準靜態(tài)法測量硅二氧化硅界面態(tài)密布分布

1、準靜態(tài)法測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)的一個重要的物理參量。硅二氧化硅界面問題是硅平面器件及集成電路工藝和器件物理中的一個基本問題，也是半導體研究的一個重要組成部分。界面態(tài)可以起產(chǎn)生、復合中心作用，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晶體管跨導降低、頻率特性和開關特性伴茶、閥電壓不穩(wěn)定。由于界面態(tài)和體內(nèi)交換電荷有一個較長的時間常數(shù)，所以對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，列入電離輻射損傷界面態(tài)密度增加，適當?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

2、量對于研究器件特性、監(jiān)控工藝質(zhì)量、提高器件性能尤為重要。迄今為止，測量界面態(tài)密度的方法很多。高頻CV法雖然簡單，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分析數(shù)據(jù)，而且精度和靈敏度不高。溫度法測試和計算都很簡單，但可測的能量范圍較窄，而且靈敏度較低。電導法有較高的測量精度，但測量不走很煩。準靜態(tài)法測量簡單，不僅能夠測出禁帶中交大能量范圍內(nèi)的界面態(tài)密度分布，而且能同時測出表面勢。本實驗及用準靜態(tài)法測量硅二氧化硅界面態(tài)密度分布。目的是了解準靜態(tài)法測量原理、熟悉準靜態(tài)CV測量刺痛、學會測量和分析MOS結(jié)構中圭二氧化硅界面態(tài)密度及其分布。一、 實驗原理界面態(tài)是存在于硅二氧化硅界面處的一些能級

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)分布于半導體的整個禁帶之中，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于費米能級的位置。如果是受主型界面態(tài)，則接受電子后帶負電，不接受電子時為中性。如果是施主型界面態(tài)，則由電子時保持電中性，施放電子后就呈正電性。當半導體表面勢發(fā)生變化時，費米能級和表面能既相對位置發(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)和編導體體內(nèi)交換點子，并且以某個特征時間常數(shù)于體內(nèi)達到平衡。因而界面態(tài)可以隨表面勢的變化而發(fā)生充放電，因此可以用一個于此相關的電容即界面態(tài)電容來等效，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)構作為實驗樣品，在高頻信號作用下的等效電路如圖2（a）所示。圖中C是氧化層電容、C是半導體空間電荷區(qū)電容。因為界面態(tài)的充放電跟不上高頻信號的變化，在等效電路中就不出現(xiàn)與界面態(tài)有關的電容。如果測量的信號頻率及直流偏壓的變化都足夠慢，是見面臺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)構在高頻和低頻信號下測量的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)電容只對低頻電容有貢獻，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的變化，使低頻電容的值上升很快，在強反型區(qū)低頻電容恢復到氧化層電容C的值，而高頻電容達到了最小值。圖中C即低頻電容，C即高頻電容。如果在MOS結(jié)構上加一個掃描速率很面的線性斜坡掃描典雅，足以維持半導體的反型曾處于準平衡條件，稱MOS結(jié)構的這種變化過程為準靜態(tài)過程。因為界面態(tài)充放電的時間常數(shù)比反型層電荷變化的時間常數(shù)短，因此當反型層處于準平衡狀態(tài)，界面態(tài)也必然維持在準平衡狀態(tài)。在保持MOS結(jié)構準靜態(tài)變化的情況下，側(cè)來MOS結(jié)構CV特性的方法，即為準靜態(tài)法。MOS準靜態(tài)測量結(jié)果和低頻測量結(jié)果意志。由圖2MOS結(jié)構在

