、样品表面被玷污或为如果样品表面被玷污或被被氧氧化化将将会会导导致致下下列列问问题题：Large (3.5mm5 x 105 x 5diameter)11）很很难难形形成成欧欧姆姆接触；接触；Small (1.0 mm4 x 104 x 4问题；diameter)22）很很难难排排除除起起泡泡问题；匀。Small ring, sample2.5 x 2.5 - the sample is mounted on the slide33）导导致致腐腐蚀蚀不不均均匀。mounted on a glasswith Ga:In eutectic. Contact is usually made tosli

24、dethe front and back of the sample.08:08:3232212108:08:32322222半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲应用举例(二二)设设备备特特点点(三三)应用举例11NN 型和PP型GaAsGaAs的测试：型和 型的测试： 11）自自动动的的样样品品接接触触、清清洁洁ResultsResults - NN-GaAsGaAs22）可可重重复复使使用用密密封封圈圈/样样品品接接触触压压33）在在填填充充和和压压型型期期间间在在位位监监测测功功能能,在在位位测测试试区区域域易易于于决决定定44）参参考考电

25、电极极没没有有水水银银、没没用用蒸蒸发发问问题题； 55）能能操操作作1212mmmm12mm12mm样样品品到到直直径径150150mmmm的的waferwafer. 6)6)数数字字信信号号处处理理和和内内部部确确定定测测量量，提提高高精精确确度度。SubstrateGaAs 77）过过程程控控制制直直接接，如如软软件件SEMISEMI E95E95 标标准准。1.5um 88）高高标标准准设设计计，易易于于维维护护。 基基于于上上述述优优点点，如如果果用用于于产产业业，该该设设备备使使测测量量更更加加准准确确，通通过过减减少少重重复复工工作作，增增加加输输出出量量，提提高高操操作作效效率

26、率。08:08:3232232308:08:32322424半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲P+P+ GaAsGaAsGaAs350nmSustrateGaAlAs/GaAs 量子阱结构材料的载流子浓度与腐蚀深度的关系曲线08:08:3232252508:08:32322626半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲TypicalTypical CharacteristicsCharacteristicsControlControl SealingSealing RingRing ContactCo

27、ntactPressurePressure CellCell isis engineeredengineered totoCCgivegive constantconstant pressurepressure.1/1/CC 2222e e PressurePressure isis uniformlyuniformlySeriesSeries andand ParallelParallel modelmodelCC= A(qNA(qNe00err)appliedapplied acrossacross thethe2(2(VbVb - V)V)resultsresults shownshow

28、n herehere areare iningoodgood agreementagreement.DD = 00.44samplesampleDDRequireRequire 1/C21/C2 toto bebe linearlinear ieie calculatedcalculated carriercarrier concentrationconcentration isis notnot biasbias dependentdependent08:08:3232272708:08:32322828半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲Se

29、alingSealing RingRing DistortionDistortionECVProECVPro OperatorControlControlRemovingRemoving OperatorDependencyDependencyNo risk to sealing SealingSealing ringring damagedamage AutomatedAutomated LoadingLoadingring during sampleIncorrectIncorrect samplesample positioningpositioning AutomatedAutomat

30、edloadingLoadingLoadingEasy replacementCellCell fillingfilling AutomatedAutomated FluidicFluidic HandlingHandlingof sealing ringFactory FittedIncorrectIncorrect measurementmeasurement setset upup SoftwareSoftwareWizardWizard08:08:3232292908:08:32323030半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲半导体薄膜制备与分析技术ch-主讲：郭伟玲Removi

31、ngRemoving OperatorOperator DependencyDependency ECVProECVPro BuiltBuilt InIn VisionVisionSystemSystemSoftwareSoftware WizardWizardClearClear indicationindication ofofPositioning the contactsanyany bubblebubbleformationformation ContinuousContinuousmonitoringmonitoring ofof etchetchA wizard guides the operatorpitchpitch duringduringthrough the sample mountingprofilingprofilingprocess. All the actions a