高頻MOS電容—電壓測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)七高頻MOS!容一電壓測(cè)量目的:用MOSI容一電壓法測(cè)定氧化層中可動(dòng)離子，估計(jì)半導(dǎo)體雜質(zhì)濃度。原理:、理想的 MOS吉構(gòu)的C V曲線理想的MOS吉構(gòu)的能帶及 MOS吉構(gòu)見圖（a)、(b )。(b) M03結(jié)構(gòu)（a）理想的MOS結(jié)構(gòu)的能帶圖圖一這里假定：1. 不考慮氧化層中電荷的作用。2. 金屬和半導(dǎo)體之間無功函數(shù)差。從圖一 可以看到能帶是平的，如果加上外偏壓，半導(dǎo)體表面的能帶就要彎曲，對(duì)于P型半導(dǎo)體，當(dāng)加上正偏壓 （鋁接正，硅接負(fù)），半導(dǎo)體能帶就要向下彎，出現(xiàn)耗盡或反型的 情況，金屬電極上帶正電荷 Q,而半導(dǎo)體表面的勢(shì)壘空間電荷為Qsc，電子電荷為 Q。當(dāng)加負(fù)偏壓，能帶向上彎，表面出現(xiàn)積累

2、層，金屬電極上帶負(fù)電Q,而半導(dǎo)體表面空間電荷有空穴電荷Q,如圖二所示。從圖二可以看出，當(dāng)加了外偏壓V后，外偏壓V的一部分“ s降在空間電荷區(qū)上，另一部分V降在氧化層上。即：V=t S + Vi當(dāng)外加偏壓變化時(shí)，e S和Vi都要隨著變化，金屬表面電荷Q和半導(dǎo)體電荷Q（Qs=Qsc 十Q十Q）也發(fā)生變化，電荷隨電壓的改變就表現(xiàn)為電容特性。e s的變化引起了 Qs的變化，用半導(dǎo)體空間電荷區(qū)的電容Cs表示。即(b)反型(0)(c)積累(V0)圖二P型半導(dǎo)體血S結(jié)構(gòu)加偏壓時(shí)的能帶_d|Qm|_dQmC S=d屮sd屮s(2)氧化層兩端的電壓降Vi的變化引起Q的變化，用氧化層電容C表示。即C_dQmdiV

3、i氧化層電容相當(dāng)于一個(gè)平行板電容器,C = i c/d i單位面積的電容值可由下式計(jì)算：式中di是氧化層厚度， i是二氧化硅的相對(duì)介電常數(shù)(& i 3.9 ), 0是真空電容率( o=8.85 10-14法拉/厘米)，總的MOS電容等效于 Cs和C的串聯(lián)。C1=dV/dQM = dVi/dQM + d 0 s= C+ Cs1( 5)CS是隨外偏壓變化而變化的，而Ci是一個(gè)固定電容，因而總的電容C也隨外偏壓變化，對(duì)于P型半導(dǎo)體，理想 MOS吉構(gòu)的C V曲線見圖三。下面分幾個(gè)區(qū)來說明圖三的C V曲線1. V 0當(dāng)負(fù)偏壓很大時(shí)，積累層中的空穴很多，Q、Q,由于空穴為多子，跟得上高頻電壓的dQm變化，

4、0 S的微小變化可以引起 SiO2 Si邊界附近的空穴濃度的很大變化，故 一很大, d屮s相當(dāng)于一個(gè)大電容，總的 C近似等于Ci。當(dāng)偏壓增加時(shí)，積累區(qū)的空穴減少，Cs不再是一個(gè)大電容，它同 Ci串聯(lián)后使總電容減小，偏壓負(fù)得越小，C也就越小。因此當(dāng) V0表面耗盡，空間電荷主要由電離受主雜質(zhì)提供。Q:Qc,隨著外偏壓增大，空間電荷變化，G變小。所以C隨V的增加繼續(xù)減小。4. V0當(dāng)外偏壓增大后出現(xiàn)了反型層，于是表面處就有了相當(dāng)數(shù)量的電子，他們隨著電壓的變化是很劇烈的，這些電子電荷屏蔽了表面電場(chǎng)，因而空間電荷區(qū)寬度不再隨外電壓的變化而達(dá)到了一個(gè)極大值S但反型層中的電子是P型半導(dǎo)體中的少子，其數(shù)量來不

