實驗22-MOSFET的低頻CV特性測量

實驗22MOSFET的低頻CV特性測量MOSFET的低頻CV特性測量就是通過對MOSFET的電容-電壓(C-V)特性測試，進而得出氧化層厚度、襯底摻雜濃度、氧化層電荷密度、耗盡層電荷密度以及閾值電壓等參數(shù)。CV測試被廣泛地應用在半導體參數(shù)的測量中，是一種能夠得到許多工藝參數(shù)的重要測試手段，能夠有效地評估工藝、材料及器件的性能。該方法是通過在柵極直流偏置條件下疊加小幅交流低頻信號后，MOSFET柵電容隨柵電壓變化而發(fā)生變化，由此得出電容電壓關系曲線，進而計算出各種工藝參數(shù)。具有原理簡單、操作方便和測量精度高等優(yōu)點。本實驗目的是熟悉電容-電壓法測量MOSFET工藝和襯底參數(shù)的基本原理；學會精密LCR表、直流穩(wěn)壓電源的使用方法；完善所學半導體物理、半導體工藝等理論知識體系。一、實驗原理1.MOSFET電容模型MOSFET中的電容與施加電壓有關。柵極與襯底之間的電容取決于柵極上所施加的直流電壓，可以通過在直流電壓上疊加幅度小得多的交流電壓進行測量。圖22.1給出了柵電壓從負值變到正值時，NMOS晶體管的能帶結構、電荷分布和等效電容模型。—E亡

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—EvMOS圖22.1柵電壓變化時NMOS結構的能帶圖、電荷分布和等效電容當襯底保持接地并在柵極施加負電壓時，NMOSFET結構的電容效應將使襯底靠近氧化層一側的表面開始存儲正電荷。該表面將有比受主濃度NA更高的空穴積累，這種情形稱為表面積累。在此條件下氧化層兩面的可動電荷能迅速響應施加電壓的變化，NMOS器件就如同是一個厚度為tOX的平板電容器，采用COX表示其值。

當襯底保持接地并在柵極施加正電壓時，隨著柵極與襯底之間正電壓的增加，更多受主暴露于襯底靠近氧化層一側的表面，該表面附近的載流子被逐步耗盡，形成了電離受主離子在表面的積累，這就是所謂的表面耗盡。靜電分析表明NMOS器件的總電容是COx和襯底中耗盡區(qū)電容Cd的串聯(lián)。隨著柵電壓的進一步增加,NMOS結構中能帶將在氧化層與襯底界面處發(fā)生顯著彎曲。當耗盡區(qū)達到最大寬度xdmax時，耗盡區(qū)中只剩下電離受主雜質離子。耗盡區(qū)遠離氧化層一側的襯底中產(chǎn)生的載流子超過了復合，所產(chǎn)生的電子通過電場掠過耗盡層勢壘區(qū)到達氧化層－硅界面。因此襯底總電荷就是這兩種電荷之和。這種情形稱為表面反型，靜電分析表明MOS器件總電容是串聯(lián)的氧化層電容、并聯(lián)的耗盡電容以及表面電荷電容q與耗盡電阻的串聯(lián)組合。2.MOSFET參數(shù)計算MOS晶體管柵極與襯底之間的電容的測量極為重要，可以通過電容的測量，計算出許多襯底及工藝參數(shù)，如襯底摻雜濃度N訕、平帶電壓VFB、氧化層電荷密度QSS、耗盡層電荷密度Qb以及閾值電壓VTH等。S"1.)氧化層厚度tOx：在表面積累情況下，MOS結構電容可視為平板電容器，可以表示為：C=A-108-8-8/1pF(22-1)oxr0Ox式中，A表示柵極區(qū)面積，單位為ym2；￡0為真空介電常數(shù)，其值為8.854x10-i4F/cm；j為SiO2的相對介電常數(shù)，其值為3.9；COX是重累積時的被測電容，對應于VGS=VDD時的測量值。根據(jù)上式，可以求出tOX，其值為:t=A-108-8-8/C=3.45x10-5-A/Cym(22-2)OXr0oxox2.)襯底雜質濃度Nsub和費米勢咎:根據(jù)半導體物理理論，襯底雜質濃度Nsub和費米勢叫可由下面兩個公式給出:NN0=±NN0=±ktlnsub=±0.0258*lnsubfq[n丿[nN=4-10-8-b丿csmincm-3SUbq-8rSi-80IA丿ii(22-3)V(22-4)式中，n是本征載流子濃度，單位為cm-3；費米勢的符號由溝道中摻雜的類型確定，N型摻雜為正，P型摻雜為負，單位為V；CSm.n表示最小耗盡層電容，單位為pF；張為硅的相對介電常數(shù)，其值為11.9；q是電子電荷，其值為1.602x10-19，單位為C；K是玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.38x10-23，單位為J/K；T是絕對溫度，單位為K。式(22-3)和式(22-4)的聯(lián)立方程組沒有閉合形式的解，可以使用計算機編程迭代求解，通過給CSmn賦初值反復迭代，最后得到N訕和傑值。這種方法計算復雜度較大，需要具有一定的數(shù)學功底和計算機編程能力才能順利地完成。為簡化實驗難度，通常可以采用查圖表法完成襯底摻雜濃度的求解。根據(jù)半導體表面理論，在CV測試曲線上找出最小電容CSmn，計算出最小電容和氧化層電容的比值CSm.n/COX，由歸一化極小電容CSm.n/COX與氧化層厚度tOX的關系圖表，

