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1、MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性測(cè)試MOS結(jié)構(gòu)電容-電壓特性簡(jiǎn)稱C-V特性測(cè)量是檢測(cè)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(dòng)電荷面密度、和固定電荷面密度等參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)測(cè)量MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性及偏壓溫度處理簡(jiǎn)稱BT處理，確定、N、和等參數(shù)。一、 實(shí)驗(yàn)原理MOS結(jié)構(gòu)如圖1a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(jí)，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)的厚度隨偏壓而改變,所以MOS電容是微分電容 1式中是金屬

2、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(méi)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(shì)。考慮到半導(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(hào)相反，有 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(shuō)明MOS電容由和串聯(lián)構(gòu)成，其等效電路如圖1b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(duì)介電常數(shù)。p型襯底理想MOS結(jié)構(gòu)高

3、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)體的相對(duì)介電常數(shù)。時(shí)，半導(dǎo)體外表能帶平直，稱為平帶。平帶時(shí)的MOS電容稱為平帶電容，記作。對(duì)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(shí)所對(duì)應(yīng)的偏壓稱為平帶電壓，記作。顯然，對(duì)于理想MOS結(jié)構(gòu)，?，F(xiàn)在考慮實(shí)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(dòng)電荷和固定電荷兩局部?！暗刃侵赴阎须S機(jī)分布的電荷對(duì)的影響看成是集中在Si-SiO2界面處的電荷對(duì)的影

4、響。是金屬-半導(dǎo)體接觸電勢(shì)差， 10對(duì)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(huà)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(jiǎn)稱處理可將可動(dòng)電荷和固定電荷區(qū)分開(kāi)來(lái)，負(fù)BT處理是給樣品加一定的負(fù)偏壓即，同時(shí)將樣品加熱到一定的溫度。由于可動(dòng)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(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，可以認(rèn)為中的可動(dòng)電荷根本上全部運(yùn)動(dòng)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(cè)量高頻C-V特性，得到圖18.3中的曲線2。由于這時(shí)可動(dòng)電荷已經(jīng)全部集中到金屬-界面處，對(duì)平帶電

5、壓沒(méi)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(shí)間與負(fù)BT相同。正BT處理后，測(cè)量高頻C-V特性，得到圖3中的曲線3。由于這時(shí)可動(dòng)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(dòng)電荷面密度 14本實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備主要包括三局部:測(cè)試臺(tái)(包括樣品臺(tái)、探針、升溫和控溫裝置等)、高頻1MHz或更高C-V測(cè)試儀和X-Y函數(shù)記錄儀。實(shí)驗(yàn)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、610。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(cè)試臺(tái)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(shí)上，界面態(tài)可以從兩個(gè)方面影響MOS C-V特性：界面態(tài)電荷對(duì)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(shí)，外表勢(shì)改變，因而費(fèi)米能級(jí)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(shuō)，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(shí)際C-V曲線相對(duì)

7、于理想曲線在形狀上發(fā)生改變。比方常見(jiàn)到的曲線拖長(zhǎng)、平臺(tái)等現(xiàn)象。另一方面，在C-V測(cè)量中，我們是在偏壓上迭加交流小信號(hào)。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(guò)和體內(nèi)交換電子來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電的，它的時(shí)間常數(shù)較長(zhǎng)，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(duì)MOS電容有奉獻(xiàn)。對(duì)于1MHz的高頻C-V測(cè)量，通常不考慮界面態(tài)電容的影響。界面態(tài)對(duì)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(shí)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(guò)這種退火處理，禁帶中部的界面態(tài)密度可降低到量級(jí)以下，對(duì)高頻C-V

8、測(cè)量的影響可以忽略。最后還要特別指出，對(duì)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(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如圖5所示。其原因是場(chǎng)區(qū)電極以外的區(qū)域存在反型層和正偏壓時(shí)的正電荷側(cè)向鋪伸效應(yīng)2。在這種情況下，為了正確測(cè)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(chǎng)區(qū)反型層的形成。常用的方法是在電極周?chē)僦谱饕粋€(gè)環(huán)型電極隔離環(huán)。測(cè)試時(shí)，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(chǎng)區(qū)反型的目的。對(duì)于硅柵MOS結(jié)構(gòu)，可以用場(chǎng)區(qū)離子注入濃硼的方法防止場(chǎng)區(qū)反型。*：最近的研究結(jié)果說(shuō)明，禁帶中靠近導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂附近的界面態(tài)，其時(shí)間常數(shù)可以是微秒量級(jí)，因此，即使在1MHz的高頻C

9、-V測(cè)量中，也不能忽略界態(tài)電容的作用。近年來(lái)生產(chǎn)的MOS參數(shù)測(cè)試儀例如HP公司的M4061等，高頻C-V測(cè)量的頻率采用了10MHz。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)量初始高頻C-V特性曲線。2. 作正、負(fù)BT處理。3. 分別測(cè)出正、負(fù)BT處理后的高頻C-V特性曲線。三、實(shí)驗(yàn)步驟1. 翻開(kāi)各儀器的電源，預(yù)熱10分鐘。2. 確定X-Y記錄儀的零點(diǎn)和量程。3. 根據(jù)被測(cè)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(cè)試儀相應(yīng)的電容量程，并按照儀器說(shuō)明書(shū)的規(guī)定對(duì)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

10、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：150200，恒溫10分鐘。偏壓的數(shù)值根據(jù)氧化層厚度來(lái)計(jì)算，一般認(rèn)為氧化層中的電場(chǎng)到達(dá)可以實(shí)現(xiàn)可動(dòng)離子有效的遷移。假設(shè)，取正BT處理或負(fù)BT處理。至于先作正BT還是先作負(fù)BT，并無(wú)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(cè)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(shí)驗(yàn)曲線確定、和。4. 查表或計(jì)算求出。5. 利用式12和14分別求出和。6. 如果或較大量級(jí)或更大，分析一下原因比方硅片清洗不干凈，氧化系統(tǒng)

11、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(cè)量來(lái)分析原因。五、思考題以下情況對(duì)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(cè)試臺(tái)接觸不好。4. p型樣品，場(chǎng)區(qū)有反型層。5. 金屬-界面處有可動(dòng)離子陷阱，對(duì)正、負(fù)BT處理后得到的有什么影響？對(duì)同一樣產(chǎn)品，反復(fù)作BT處理，有什么變化？6. 光照對(duì)高頻C-V有什么影響？解釋其原因。7. BT處理過(guò)程中，為什么偏壓要始終加在被測(cè)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(guó)防工業(yè)出版社，1979.2 馬鑫榮、田立林、李志堅(jiān)，半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，第2卷，第4期，288.1981.