浙江大學(xué)半導(dǎo)體測試技術(shù)第五章_第1頁
浙江大學(xué)半導(dǎo)體測試技術(shù)第五章_第2頁
浙江大學(xué)半導(dǎo)體測試技術(shù)第五章_第3頁
浙江大學(xué)半導(dǎo)體測試技術(shù)第五章_第4頁
浙江大學(xué)半導(dǎo)體測試技術(shù)第五章_第5頁
已閱讀5頁,還剩50頁未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進(jìn)行舉報或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡介

第五章IV-CV表征(IV(current-voltage)andCV(capacitance-voltage)Characterization)

IV(current-voltage)和CV(capacitance-voltage)測量是測量材料電學(xué)性能的重要手段,從廣義上說就是通過測量材料或器件的電壓-電流或電壓-電容之間的內(nèi)在關(guān)系來獲得材料的電學(xué)性質(zhì),例如電阻率、導(dǎo)電類型、載流子濃度等。IV、CV測試的應(yīng)用范圍很廣,在電子元器件、通訊、傳感器等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。特別是近年來隨著微電子行業(yè)的快速發(fā)展,半導(dǎo)體元器件的尺寸越來越小,對硅晶片的均勻性、雜質(zhì)濃度分布、晶體管的參數(shù)以及整個集成電路器件的失效性分析的測試顯得更加重要。世界著名的測試設(shè)備生產(chǎn)廠商如吉時利(Keithley)和安捷倫(Agilent)都推出了IV和CV測試功能整合在一起的測試設(shè)備,用于半導(dǎo)體行業(yè)的元器件參數(shù)測試和失效性分析,這種儀器統(tǒng)稱為半導(dǎo)體參數(shù)測試儀,具有功能模塊化設(shè)計,電腦自動控制,測試快速和結(jié)果圖形化顯示等優(yōu)點(diǎn),本章所討論的IV、CV測試主要就是指使用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀檢測半導(dǎo)體器件的IV和CV特性的方法,這在半導(dǎo)體性能測試中具有非常重要的實(shí)用意義

§1.簡介

半導(dǎo)體器件種類很多,應(yīng)用廣泛,例如各種晶體管:二極管、三極管、場效應(yīng)管、晶閘管等,而由各種晶體管和連線組成的集成電路更加多種多樣,功能各異。對于半導(dǎo)體器件,根據(jù)不同的功能和需要,所要測試的電學(xué)參數(shù)也各不相同,一般包含電阻率、導(dǎo)電類型、極性、載流子濃度、遷移率、少子壽命、載流子濃度分布等。半導(dǎo)體材料和器件的電學(xué)性能測量有很多種方法,例如擴(kuò)展電阻、四探針、三探針、IV、CV及Hall測量等。

I-V測試的是器件兩端在施加不同電壓時的電流特性。得到的是關(guān)于器件的輸運(yùn)性質(zhì)的參數(shù)如電阻率、載流子濃度、二極管的整流特性等。