5、及隨測(cè)試電容的高頻訊號(hào)變動(dòng)，這時(shí)Cs就主要由空間電荷區(qū)的電離受主所決定，Cs趨向一個(gè)不再變化的最小值CSmCsn= 0 s/ S m( 10 )總的電容C也就趨向一個(gè)最小值 Cmin, Cmin稱為咼頻最小電容。圖四表示Cmin/C i隨氧化層厚度di和摻雜濃度Na的變化。我們通過MOS的C V曲線可得到C和Cm i n,于是可計(jì)算出氧化層厚度di,再有di和Cmin分別由圖四和圖五查得半導(dǎo)體的摻雜濃度和平帶電容Cfb。、實(shí)際MOS的C V曲線LC ml/Ci1000圖四C/Ci隨di和皿的變化I5*1/100200300500100020004000100000. 30*4Cre/Ci L0

6、0. 90.S0. 70.6山510000 di (A )圖五購的歸一化平帯電容曲線對(duì)于實(shí)際MOS結(jié)構(gòu)，在SiO2 Si界面存在表面正電荷 Qs,這些表面正電荷主要包括固 定正電荷和可動(dòng)電荷（主要是堿金屬離子）。而且二氧化硅不是完全絕緣的，當(dāng)金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)不同時(shí)，它們之間會(huì)通過二氧化硅層交換電子，考慮了上述情況，實(shí)際的MOS吉構(gòu)的C- V曲線同理想MOS吉構(gòu)相比發(fā)生了一定的移動(dòng)。先考慮Si SiQ界面的正電荷Qs的影響。這些正電荷將分別在半導(dǎo)體內(nèi)部和金屬表面感應(yīng)出負(fù)電荷Qs和Q,且Qss Qm=Qs。這時(shí)即使沒有外加電場(chǎng)，半導(dǎo)體的能帶也是彎的，見圖六。(a)由表面正電荷的能帶型) (“ M

7、OS的OV曲線的移動(dòng) 圖六如果加上負(fù)偏壓，V 0，能帶就有從向下彎到向上的趨勢(shì)，當(dāng)負(fù)偏壓加到V=VFb時(shí)，能帶剛好恢復(fù)平直的情況，這時(shí)的電壓VFB就成為平帶電壓。見圖七。此時(shí)，外加偏壓都將在二氧化硅層上，因此氧化層電容C=Qs/|V fB( 11)|V fb|=Qss/C i( 12)這時(shí)，MOSfe容的值和理想 MOS平帶電容Cfb是相同的。同理 想MOS勺C V去想象比較，整個(gè) C V曲線沿著-V方向發(fā)生了 平移。其次，由于半導(dǎo)體功函數(shù)ws和金屬的功函數(shù) wm的不同，氧化層又不是完全絕緣的，金屬和半導(dǎo)體之間要通過氧化層交換電子，使半導(dǎo)體表面即使沒有表面正電荷也會(huì)產(chǎn)生能帶彎曲。如果金屬Al的