可查得襯底的摻雜濃度%，下圖給出了CsminJ仏與可查得襯底的摻雜濃度%，下圖給出了CsminJ仏與Nsub之間的對應關系。1001000圖22.2CSmJCox、tOx與Nsub之間的對應關系3.）平帶電容CFB和平帶電壓VFB：當柵電壓使襯底一側形成了電離受主離子在表面的積累，此時柵電壓能夠克服柵極與襯底間的功函數(shù)差以及柵氧化層中的固定電荷引起襯底一側能帶的彎曲，使得界面處溝道一側能帶不再彎曲，稱為平帶狀態(tài)。此時的耗盡層電容稱為平帶條件下的耗盡層電容，記為CFBS，可以表示為pF(22-5)_104-J2A-8-8pF(22-5)C=■0——rSIFBS式中，LD稱為德拜長度,式中，LD稱為德拜長度,其值為：2KT-8-80——rSI\q2-Nsubcm(22-6)帶入上式，則有104■、：104■、：2A-8-80tsi=2.56x10-11-ANL'subD此時，MOS器件柵極與襯底之間的總電容是COX和CFBS的串聯(lián)，記為平帶電容CFB，表示如下C=FBSpF(22-7)pF(22-8)CC-CpF(22-8)C=—OXFBS-FBC+COXFBS

