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1、MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性測試 MOS結(jié)構(gòu)電容-電壓特性〔簡稱C-V特性〕測量是檢測MOS器件制造工藝的重要手段。它可以方便地確定二氧化硅層厚度、襯底摻雜濃度N、氧化層中可動電荷面密度、和固定電荷面密度等參數(shù)。 本實驗?zāi)康氖峭ㄟ^測量MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性及偏壓溫度處理〔簡稱BT處理〕，確定、N、和等參數(shù)。 一、 實驗原理 MOS結(jié)構(gòu)如圖1〔a〕所示，它類似于金屬和介質(zhì)形成的平板電容器。但是，由于半導(dǎo)體中的電荷密度比金屬中的小得多，所以充電電荷在半導(dǎo)體外表形成的空間電荷區(qū)有一定的厚度〔—微米量級〕，而不像金屬中那樣，只集中在一薄層〔—0.1nm〕內(nèi)。半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)的厚度

2、隨偏壓而改變,所以MOS電容是微分電容 〔1〕 式中是金屬電極上的電荷面密度,A是電極面積?，F(xiàn)在考慮理想MOS結(jié)構(gòu)。所謂理想情形，是假設(shè)MOS結(jié)構(gòu)滿足以下條件：〔1〕金屬與半導(dǎo)體間功函數(shù)差為零；〔2〕絕緣層內(nèi)沒有電荷；〔3〕與半導(dǎo)體界面處不存在界面態(tài)。偏壓VG一局部在降在上，記作；一局部降在半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)，記作,即 〔2〕 又叫外表勢?？紤]到半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)電荷和金屬電極上的電荷數(shù)量相等、符號相反，有

3、 〔3〕 式中是半導(dǎo)體外表空間電荷區(qū)電荷面密度。將式〔2〕、〔3〕代入式〔1〕， 〔4〕 式〔4〕說明MOS電容由和串聯(lián)構(gòu)成，其等效電路如圖1〔b〕所示。其中是以為介質(zhì)的氧化層電容，它的數(shù)值不隨改變；是半導(dǎo)體外表空間區(qū)電容，其數(shù)值隨改變，因此 〔5〕 〔6〕 式中是相對介電常數(shù)。 p型襯底理想MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性曲線如圖〔2〕所示。 圖中V代表偏壓。最大電容,最小電容和最大電容之間有如下關(guān)系[1]： 〔7〕 式中是半導(dǎo)體

4、的相對介電常數(shù)。 時，半導(dǎo)體外表能帶平直，稱為平帶。平帶時的MOS電容稱為平帶電容，記作。對于給定的MOS結(jié)構(gòu)，歸一化平帶電容由下式給出[1]： 〔8〕 平帶時所對應(yīng)的偏壓稱為平帶電壓，記作。顯然，對于理想MOS結(jié)構(gòu)，。 現(xiàn)在考慮實際的MOS結(jié)構(gòu)。由于中總是存在電荷〔通常是正電荷〕，且金屬的功函數(shù)和半導(dǎo)體的功函數(shù)通常并不相等，所以一般不為零。假設(shè)不考慮界面態(tài)的影響，有 〔9〕 式中是中電荷的等效面密度，它包括可動電荷和固定電荷兩局部?！暗刃Ж暿侵赴阎须S機分布的電荷對的影響看成是集中在Si-SiO2界面處的

5、電荷對的影響。是金屬-半導(dǎo)體接觸電勢差， 〔10〕 對于鋁柵p型硅MOS結(jié)構(gòu)，大于零，通常也大于零〔正電荷〕，所以，如圖3中的曲線1所示。作為比照，圖中還畫出了相應(yīng)的理想曲線〔曲線0〕。 利用正、負(fù)偏壓溫度處理的方法〔簡稱處理〕可將可動電荷和固定電荷區(qū)分開來，負(fù)BT處理是給樣品加一定的負(fù)偏壓〔即〕，同時將樣品加熱到一定的溫度。由于可動電荷〔主要是帶正電的離子〕在高溫小有較大的遷移率，它們將在高溫負(fù)偏壓條件下向金屬-界面運動。經(jīng)過一定的時間，可以認(rèn)為中的可動電荷根本上全部運動到金屬-界面處。保持偏壓不變，將樣品冷卻至室溫，然后去掉偏壓，測

