高頻MOS電容—電壓測量

1、實(shí)驗(yàn)七高頻MOS!容一電壓測量目的:用MOSI容一電壓法測定氧化層中可動離子，估計半導(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，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)于一個平行板電容器,C = i c/d i單位面積的電容值可由下式計算：式中di是氧化層厚度， i是二氧化硅的相對介電常數(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是一個固定電容，因而總的電容C也隨外偏壓變化，對于P型半導(dǎo)體，理想 MOS吉構(gòu)的C V曲線見圖三。下面分幾個區(qū)來說明圖三的C V曲線1. V 0當(dāng)負(fù)偏壓很大時，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)于一個大電容，總的 C近似等于Ci。當(dāng)偏壓增加時，積累區(qū)的空穴減少，Cs不再是一個大電容，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，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、及隨測試電容的高頻訊號變動，這時Cs就主要由空間電荷區(qū)的電離受主所決定，Cs趨向一個不再變化的最小值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，它們之間會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。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。這時即使沒有外加電場，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 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，當(dāng)負(fù)偏壓加到V=VFb時，能帶剛好恢復(fù)平直的情況，這時的電壓VFB就成為平帶電壓。見圖七。此時，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，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 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時能帶是平直的。因此考慮了接觸電勢差以后，整個C-V曲線眼-V方向向左移動。所以，同時考慮上述兩個因素的綜合影響，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)對恥S結(jié)構(gòu)中電勢分布的影響圖九 功函數(shù)差對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相對于Al和Au的接觸電勢差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、氧化層中可動離子的決定Qss從公式Vfb = Vms -可以看到，當(dāng)已知接觸電勢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離子密度分別是多少。要測定可動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:先測得一條初始的 c V曲線，見圖十（a），這時對平帶電壓有貢獻(xiàn)的是Qss，它包括固定電荷和部分可動離子電荷。然后在MOS電容上加一個負(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，所以對應(yīng)的平帶電壓絕對值

11、變小，即C V曲線向右方移動。接著在MOSI容上再加正偏壓，溫度100。C,偏壓1OV恒溫10分鐘，這時在電場作用下，氧化層中的可動離子經(jīng)過一段時間全部漂移到 Si SiO2界面處，對平帶電壓有貢獻(xiàn)的是 Qss，它包括固定電荷和全部 可動離子電荷。于是 MOS電容冷卻測得 C V曲線所對應(yīng)的平帶電壓絕對值增加，C-V曲線向左移動。這樣，由 B T試驗(yàn)可得平帶電壓的移動 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，可動離子的數(shù)目越多。絕緣層中的可動離子的位置移動可以改變半導(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、測試儀，x y記錄儀，溫控儀，顯微鏡等。CTC一 1型高頻C-V測試儀的工作原理如圖一所示。當(dāng)MHz高頻小訊號加在被測樣品（即被測電容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 被測電容兩端加入具有掃描的直流偏壓時，被測電容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測試儀和x-y函數(shù)記錄儀。具體的使用方法見附錄。3. 對 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離子面密度，估 計半導(dǎo)體摻雜濃度.5. 對觀察到的 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測試儀的“偏壓量程”，對X軸定標(biāo)，由“電容量程”對 Y軸定標(biāo)。5“電源”開關(guān)斷開。（三）測量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“測量”擋，用“調(diào)零”電位器使電容表指示為零，根據(jù)被測 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“測量”擋電容表指示為零，在標(biāo)準(zhǔn)電容擋（例如50