C-V測試的是半導(dǎo)體材料或器件中的電容充放電特性,可以獲得材料中雜質(zhì)濃度及其分布的信息,CV測量通過掃描截面可以獲得材料截面均勻性以及縱向雜質(zhì)濃度分布的信息,因此比四探針等測試方法具有更大的優(yōu)點(diǎn)?;贑-V測試的操作簡單和低成本,它目前已成為最普遍的載流子濃度分布測試手段。擴(kuò)展電阻法也可以測量載流子縱向分布,但需要樣品進(jìn)行預(yù)處理,同時對樣品的導(dǎo)電性也有一定的要求。而C-V法既可以測量低阻襯底上外延層材料的載流子濃度分布,同時也可以測量高阻襯底上材料的載流子濃度分布。在這里要提一下深能級瞬態(tài)譜的測量(DLTS),它其實(shí)是C-V法的一個特例,測量的是半導(dǎo)體中瞬間的一個電容值,通過它可以得到半導(dǎo)體禁帶中存在的一些由雜質(zhì)造成的深能級的信息,如這些深能級的位置、濃度和發(fā)射、復(fù)合速率等。因此,DLTS常常和CV測試儀整合在一個儀器中。半導(dǎo)體材料有空穴導(dǎo)電和電子導(dǎo)電兩種類型(P型和N型),它們的輸運(yùn)性質(zhì)是不同的,當(dāng)兩種類型的半導(dǎo)體材料連接在一起時就形成了pn結(jié)。這是半導(dǎo)體器件的基本組成單元。由于結(jié)勢壘的存在導(dǎo)致pn結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)具有單向性,當(dāng)我們利用IV和CV法測試pn結(jié)的正反向時,就可以得到PN結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)、輸運(yùn)機(jī)制和載流子密度等信息。同樣的測量也適用于肖特基結(jié)(半導(dǎo)體與金屬形成的結(jié))上。載流子的壽命對于半導(dǎo)體也是一個重要的性質(zhì),特別是對于摻雜引起的載流子,它的壽命和雜質(zhì)濃度,摻雜種類,缺陷密度等密切相關(guān),最終導(dǎo)致了半導(dǎo)體性能上的差異。對壽命的測量有多種方法,而采用光脈沖和IV、CV結(jié)合的方法可以方便的測量半導(dǎo)體中載流子的壽命,從而了解半導(dǎo)體內(nèi)部雜質(zhì)分布等信息??傊雽?dǎo)體的輸運(yùn)性質(zhì)的測量對于了解半導(dǎo)體的性能具有重要的作用。而IV、CV測試法是測量輸運(yùn)性質(zhì)不可或缺的重要手段。§2.IV(current-voltage)表征引言原理應(yīng)用一.引言對于一個半導(dǎo)體樣品進(jìn)行IV測量可以得到它的很多性質(zhì)。最簡單的應(yīng)用就是測量半導(dǎo)體的電阻特性。在室溫下半導(dǎo)體材料的電阻率一般為10-4-109Ω.cm,介于導(dǎo)體和絕緣體之間。它的導(dǎo)電性能與溫度,摻雜,晶格缺陷等因素密切相關(guān),特別是摻雜能造成半導(dǎo)體材料電阻率的急劇變化,所以測量半導(dǎo)體材料的電阻率是表征半導(dǎo)體摻雜濃度和摻雜效果的一個重要參數(shù)。我們需要根據(jù)半導(dǎo)體的種類和性質(zhì)選擇合適的測試方法,這樣才能得到材料的真實(shí)信息。例如,樣品是塊體材料還是薄膜材料,樣品的種類、形狀、大小,摻雜類型、電阻率的大小范圍區(qū)間等等,只有了解了這些背景信息,我們才能選擇正確的測試方法和步驟。二.原理PN結(jié)加正向電壓時,呈現(xiàn)低電阻,具有較大的正向擴(kuò)散電流;PN結(jié)加反向電壓時,呈現(xiàn)高電阻,具有很小的反向漂移電流。當(dāng)加在PN結(jié)上的反向電壓增加到一定數(shù)值時,反向電流突然急劇增大,PN結(jié)產(chǎn)生電擊穿—這就是PN結(jié)的擊穿特性。

p-n結(jié)的典型電流-電壓曲線三.應(yīng)用3.1:判斷金半(金屬-半導(dǎo)體)接觸類型由于金屬與半導(dǎo)體功函數(shù)的差別,某些金屬與半導(dǎo)體接觸會形成比較好的歐姆接觸,而另外一些金屬與半導(dǎo)體接觸會在接觸界面處形成勢壘,得到的是肖特基接觸,這種接觸也就形成了肖特基二極管。例如,如果n型半導(dǎo)體同一個功函數(shù)比它大的金屬接觸,由于WB>Wn(WB是金屬的功函數(shù),Wn是n型半導(dǎo)體的功函數(shù)),電子在W=WB-Wn的作用下,從半導(dǎo)體跑到金屬中去。達(dá)到平衡時,金屬的費(fèi)米能級(EF)B同半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(EF)n相等,半導(dǎo)體表面因缺少了電子而帶正電,金屬表面則因多余電子而帶負(fù)電,在金屬和半導(dǎo)體之間就有接觸電勢差。能帶圖如圖所示功函數(shù)較大的金屬與n型半導(dǎo)體接觸能帶圖