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。因為界面態(tài)密度定義為單位面積、單位能量間隔內(nèi)的界面態(tài)能級數(shù)，因此，當表面勢變化dVs時，界面態(tài)重點和的變化量為dQ=AqNdV (4)式中Am為MOS結(jié)購金屬電極面積。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表面勢的變化，必須先求得試驗的外加電壓V和V的關系。假設山上的偏壓為V,所對應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三者的關系為V=V+ V (7)又因為 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應的柵壓V=V到某一山崖V=V積分，就可得到表面勢與外加柵壓的關系V (V)= (10)式中為積分常數(shù)， 由于在平帶時表面是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所示的試驗曲線中，上式等號右端第一項是C/C=1，V=V和C/C V所圍成的面積。第二項是C/C=1，V=V和V=V三條直線和C/C V所圍成的面積，圖中陰影部分即對應V（

8、V）。若選擇坐標紙，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的關系，再由式（13）求出V和V的關系，就可以求出N和V的關系。為了求出界面態(tài)在禁帶中按能量分布，還必須進一步求出能量和表面勢V的關系。圖5是P型硅有界面態(tài)作用時的能帶圖。從圖中可以看出qV=E-E (14)qV= EE (15)式中E為體內(nèi)本征費米能級，E為表面本征費米能級，E為費米勢。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和外加柵壓V的關系，由此關系和式（6）即渴求出界面態(tài)

9、密度在禁帶中按能量的分布。對于準靜態(tài)測量結(jié)果可以用計算機進行數(shù)據(jù)處理，也可以根據(jù)計算曲線求解。圖6是準靜態(tài)測量的原理圖。C(V)為MOS樣品電容，R為高阻反饋電阻，A是一個高增益高輸入祖康的線性放大器，它保持電路的N點為地電勢。在試驗裝置中，A實際上是ZC36型微電流計。圖中線性斜坡掃描電壓V（t）=V+t是XFD8型超低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的。V為掃描起始典雅，是一個常數(shù)。=d V/dt為掃描速率，也是常數(shù)。當足夠小時，反型層的充放電能夠跟上信號典雅的變化而處于準平衡狀態(tài)。當電壓變化時，流過電容器的位移電流是i=C(V) (17)因為為常熟，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、 實驗內(nèi)容1. 測量MOS結(jié)構樣品的漏電流，對于漏電流小于110A的樣品才能進行準靜態(tài)測量。2. 改變斜坡電壓掃描速率，測量低頻CV特性曲線，若曲線重合，則表明已經(jīng)達到準靜態(tài)條件。3. 用滿足準靜態(tài)條件的掃描速率測出準靜態(tài)CV特性曲線。4. 測量高頻CV特性曲線，測出最大電容C、最小電容C，求出平帶電容C和平帶電壓V。三、 試驗步驟1 接通各儀器電源，預熱15分鐘。2 按測試需要調(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試臺上，將測試裝置按準靜態(tài)連接。注意廣、電磁評比，以防止外界干擾對測試結(jié)果的影響。4 使探針和鋁電極接觸

11、，把MOS電容偏置在強積累區(qū)，測量樣品的漏電流。5 用滿足準靜態(tài)條件的斜坡變化率測出準靜態(tài)CV曲線。6 使測試臺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。7 測出高頻CV特性曲線。調(diào)節(jié)圖7中的電位器W和W，改變微電流計和高頻電容電壓特性測試儀的輸出典雅。在XY記錄儀上，使高頻CV和準靜態(tài)CV曲線在強積累區(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）計算N和V的關系曲線；（2） 根據(jù)式（13）計算V和V的關系曲線；（3） 根據(jù)式（16）計算E和V關系曲線；進而得出界面態(tài)密度在禁帶中按能量的分布。五、 思考題1. 什么失準靜態(tài)條件？在測試過程中，如何滿足準靜態(tài)條件？2. 試分析漏電流和串聯(lián)電阻對準靜態(tài)測量界面態(tài)密度的影響。3. 試討論本實驗測量界面態(tài)密度所使用的能量范圍。4. 如何用實驗曲線求出界面態(tài)密度在禁帶中按能量的分布？六、 參考資料1 郭維廉，硅