6、量高頻C-V特性，得到圖18.3中的曲線2。由于這時可動電荷已經(jīng)全部集中到金屬-界面處，對平帶電壓沒有影響了，根據(jù)〔9〕式可得 〔11〕 假設(shè)，由式〔18.11〕可以確定中的固定電荷面密度 〔12〕 改變偏壓極性，作正BT處理。加熱的溫度和時間與負(fù)BT相同。正BT處理后，測量高頻C-V特性，得到圖3中的曲線3。由于這時可動電荷已根本上全部集中到界面處，所以中包含了和的影響。根據(jù)式〔9〕和式〔11〕 〔13〕 令，由式〔13〕可確定可動電荷面密度 〔14〕 本

7、實驗所用儀器設(shè)備主要包括三局部:測試臺(包括樣品臺、探針、升溫和控溫裝置等)、高頻〔1MHz或更高〕C-V測試儀和X-Y函數(shù)記錄儀。實驗裝置如圖4所示。 樣品制備中襯底材料、電極面積、氧化層厚度以及電極材料等，均可根據(jù)現(xiàn)有的材料和具體工藝條件而定。例如，p型或n型硅單晶拋光片，電阻率6—10。干氧氧化，氧化層厚度約為100。鋁電極或多晶硅電極，面積為。為了保證樣品和測試臺之間有良好的歐姆接觸，最好在樣品反面蒸上驢。最后，在400-450 forming gas(10%、30%的混合氣體)中退火30分鐘，起合金和減少界面態(tài)的作用。 在上面的討論中，我們忽略了界面態(tài)的作用。事實上，界面態(tài)

8、可以從兩個方面影響MOS C-V特性：界面態(tài)電荷對偏壓的屏蔽作用和界面態(tài)的電容效應(yīng)。當(dāng)偏壓改變時，外表勢改變，因而費米能級在禁帶中的位置發(fā)生改變，界面態(tài)的填充幾率就要發(fā)生變化，界面態(tài)電荷隨之發(fā)生變化。這就是說，是偏壓的函數(shù)。這和、不同，它們不隨而改變。、的作用只是影響平帶電壓，使實際C-V曲線相對于理想曲線在形狀上發(fā)生改變。比方常見到的曲線拖長、平臺等現(xiàn)象。另一方面，在C-V測量中，我們是在偏壓上迭加交流小信號。引起，從而引起。所以界面態(tài)的作用又可以表現(xiàn)為電容 由于界面態(tài)是通過和體內(nèi)交換電子來實現(xiàn)充放電的，它的時間常數(shù)較長，通常大于，所以界面態(tài)電容只在低頻或準(zhǔn)靜態(tài)情形下對MOS電容有奉獻(xiàn)。對

9、于1MHz的高頻C-V測量，通常不考慮界面態(tài)電容的影響。 界面態(tài)對C-V曲線的影響取決于界面態(tài)的具體性質(zhì)，比方態(tài)密度、時間常數(shù)等。這些性質(zhì)因樣品而異，所以界面態(tài)的影響比擬復(fù)雜。前面提到的forming gas退火是減少界面態(tài)的有效方法。經(jīng)過這種退火處理，禁帶中部的界面態(tài)密度可降低到量級以下，對高頻C-V測量的影響可以忽略。 最后還要特別指出，對于摻雜濃度不是很高〔或更低〕的p型MOS樣品，高頻C-V特性會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如圖5所示。其原因是場區(qū)〔電極以外的區(qū)域〕存在反型層和正偏壓時的正電荷側(cè)向鋪伸效應(yīng)[2]。在這種情況下，為了正確測量，從而正確地求出襯底摻雜濃度等參數(shù)，必須采取措施防止場區(qū)