根據(jù)上述,金半接觸的類型可以根據(jù)測得的伏安特性曲線來判斷,典型曲線如圖所示金屬-半導(dǎo)體接觸伏安特性曲線3.2:檢測太陽電池性能參數(shù)

太陽電池在光照情況下與典型的伏安特性曲線有區(qū)別,曲線并不通過坐標(biāo)零點(diǎn),這是由于太陽電池的光生伏特效應(yīng)引起的。通過測量光照情況下太陽電池的伏安特性曲線,可以獲得太陽電池器件性能的重要參數(shù)。太陽電池伏安特性曲線-光照上圖所示即是太陽電池在光照情況下的伏安特性曲線,從曲線中我們可以得到短路電流、開路電壓、輸出功率、填充因子等一系列重要參數(shù)。另外也可以根據(jù)伏安特性曲線來分析問題太陽電池的癥結(jié)所在,如下圖是一片效率不高的太陽電池的暗環(huán)境下的伏安特性曲線,從曲線中我們就可以看出兩大問題:1.結(jié)特性不好;2.反向電流過大太陽電池暗環(huán)境下的伏安曲線§3.CV(capacitance-voltage)表征引言原理應(yīng)用一.引言C-V測試的是材料的電容充放電特性,通過它可以獲得半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)濃度及其分布,少數(shù)載流子壽命等信息。自從1960年Hillibrand

等首先提出利用C-V法測量半導(dǎo)體中多數(shù)載流子濃度后,這項技術(shù)在半導(dǎo)體測試行業(yè)發(fā)展迅速,成為測量半導(dǎo)體性質(zhì)的主要方法之一。C-V測試?yán)冒雽?dǎo)體中形成的各種結(jié)的電容效應(yīng)作為測試基礎(chǔ),例如pn結(jié),肖特基結(jié)(MS),金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(MIS)結(jié)構(gòu)等。下面我們通過分析測量pn結(jié)的C-V關(guān)系來闡述其測量載流子濃度的機(jī)理。

二.原理

pn結(jié)的結(jié)電容特性和C-V關(guān)系半導(dǎo)體材料根據(jù)導(dǎo)電類型的不同可以分為p型和n型。對于n型半導(dǎo)體,主要載流子是電子,少數(shù)載流子為少量空穴。而p型半導(dǎo)體的主要載流子則是空穴,少數(shù)載流子為電子。當(dāng)我們將p型和n型半導(dǎo)體材料結(jié)合在一起就形成了pn結(jié)。pn結(jié)最基本的特征和性質(zhì)就是單向?qū)щ娦?。電流由p區(qū)流向n區(qū)時電流導(dǎo)通,由n區(qū)流向p區(qū)時電流隔斷。以硅為例,它的p型和n型主要由摻雜不同種類的雜質(zhì)元素造成,n型硅中電子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的濃度,費(fèi)米能級在帶隙的上半部,接近導(dǎo)帶,而p型硅中則恰恰相反,空穴的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的濃度,費(fèi)米能級在帶隙的下半部,接近價帶。當(dāng)p型和n型硅連接在一起時,由于二者費(fèi)米能級位置不同,在連接處就會形成電荷積累,形成勢壘。pn結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖勢壘高度可由p區(qū)和n區(qū)的費(fèi)米能級差求得:(5.1)

由于勢壘區(qū)存在能級的變化,也就是存在著電場,這被稱為內(nèi)建電場(電壓即為V),內(nèi)建電場沿著抵消多數(shù)載流子擴(kuò)散趨勢的方向。因此在內(nèi)電場存在的區(qū)域載流子同時受到擴(kuò)散與漂移兩種作用,達(dá)到平衡時勢壘區(qū)沒有電子或空穴流動,所以又稱為耗盡區(qū)??紤]在一維情況下,在耗盡區(qū)內(nèi)電荷分布和電場的關(guān)系滿足泊松方程:(5.2)其中為半導(dǎo)體的介電常數(shù),q為單位電量電荷,為電荷分布密度。(5.3)可寫為:

Vq為單位電量電荷,p(x)為空穴載流子密度,n(x)為電子載流子密度,ND(X)和NA(X)分別為固定正負(fù)電荷的密度,它們的物理意義就是摻雜原子在貢獻(xiàn)一個移動的載流子后殘余下來的固定電荷。因此,實(shí)際上這就是施主離子濃度和受主離子濃度。這樣,由于在勢壘區(qū)存在內(nèi)建電場,平衡狀態(tài)時不存在可移動的載流子,因此上式可簡寫為:(n型摻雜區(qū))5.4-1(p型摻雜區(qū))5.4-2解這個二次微分方程可得到電勢與坐標(biāo)位置的關(guān)系,分別在n,p區(qū)寫出解:5.5-15.5-2由上式可以看出,電勢分布為拋物線,接下來我們可以求出勢壘寬度L的表達(dá)式

根據(jù)邊界條件,在n,p結(jié)合點(diǎn)(x=0)電勢連續(xù),因此,利用公式5.5可以求得勢壘高度VD:5.6又因?yàn)長=xn+xp,NAxp=NDxn,可得:5.7-15.7-2代入式5.6,可得5.8因此可求得耗盡區(qū)寬度L:5.9

上式說明了耗盡區(qū)寬度和摻雜濃度以及勢壘高度之間的關(guān)系,可以看出,耗盡區(qū)寬度隨勢壘高度增加而增大,隨摻雜濃度增加而減小。下面主要考慮單邊突變結(jié)的情況,即一邊摻雜濃度遠(yuǎn)高于另一邊。對于p+n結(jié),NA>>ND,xp<<xn,可以認(rèn)為L≈xn,可得5.105.11對于pn+結(jié),NA<<ND,xp>>xn,可以認(rèn)為L≈xp,可得

5.125.13下面我們討論外加電場存在的情況下的情況,當(dāng)pn結(jié)外加電壓V時,由于電壓只能存在于耗盡區(qū),則耗盡區(qū)總電壓為Vi-V??傻?.14由電中性條件NAxp=NDxn可知耗盡區(qū)電荷Q為5.15將5.14代入上式得5.16下面我們求等效電容的表達(dá)式,根據(jù)微分電容的定義將上式對電勢求微分得5.17上式為pn結(jié)單位面積上的等效電容表達(dá)式.根據(jù)式5.14還可以得到電容與勢壘寬度的關(guān)系式5.18如果pn結(jié)的平面面積為A,則整個pn結(jié)的電容可表示為5.19這就是一個等效的平板電容的公式,pn結(jié)勢壘區(qū)可以看作是兩平行極板組成的一個電容器,勢壘區(qū)寬度就是平板間距。根據(jù)5.14式勢壘寬度L隨外加反向偏壓增加而增寬,因此等效電容隨外加反向偏壓增加而減小。

考慮單邊突變結(jié)的情況可得:5.20NL為輕摻一邊的摻雜濃度,從5.20可以看出,電容與輕摻一邊的摻雜濃度平方根成正比,和勢壘電壓加反向偏壓的和的平方根成反比。由此,我們得到了勢壘電容與外加偏壓以及摻雜濃度之間的關(guān)系,利用此公式我們就可以測量pn結(jié)的摻雜濃度。由于pn結(jié)的兩邊的摻雜情況不同,所以勢壘電容和這兩邊的摻雜濃度都有依賴關(guān)系,為了測量的方便,一般我們都將待測樣品做成單邊結(jié)以測量其中一邊的摻雜濃度及其分布。在單邊結(jié)中考慮到摻雜可能不是均勻的,而是有一定的梯度分布,這時N不是常數(shù),而是位置的函數(shù)N(x),將5.20式微分求解可得5.21

