準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量硅二氧化硅界面態(tài)密布分布

1、準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量硅二氧化硅界面態(tài)密布分布界面態(tài)密度是表征硅二氧化硅界面性質(zhì)的一個(gè)重要的物理參量。硅二氧化硅界面問(wèn)題是硅平面器件及集成電路工藝和器件物理中的一個(gè)基本問(wèn)題，也是半導(dǎo)體研究的一個(gè)重要組成部分。界面態(tài)可以起產(chǎn)生、復(fù)合中心作用，使pn結(jié)反向漏電流增加、雙極性晶體管小電流時(shí)電流增益下降、產(chǎn)生1/f噪聲。界面態(tài)還可以起到散射中心作用，使MOS晶體管跨導(dǎo)降低、頻率特性和開(kāi)關(guān)特性伴茶、閥電壓不穩(wěn)定。由于界面態(tài)和體內(nèi)交換電荷有一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間常數(shù)，所以對(duì)CCD器件的轉(zhuǎn)移特性有直接的影響。界面態(tài)密度與器件制造工藝密切相關(guān)，列入電離輻射損傷界面態(tài)密度增加，適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に嚹芙档徒缑鎽B(tài)密度。因此，界面態(tài)密度的測(cè)

2、量對(duì)于研究器件特性、監(jiān)控工藝質(zhì)量、提高器件性能尤為重要。迄今為止，測(cè)量界面態(tài)密度的方法很多。高頻CV法雖然簡(jiǎn)單，但為了得到界面態(tài)在禁帶中的分布，需要借助于圖解微分來(lái)分析數(shù)據(jù)，而且精度和靈敏度不高。溫度法測(cè)試和計(jì)算都很簡(jiǎn)單，但可測(cè)的能量范圍較窄，而且靈敏度較低。電導(dǎo)法有較高的測(cè)量精度，但測(cè)量不走很煩。準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量簡(jiǎn)單，不僅能夠測(cè)出禁帶中交大能量范圍內(nèi)的界面態(tài)密度分布，而且能同時(shí)測(cè)出表面勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)及用準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量硅二氧化硅界面態(tài)密度分布。目的是了解準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量原理、熟悉準(zhǔn)靜態(tài)CV測(cè)量刺痛、學(xué)會(huì)測(cè)量和分析MOS結(jié)構(gòu)中圭二氧化硅界面態(tài)密度及其分布。一、 實(shí)驗(yàn)原理界面態(tài)是存在于硅二氧化硅界面處的一些能級(jí)

3、，這些能既可以是施主型，也可以是受主型，在能量上可以連續(xù)分布于半導(dǎo)體的整個(gè)禁帶之中，如圖15.1所示。電子在界面態(tài)中的填充情況取決于這些能即興對(duì)于費(fèi)米能級(jí)的位置。如果是受主型界面態(tài)，則接受電子后帶負(fù)電，不接受電子時(shí)為中性。如果是施主型界面態(tài)，則由電子時(shí)保持電中性，施放電子后就呈正電性。當(dāng)半導(dǎo)體表面勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，費(fèi)米能級(jí)和表面能既相對(duì)位置發(fā)生變化，界面態(tài)中電子的填充情況也發(fā)生變化，引起界面態(tài)和編導(dǎo)體體內(nèi)交換點(diǎn)子，并且以某個(gè)特征時(shí)間常數(shù)于體內(nèi)達(dá)到平衡。因而界面態(tài)可以隨表面勢(shì)的變化而發(fā)生充放電，因此可以用一個(gè)于此相關(guān)的電容即界面態(tài)電容來(lái)等效，它與界面態(tài)密度成正比。界面態(tài)又稱界面陷阱電荷。金屬二氧化硅

4、硅的MOS結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)樣品，在高頻信號(hào)作用下的等效電路如圖2（a）所示。圖中C是氧化層電容、C是半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容。因?yàn)榻缑鎽B(tài)的充放電跟不上高頻信號(hào)的變化，在等效電路中就不出現(xiàn)與界面態(tài)有關(guān)的電容。如果測(cè)量的信號(hào)頻率及直流偏壓的變化都足夠慢，是見(jiàn)面臺(tái)的充放電始終跟得上電壓的變化，則必須考慮界面態(tài)電容的影響，圖2（b）即MOS結(jié)構(gòu)的低頻等效電路，途中C是界面態(tài)電容。圖3是P型襯底MOS結(jié)構(gòu)在高頻和低頻信號(hào)下測(cè)量的CV特性曲線。在積累區(qū)高頻和低頻電容都等于氧化層電容C。在耗盡層和弱反型區(qū)域，由于界面態(tài)電容只對(duì)低頻電容有貢獻(xiàn)，以呢日拼電容的紙幣高頻電容大，因此在耗盡和弱反型區(qū)域內(nèi)可以根據(jù)高頻和低頻電