10、反型層的形成。常用的方法是在電極周圍再制作一個環(huán)型電極〔隔離環(huán)〕。測試時，環(huán)上加一定的負(fù)電壓，使之屏蔽其下氧化層中的正電荷，到達(dá)抑制場區(qū)反型的目的。對于硅柵MOS結(jié)構(gòu)，可以用場區(qū)離子注入濃硼的方法防止場區(qū)反型。 *：最近的研究結(jié)果說明，禁帶中靠近導(dǎo)帶底或價帶頂附近的界面態(tài)，其時間常數(shù)可以是微秒量級，因此，即使在1MHz的高頻C-V測量中，也不能忽略界態(tài)電容的作用。近年來生產(chǎn)的MOS參數(shù)測試儀〔例如HP公司的M4061等〕，高頻C-V測量的頻率采用了10MHz。 二、實驗內(nèi)容 1. 測量初始高頻C-V特性曲線。 2. 作正、負(fù)BT處理。 3. 分別測出正、負(fù)BT處理后的高頻C-

11、V特性曲線。 三、實驗步驟 1. 翻開各儀器的電源，預(yù)熱10分鐘。 2. 確定X-Y記錄儀的零點和量程。 3. 根據(jù)被測量樣品的最大電容數(shù)值〔用的電極面積和氧化層厚度進(jìn)行估算〕選擇C-V測試儀相應(yīng)的電容量程，并按照儀器說明書的規(guī)定對所選擇的電容量程進(jìn)行校正。 4. 根據(jù)樣品的少子產(chǎn)生壽命確定偏壓C-V曲線，如圖6所示。通?？蛇x用每秒100mV的速率，如果仍得到深耗盡的曲線，那么應(yīng)將速率再放慢，直至得到穩(wěn)態(tài)C-V曲線。 5. 作BT處理，條件是：150—200，恒溫10分鐘。偏壓的數(shù)值根據(jù)氧化層厚度來計算，一般認(rèn)為氧化層中的電場到達(dá)可以實現(xiàn)可動離子有效的遷移。假設(shè)，取〔正BT

12、處理〕或〔負(fù)BT處理〕。至于先作正BT還是先作負(fù)BT，并無特別的規(guī)定，通常是先作負(fù)BT。正、負(fù)BT處理之后，分別測量高頻C-V特性曲線。 四、數(shù)據(jù)處理和分析 1. 由初始C-V曲線，可獲得和。利用式〔5〕和〔7〕可求出氧化層厚度和襯底摻雜濃度N。 2. 利用式〔8〕求出。 3. 由實驗曲線確定、和。 4. 查表或計算求出。 5. 利用式〔12〕和〔14〕分別求出和。 6. 如果或較大〔量級或更大〕，分析一下原因〔比方硅片清洗不干凈，氧化系統(tǒng)有玷污等等〕，進(jìn)而提出改良措施。 7. 如果C-V曲線形狀異常，可以配合界面態(tài)的測量來分析原因。 五、思考題 以下情況對高頻C-V特性有什么影響？為什么？ 1. 偏壓的掃描速率太快。 2. 界面處有較多的界面態(tài)。 3. MOS樣品的反面〔襯底〕和測試臺接觸不好。 4. p型樣品，場區(qū)有反型層。 5. 金屬-界面處有可動離子陷阱，對正、負(fù)BT處理后得到的有什么影響？對同一樣產(chǎn)品，反復(fù)作BT處理，有什么變化？ 6. 光照對高頻C-V有什么影響？解釋其原因。 7. BT處理過程中，為什么偏壓要始終加在被測樣品上？ 六、參考文獻(xiàn) [1] 劉恩科、朱秉升，半導(dǎo)體物理學(xué)，國防工業(yè)出版社，1979. [2] 馬鑫榮、田立林、李志堅，半導(dǎo)體學(xué)報，第2卷，第4期，288.1981.