5.21式就是C-V測試法的原理公式,在此公式中隱含著一個近似條件,那就是耗盡層近似,在勢壘區(qū)中不存在載流子,而在勢壘區(qū)外是電中性的(整個半導(dǎo)體材料應(yīng)該保持電中性)。在實(shí)際情況中勢壘區(qū)與電中性區(qū)之間有一層過渡層,對測量會造成影響。

肖特基結(jié)的結(jié)電容特性和C-V關(guān)系在金屬中,電子可以自由流動,但只有費(fèi)米能級附近的少數(shù)電子可以在熱激發(fā)的作用下躍遷到更高的能級,而不能逸出金屬。這說明金屬的費(fèi)米能級低于體外真空能級,而金屬的功函數(shù)就表示了真空能級和費(fèi)米能級之間的差,用W表示為W=E0-Ef

如果金屬和半導(dǎo)體(n型)相連且半導(dǎo)體費(fèi)米能級高于金屬費(fèi)米能級,則半導(dǎo)體中電子將流入金屬,使金屬表面帶負(fù)電,半導(dǎo)體表面帶正電,達(dá)到平衡態(tài)時二者費(fèi)米能級相等。這時金屬和半導(dǎo)體之間的電勢差為

V=(Ws-Wm)/q5.22上式被稱為肖特基-莫特規(guī)則。由于金屬內(nèi)部不能存在電場,此電勢差一般落在金屬和半導(dǎo)體的界面間以及半導(dǎo)體內(nèi)部的空間電荷區(qū),如果界面很窄,電子可以遂穿,則此電勢差只存在于半導(dǎo)體的空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)載流子濃度很小,只存在固定的離子電荷,電阻很大,類似于pn結(jié)中的耗盡區(qū),稱為阻擋層。對于p型半導(dǎo)體,則要求Ws>Wm,此時形成的電勢差形成了空穴阻擋層。金屬半導(dǎo)體接觸的平衡能帶圖

由金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘被稱為肖特基勢壘。肖特基勢壘與pn結(jié)一樣存在整流特性,但與pn結(jié)不同的是測量時需要考慮表面態(tài)的影響。按照5.22式肖特基結(jié)的勢壘高度應(yīng)該和半導(dǎo)體以及金屬的功函數(shù)都有關(guān),但實(shí)際情況卻不然,很多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對于固定的半導(dǎo)體,肖特基勢壘的大小與金屬種類無關(guān)或者影響很小。對此Bardeen認(rèn)為半導(dǎo)體的表面態(tài)起到了釘扎表面能級的作用,在此不做具體理論分析理想肖特基勢壘的C-V關(guān)系,以n型半導(dǎo)體為例,由于勢壘區(qū)中存在電場,當(dāng)勢壘較大時,可以認(rèn)為勢壘區(qū)內(nèi)沒有載流子,近似看作耗盡區(qū)。類似于上面的pn結(jié)情形,我們在耗盡區(qū)內(nèi)解泊松方程。5.23此時的邊界條件和pn結(jié)不同,在金屬半導(dǎo)體界面處電勢等于勢壘高度5.24在勢壘區(qū)與半導(dǎo)體體內(nèi)交界處電場為05.25這樣我們可以得到5.26這其實(shí)就是5.5-1式,根據(jù)邊界條件解得其中:Vbi=ΦB-(Ec-EF)=ΦB-KT/q·Ln(NC/ND)