5、容的差別計(jì)算出界面態(tài)密度。到了反型區(qū)，由于反型層中的少數(shù)載流子濃度只能跟得上低頻信號(hào)的變化，使低頻電容的值上升很快，在強(qiáng)反型區(qū)低頻電容恢復(fù)到氧化層電容C的值，而高頻電容達(dá)到了最小值。圖中C即低頻電容，C即高頻電容。如果在MOS結(jié)構(gòu)上加一個(gè)掃描速率很面的線性斜坡掃描典雅，足以維持半導(dǎo)體的反型曾處于準(zhǔn)平衡條件，稱MOS結(jié)構(gòu)的這種變化過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。因?yàn)榻缑鎽B(tài)充放電的時(shí)間常數(shù)比反型層電荷變化的時(shí)間常數(shù)短，因此當(dāng)反型層處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)，界面態(tài)也必然維持在準(zhǔn)平衡狀態(tài)。在保持MOS結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)變化的情況下，側(cè)來(lái)MOS結(jié)構(gòu)CV特性的方法，即為準(zhǔn)靜態(tài)法。MOS準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量結(jié)果和低頻測(cè)量結(jié)果意志。由圖2MOS結(jié)構(gòu)在

6、高頻和低頻使得等效電路可以得=+ (1) (2)將以上二式消去C，可以求得界面態(tài)電容的表達(dá)式為C=C (3)式中C/C、C/C分別為以氧化層電容歸一化的低頻和高頻電容。因?yàn)榻缑鎽B(tài)密度定義為單位面積、單位能量間隔內(nèi)的界面態(tài)能級(jí)數(shù)，因此，當(dāng)表面勢(shì)變化dVs時(shí)，界面態(tài)重點(diǎn)和的變化量為dQ=AqNdV (4)式中Am為MOS結(jié)購(gòu)金屬電極面積。則界面態(tài)密度N= (5)將式（3）代入式（5）得N= (6)為了求得Nss隨禁帶中能量的變化，也即求Nss表面勢(shì)的變化，必須先求得試驗(yàn)的外加電壓V和V的關(guān)系。假設(shè)山上的偏壓為V,所對(duì)應(yīng)的金屬板上的電荷量為Q,電壓V降落在氧化層兩端的電壓為V，降落在半導(dǎo)體空間電荷區(qū)

7、的電壓即為表面是V。V與V、V三者的關(guān)系為V=V+ V (7)又因?yàn)?dQ=CdV=C( V)d V (8)根據(jù)以上二式可得d V= dVdV= dV =1 (9)將上式從表面積累對(duì)應(yīng)的柵壓V=V到某一山崖V=V積分，就可得到表面勢(shì)與外加?xùn)艍旱年P(guān)系V (V)= (10)式中為積分常數(shù)， 由于在平帶時(shí)表面是V=0，則V(V)=0 (11)由上式及渴求的積分常數(shù) = （12）將式（12）代入式（10）得V（V）= （13）在圖4所示的試驗(yàn)曲線中，上式等號(hào)右端第一項(xiàng)是C/C=1，V=V和C/C V所圍成的面積。第二項(xiàng)是C/C=1，V=V和V=V三條直線和C/C V所圍成的面積，圖中陰影部分即對(duì)應(yīng)V（

8、V）。若選擇坐標(biāo)紙，在C/C軸上每厘米為0.1，在V軸上每厘米為1V，則每平方毫米面積即代表1mV。由式（6）求出N和V的關(guān)系，再由式（13）求出V和V的關(guān)系，就可以求出N和V的關(guān)系。為了求出界面態(tài)在禁帶中按能量分布，還必須進(jìn)一步求出能量和表面勢(shì)V的關(guān)系。圖5是P型硅有界面態(tài)作用時(shí)的能帶圖。從圖中可以看出qV=E-E (14)qV= EE (15)式中E為體內(nèi)本征費(fèi)米能級(jí)，E為表面本征費(fèi)米能級(jí)，E為費(fèi)米勢(shì)。由圖中還可看出E=EE= EE + EE=qV+qV=KTln(N/n)+ qV (16)根據(jù)式（13）和（16），就可求出禁帶中的能量E和外加?xùn)艍篤的關(guān)系，由此關(guān)系和式（6）即渴求出界面態(tài)