在測量的CV特性曲線中，CFB對應的電壓稱為平帶電壓，記為VFB，單位為V。平帶電壓可以采用插值的方法計算得出，方法是在CV特性曲線中，平帶電容CFB值附近，選取兩組測試坐標點(C,V)，依據(jù)線性插值方法求出平帶電壓VFB。)柵氧化層電荷密度QSS、耗盡層電荷密度Qb和閾值電壓VTH:由平帶狀態(tài)條件可知，平帶電壓包含功函數(shù)差和氧化層電荷兩部分，可以表示為VFB=0VFB=0ms丄A?Q”SSC-1012OXV(22-9)式中Oms為柵極與襯底之間的功函數(shù)差，其值為0.5?0.6，單位為V；QSS為柵氧化層中固定電荷密度，單位為C/ym2。所以，QSS也可以表示為V-0IQmU-C-10-12C/um2(22-10)TOC\o"1-5"\h\zSSAOX根據(jù)半導體物理知識，耗盡層電荷密度可以由下式描述八q-N-A?￡?￡-10-41.69x10-35-N-AQ=+sub0一rSI二土subC/gm2(22-11)bCCSminSmin其中，Qb的符號由溝道中摻雜的類型確定，N型摻雜為正，P型摻雜為負。閾值電壓vth的含義是施加在柵極上的用于克服柵極與襯底間的功函數(shù)差、氧化層電荷電勢、襯底中耗盡層電荷電勢和形成強反型層需要的兩倍電勢變化，由此，閾值電壓可以表示為VTH=VTH=Vfb+晉+20OX(22-12)本實驗可以采用精密LCR表和直流偏執(zhí)電源，對MOS晶體管設置偏置回路，并在柵源之間施加小幅低頻測試信號，通過變更直流偏置條件形成CV特性曲線。二、實驗容建立MOS管測試回路，對MOS晶體管的柵源電容進行低頻CV特性測量。根據(jù)測試結果，判斷晶體管溝道摻雜類型。計算出MOS晶體管工藝參數(shù)。繪制MOS晶體管C-V特性曲線。三、實驗步驟本實驗采用的CV測試系統(tǒng)包括:安捷倫精密LCR表、安捷倫耦合器、直流穩(wěn)壓電源和測試盒等。下圖為NMOS晶體管CV特性測試原理框圖。需合窄空LC■_■-4_?-圖22.3NMOSCV特性測試原理框圖具體操作步驟如下：系統(tǒng)連接與交流信號設置：按上圖連接好測試系統(tǒng)，檢查并確保連接正確后，接通精密LCR表電源。在LCR表中MEASDISPLAY頁面區(qū)域填入如下字段，設置測量條件如下：）將光標移動到FREQ字段，并輸入1KHz,設定交流信號頻率。）將光標移動到LEVEL字段，并輸入0.5V,設置交流信號幅度。）將光標移動到MEASTIME字段，選擇MED,選擇單一數(shù)據(jù)測試快慢。）按MeasSetup鍵，將光標移動到AVG字段，用數(shù)字鍵輸入平均數(shù)（0~256），設置單一測試數(shù)據(jù)重復次數(shù)。電容測試誤差修正：測試系統(tǒng)回路存在儀器和線路的殘余電感和雜散電容，需要對測試回路分別進行開路修正和短路修正，具體操作如下。）斷開回路開關或拔下器件，使精密LCR表處于開路狀態(tài)。）按MeasSetup鍵和CORRECTION功能鍵。）將光標移動到OPEN字段，切換“ON”態(tài)為“OFF”態(tài)，并按MEASOPEN功能鍵。等待直到消息“OPENmeasurementinprogress”（“正在進行開路測量”）消失。）按ON功能鍵，啟動開路修正并保存在設備。）將短路線連接到耦合器兩端或測試盒柵源兩端，設置短路條件。）將光標移動到SHORT字段，切換“ON”態(tài)為“OFF”態(tài)，并按MEASSHORT功能鍵。等待直到消息“SHORTmeasurementinprogress”（“正在進行短路測量，）消失。）按ON功能鍵，啟動短路修正并保存在設備。測試步驟：修正完成后，將被測MOS器件連接到測試盒源端和柵端。接通直流偏置電源，按如下方式設置輸出偏壓。）按“Voltage/Current”鍵切換至電壓模式。）按導航鍵切換至合適數(shù)據(jù)位置，旋轉電流電壓快速旋鈕設置初始輸入電壓為零或5V。）按“off/on”按鈕開始進行電壓輸出。）當LCR表顯示電容器Cp值和D值（模值），電容值最大時，記錄測試數(shù)據(jù)。）按“off/on”按鈕退出輸出模式，使電容充分放電；）按照測試步長，重新按“Voltage/Current”鍵切換至電壓模式，按導航鍵并旋轉電流電壓快速旋鈕設置下一電壓值；）待電壓源顯示穩(wěn)定后，按“Voltage/Current”鍵接入測試回路，測試該次電容值；）重復上述5.）、6.）和7.）步驟，即可完成多次測試。測試完畢后，關閉LCR表和直流電源，取下被測器件。四、數(shù)據(jù)處理和分析對給定MOS晶體管的柵源電容，進行低頻CV特性曲線的測量，直流電壓圍-5V?+5V,取點不少于20個。根據(jù)測試結果，判斷晶體管類型。計算出氧化層厚度、襯底摻雜濃度、費米勢、氧化層電荷密度、耗盡層電荷密度以及閾值電壓等參數(shù)。繪制MOS晶體管C-V特性曲線。五、思考題影響氧化層電荷密度大小的因素有哪些。解釋MOS晶體管閾值電壓變化圍較寬的原因。說明MOS器件類型與平帶電壓之間有什么關系？。六、