MIS的結(jié)電容特性和C-V關(guān)系

MIS(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)是半導(dǎo)體器件中重要的一類,它利用了半導(dǎo)體的表面效應(yīng),使得晶體管在硅表面得以實(shí)現(xiàn),從而廣泛地應(yīng)用于大規(guī)模集成電路中。最典型的MIS結(jié)構(gòu)元器件是MOS結(jié)構(gòu),即在硅片上生長一層SiO2層,再生長一層金屬層,硅片下面做成歐姆接觸。這樣就形成了一個MOS元件。下面我們以MOS結(jié)構(gòu)為例討論MIS結(jié)構(gòu)的C-V關(guān)系,為簡單起見,我們對MOS結(jié)構(gòu)做以下近似:在絕緣層(SiO2層)內(nèi)不存在電荷,金屬和絕緣層界面以及絕緣層和半導(dǎo)體界面不存在界面態(tài);金屬電極和半導(dǎo)體硅之間不存在功函數(shù)的差異,這樣消除了肖特基勢壘的作用。下圖為典型MOS結(jié)構(gòu)的示意圖,這里我們以p型半導(dǎo)體硅為例進(jìn)行討論,上電極上加偏壓V,此時整個MOS結(jié)構(gòu)其實(shí)相當(dāng)于一個電容器,在半導(dǎo)體硅的兩端有電勢差,在SiO2層靠近硅的一側(cè)有感生電荷存在,這時半導(dǎo)體靠近絕緣層的一側(cè)會感生等量電荷,叫做空間電荷層。在空間電荷層中存在電場,具有一定的寬度,引起能帶的彎曲,形成勢壘。

典型MOS結(jié)構(gòu)的示意圖

分析空間電荷層的電場分布與電容的關(guān)系,在此區(qū)域內(nèi)解泊松方程,此時由于外加偏壓的不同,此區(qū)域內(nèi)可能存在載流子,因此不能用耗盡區(qū)來表示它5.27根據(jù)半導(dǎo)體能帶理論,在平衡態(tài)下x點(diǎn)的空穴濃度p(x)和電子濃度n(x)可分別表示為:

5.285.29整個半導(dǎo)體應(yīng)該是電中性的,因此有5.30由此我們得到5.31解此微分方程可得到電場強(qiáng)度E的表達(dá)式(V>0取“+”;V<0取“-”)5.32其中定義為德拜長度,它表示外加電場存在時感生的空間電荷層的厚度的量級,載流子濃度越大,LD越小,則需要的空間電荷層越薄由5.32式可以得到絕緣層和半導(dǎo)體界面的電場強(qiáng)度和電荷密度,設(shè)界面處的表面電勢為VS,則5.335.345.34式表示金屬層上加正電壓時,電場方向?yàn)檎?,則半導(dǎo)體表面感應(yīng)負(fù)電荷,而表面勢的變化會引起表面電荷的變化,這就是一個等效電容,我們可以求得微分電容的表達(dá)式C5.35

上式就是我們需要的測量MOS結(jié)構(gòu)C-V關(guān)系的原理公式。下面我們根據(jù)外加電壓的不同來分析表面空間電荷的不同狀態(tài)。分析仍以p型半導(dǎo)體為例1)多數(shù)載流子堆積狀態(tài)當(dāng)加在金屬層上的電壓為負(fù)時(V<0),則VS<0,因此能帶向上彎曲,半導(dǎo)體表面感生正電荷,即更多的空穴,處于多數(shù)載流子空穴的堆積狀態(tài),此時VS<0且n0/p0很小(p型半導(dǎo)體空穴是多數(shù)載流子,因此表面電場、電荷密度以及電容可簡寫為5.365.375.382)平坦能帶狀態(tài)當(dāng)加在金屬層上的電壓為負(fù)時(V=0),則VS=0,能帶平直,稱為平坦能帶狀態(tài),此時表面電場、電荷密度都為零,此時電容可采用將5.35式中EXP項用級數(shù)展開的方法簡化,令VS→0可得5.393)空穴耗盡狀態(tài)當(dāng)加在金屬層上的電壓剛轉(zhuǎn)為正時(V>0),VS<0,但值不是很大,滿足VS<EF/q,此時能帶向下彎曲,半導(dǎo)體表面感生負(fù)電荷,即空穴耗盡,電離受主過剩,所以稱為空穴耗盡狀態(tài)。此時EXP指數(shù)項很小可以忽略,則表面電場、電荷密度以及電容可簡寫為5.405.415.424)表面本征狀態(tài)當(dāng)加在金屬層上的電壓繼續(xù)增大時,達(dá)到VS=EF/q,此時能帶更加向下彎曲,此時表面禁帶的中間位置與費(fèi)米能級重合,此時的表面電場、電荷密度以及電容可用空穴耗盡狀態(tài)表示,不過式中的VS可以表示為