9、密度在禁帶中按能量的分布。對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量結(jié)果可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也可以根據(jù)計(jì)算曲線求解。圖6是準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量的原理圖。C(V)為MOS樣品電容，R為高阻反饋電阻，A是一個(gè)高增益高輸入祖康的線性放大器，它保持電路的N點(diǎn)為地電勢(shì)。在試驗(yàn)裝置中，A實(shí)際上是ZC36型微電流計(jì)。圖中線性斜坡掃描電壓V（t）=V+t是XFD8型超低頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的。V為掃描起始典雅，是一個(gè)常數(shù)。=d V/dt為掃描速率，也是常數(shù)。當(dāng)足夠小時(shí)，反型層的充放電能夠跟上信號(hào)典雅的變化而處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)。當(dāng)電壓變化時(shí)，流過(guò)電容器的位移電流是i=C(V) (17)因?yàn)闉槌Ｊ?，所以位移電流i與電容C(V)成正比。則輸出電壓為V(

10、V)=Ri=R i =R C(V) (18)二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)量MOS結(jié)構(gòu)樣品的漏電流，對(duì)于漏電流小于110A的樣品才能進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量。2. 改變斜坡電壓掃描速率，測(cè)量低頻CV特性曲線，若曲線重合，則表明已經(jīng)達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)條件。3. 用滿足準(zhǔn)靜態(tài)條件的掃描速率測(cè)出準(zhǔn)靜態(tài)CV特性曲線。4. 測(cè)量高頻CV特性曲線，測(cè)出最大電容C、最小電容C，求出平帶電容C和平帶電壓V。三、 試驗(yàn)步驟1 接通各儀器電源，預(yù)熱15分鐘。2 按測(cè)試需要調(diào)整儀器。3 把去掉背面二氧化硅層的MOS樣品放入滴有水或酒精的測(cè)試臺(tái)上，將測(cè)試裝置按準(zhǔn)靜態(tài)連接。注意廣、電磁評(píng)比，以防止外界干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。4 使探針和鋁電極接觸

11、，把MOS電容偏置在強(qiáng)積累區(qū)，測(cè)量樣品的漏電流。5 用滿足準(zhǔn)靜態(tài)條件的斜坡變化率測(cè)出準(zhǔn)靜態(tài)CV曲線。6 使測(cè)試臺(tái)上的探針脫離鋁電極接觸，用同樣的條件畫出一條直線，作為電容的零線，以扣除雜散電容的貢獻(xiàn)。7 測(cè)出高頻CV特性曲線。調(diào)節(jié)圖7中的電位器W和W，改變微電流計(jì)和高頻電容電壓特性測(cè)試儀的輸出典雅。在XY記錄儀上，使高頻CV和準(zhǔn)靜態(tài)CV曲線在強(qiáng)積累區(qū)重合。四、 數(shù)據(jù)處理和分析1. 有歸一化高頻CV曲線確定/襯底摻雜濃度N、氧化層厚度d、歸一化平帶電容C/C、平帶電壓V。2. 由試驗(yàn)曲線求界面態(tài)密度在禁帶中按能量的分布。（1） 根據(jù)式（6）計(jì)算N和V的關(guān)系曲線；（2） 根據(jù)式（13）計(jì)算V和V的關(guān)系曲線；（3） 根據(jù)式（16）計(jì)算E和V關(guān)系曲線；進(jìn)而得出界面態(tài)密度在禁帶中按能量的分布。五、 思考題1. 什么失準(zhǔn)靜態(tài)條件？在測(cè)試過(guò)程中，如何滿足準(zhǔn)靜態(tài)條件？2. 試分析漏電流和串聯(lián)電阻對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量界面態(tài)密度的影響。3. 試討論本實(shí)驗(yàn)測(cè)量界面態(tài)密度所使用的能量范圍。4. 如何用實(shí)驗(yàn)曲線求出界面態(tài)密度在禁帶中按能量的分布？六、 參考資料1 郭維廉，硅