8、功函數(shù) Wm小于半導(dǎo)體Si的功函數(shù) Ws則金屬鋁中的電子通過SiO2層而轉(zhuǎn)移到Si中去，鋁電極表面缺少電子帶正電，半導(dǎo)體中出現(xiàn)帶負(fù)電的空間電荷區(qū)，能帶向下彎曲。這是要恢復(fù)平帶情形就必須在金屬上加上一個(gè)負(fù)電壓Vma Vms同功函數(shù)的關(guān)系是-VmS=(wm-WS)/e(13)當(dāng)Vfb =Vms時(shí)能帶是平直的。因此考慮了接觸電勢(shì)差以后，整個(gè)C-V曲線眼-V方向向左移動(dòng)。所以，同時(shí)考慮上述兩個(gè)因素的綜合影響，平帶電壓由VzB=Vms-Qss/C iQp (-Vm“FB)CV=0移到Vfr(14)(15)EcEiEf平帶情V=-VuiS圖八金屬一半導(dǎo)體功函數(shù)對(duì)恥S結(jié)構(gòu)中電勢(shì)分布的影響圖九 功函數(shù)差對(duì)c-

9、m性曲線的影響表7-1 金屬一二氧化硅結(jié)構(gòu)中，Si相對(duì)于Al和Au的接觸電勢(shì)差Si中雜質(zhì)濃 度（cm-3）V MSAl SiO2 n型SiAl SiO2 p型SiAu SiO2 n型SiAu SiO2 p型Si._ 1410-0.36-0.82+0.54+0.88510-0.30-0.88+0.60+0.021610-0.24-0.94+0.66-0.041710-0.16-1.00+0.72-0.10、氧化層中可動(dòng)離子的決定Qss從公式Vfb = Vms -可以看到，當(dāng)已知接觸電勢(shì)差及平帶電壓可以算出Qss,它包Ci含了氧化層中的固定正電荷以及一部分靠近二氧化硅界面的可動(dòng)電荷，所以單一條c

10、V曲線并不能確定固定電荷密度和可動(dòng)離子密度分別是多少。要測(cè)定可動(dòng)離子密度和固定電荷密度必須作溫度偏壓試驗(yàn)，簡稱B T實(shí)驗(yàn)。它的步驟和原理如下:先測(cè)得一條初始的 c V曲線，見圖十（a），這時(shí)對(duì)平帶電壓有貢獻(xiàn)的是Qss，它包括固定電荷和部分可動(dòng)離子電荷。然后在MOS電容上加一個(gè)負(fù)偏壓（金屬接負(fù)），并加熱到100。C 左右，偏壓一 1OV恒溫10分鐘，待冷卻后，再測(cè)它的C V曲線。如圖十（b）。由于在負(fù)偏壓溫度（一 B、T）期間，氧化層中的可動(dòng)離子在升高溫度后具有較大的遷移率，而在負(fù)偏 壓作用下被電場(chǎng)漂移到靠近金屬電極處，使得Si SiO2界面處的電荷減少為只有固定正電荷，所以對(duì)應(yīng)的平帶電壓絕對(duì)值

11、變小，即C V曲線向右方移動(dòng)。接著在MOSI容上再加正偏壓，溫度100。C,偏壓1OV恒溫10分鐘，這時(shí)在電場(chǎng)作用下，氧化層中的可動(dòng)離子經(jīng)過一段時(shí)間全部漂移到 Si SiO2界面處，對(duì)平帶電壓有貢獻(xiàn)的是 Qss，它包括固定電荷和全部 可動(dòng)離子電荷。于是 MOS電容冷卻測(cè)得 C V曲線所對(duì)應(yīng)的平帶電壓絕對(duì)值增加，C-V曲線向左移動(dòng)。這樣，由 B T試驗(yàn)可得平帶電壓的移動(dòng) Mb,再根據(jù)公式 Q=Ci Mb。在氧化層厚度相同的情況下 Vfb越大，可動(dòng)離子的數(shù)目越多。絕緣層中的可動(dòng)離子的位置移動(dòng)可以改變半導(dǎo)體的表面狀況，在器件生產(chǎn)工藝中，要盡量減少正離子沾污。儀器：本實(shí)驗(yàn)使用CTG- 1型高頻C- V

12、測(cè)試儀，x y記錄儀，溫控儀，顯微鏡等。CTC一 1型高頻C-V測(cè)試儀的工作原理如圖一所示。當(dāng)MHz高頻小訊號(hào)加在被測(cè)樣品（即被測(cè)電容C）和接收機(jī)輸入阻抗 Ri上，高頻電壓就被 C和Ri以串聯(lián)形式分壓，由于在 被測(cè)電容兩端加入具有掃描的直流偏壓時(shí)，被測(cè)電容CQ值隨偏壓的增大而減小，即容抗（1/ 3 C）隨反向偏壓的增加而增大，則Ri兩端的高頻電壓也就隨之減少，取Ri兩端高頻電壓進(jìn)行放大，后經(jīng)混頻，中方，檢波變換成直流電壓，該直流電壓的變化就反映出樣品的電容變化，將此直流電壓加在xy函數(shù)記錄儀上，同時(shí)將樣品上所加的直偏壓經(jīng)過分壓器加在xy漢書記錄儀的x軸上，則xy記錄儀直接繪出樣品的電容一電壓C

13、V曲線。實(shí)驗(yàn)步驟與具體要求：1.熟悉CTG 1型高頻C一 V測(cè)試儀和xy函數(shù)記錄儀的使用。2調(diào)整CTG一 1型高頻C-V測(cè)試儀和x-y函數(shù)記錄儀。具體的使用方法見附錄。3. 對(duì) A1 一 SiO2一 Si MOS 進(jìn)行 B T實(shí)驗(yàn)。4. 通過繪制的C V曲線及圖四、圖五， 求出氧化層中固定電荷和可動(dòng)離子面密度，估 計(jì)半導(dǎo)體摻雜濃度.5. 對(duì)觀察到的 MOS C- V曲線進(jìn)行分析和討論。附 錄I xy 函數(shù)記錄儀LZ3100函數(shù)記錄儀（一）準(zhǔn)備1將“ X T”開關(guān)置于“ X”位置，“記錄”開關(guān)置于“抬筆”位置。2將X，Y “量程”置于“短路”擋。3將X, Y的“丄”接線柱用聯(lián)接板與“一”接線柱聯(lián)

14、接。（二）校正1 接通“電源”。2將“電源”開關(guān)接通，用“調(diào)零”旋鈕調(diào)節(jié)X、Y的零點(diǎn)。3.選擇X、Y量程（本實(shí)驗(yàn)選擇5mv/ cm擋）。4由高頻C V測(cè)試儀的“偏壓量程”，對(duì)X軸定標(biāo)，由“電容量程”對(duì) Y軸定標(biāo)。5“電源”開關(guān)斷開。（三）測(cè)量1 接通“電源”開關(guān)2將“記錄”開關(guān)從“抬筆”位置轉(zhuǎn)向記錄位置。進(jìn)行繪制C V曲線。n .CTG 一 1型高頻C V測(cè)試儀操作步驟（一）準(zhǔn)備1將“偏壓選擇”開關(guān)置于“外”，“記錄速度”開關(guān)斷開，“偏壓量程”開關(guān)置于“10V” 擋。2. 將面板上“ X、Y”接線柱一一對(duì)應(yīng)和 X Y函數(shù)記錄儀X、Y接線柱接通?！拜敵觥焙?“輸入”插頭和樣品接線板接通。（二）校正1“電源”開關(guān)接通；儀器預(yù)熱15分鐘。2 “偏壓選擇”開關(guān)置于“內(nèi)”，根據(jù)被測(cè)樣品所需要偏壓大小和偏壓極性，選擇“偏壓極性”和“偏壓量程”，（本實(shí)驗(yàn)“偏壓板性”可置于“負(fù)正” “偏壓量程”可置于10伏檔）3將“電容量程”置于“測(cè)量”擋，用“調(diào)零”電位器使電容表指示為零，根據(jù)被測(cè) 樣品電容大小選擇“電容量程”。使用“校正”旋鈕，調(diào)節(jié)電容表指示為滿度，然后重復(fù)上 述校正，至“電容量程”置于“測(cè)量”擋電容表指示為零，在標(biāo)準(zhǔn)電容擋（例如50