5)強(qiáng)反型狀態(tài)當(dāng)加在金屬層上的電壓進(jìn)一步增大時,VS>EF/q,半導(dǎo)體表

面電子濃度大于空穴濃度,形成反型層,當(dāng)時,形成所謂強(qiáng)反型態(tài),此時EXP指數(shù)項可以忽略,得到5.435.445.45其中ns為半導(dǎo)體表面處的電子濃度,由于在強(qiáng)反型態(tài)下表面電子濃度很大,對電子的屏蔽作用很強(qiáng),此時耗盡層寬度達(dá)到一個最大值后不再增加。6)深耗盡狀態(tài)當(dāng)加在金屬層上的電壓再增大時,如果是穩(wěn)定的電壓,則會形成強(qiáng)反型層,但如果此時電壓是以較短周期型的波形加在金屬層上時(高頻信號),少數(shù)載流子來不及產(chǎn)生,此時將會形成耗盡層并且耗盡寬度隨電壓增大而增加,這就叫深耗盡狀態(tài)。

上面分析了MOS結(jié)構(gòu)中的6種外加電壓和表面電荷的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,我們可以通過測量C-V關(guān)系曲線來得到MOS結(jié)構(gòu)的介面性質(zhì)。考慮理想的MIS結(jié)構(gòu),外加電壓一部分降在絕緣體內(nèi)部,一部分降在半導(dǎo)體表面,這相當(dāng)于絕緣層電容和半導(dǎo)體表面電荷層電容的串聯(lián)

5.465.47定義歸一化電容Cn為下式,討論不同情況的測試下MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性。一般測試C-V曲線時所使用的外加電壓由直流偏壓和交流信號疊加而成。圖11顯示了3種不同掃描電壓形式下的歸一化電容Cn與外加電壓的關(guān)系:1)直流偏壓慢慢增加,交流信號為低頻率(10~100HZ),這稱為低頻特性;2)直流偏壓慢慢增加,交流信號為高頻(104~106HZ),這稱為高頻特性;3)直流偏壓增加很快,這是對應(yīng)著深耗盡的不平衡狀態(tài)。

當(dāng)外加直流偏壓Vex為負(fù)時,半導(dǎo)體界面形成多數(shù)載流子堆積狀態(tài),此時5.48當(dāng)Vex絕對值很大時,上式≈1。隨著VS絕對值減小,,上式逐漸減小。當(dāng)Vex下降到0時,對應(yīng)平坦能帶狀態(tài).5.49可見,歸一化電容與半導(dǎo)體德拜長度有關(guān),也就是和半導(dǎo)體的摻雜程度有關(guān)。因?yàn)樯厦嫖覀冎罁诫s越高,載流子濃度越大,LD越小,而對應(yīng)的歸一化電容越大。當(dāng)Vex由0轉(zhuǎn)為正值時,VS>0,但值不是很大,滿足空穴耗盡狀態(tài),此時5.50可見VS越大,歸一化電容越小。當(dāng)加在金屬層上的電壓繼續(xù)增大時,達(dá)到VS=EF/q,此時達(dá)到表面本征狀態(tài),仍可用上式描述歸一化電容和電壓的關(guān)系。當(dāng)加在金屬層上的電壓進(jìn)一步緩慢增加時VS>EF/q,,達(dá)到強(qiáng)反型狀態(tài),空間電荷層厚度達(dá)到一個最大值后不再繼續(xù)增加,此時可以得到,5.51從式5.51可以看出,隨著VS進(jìn)一步增加,歸一化電容又由一個極小值逐漸變大,最后趨于1。此時要求交流信號為低頻信號,如果采用高頻信號的話,則成為深耗盡狀態(tài),少數(shù)載流子(電子)來不及產(chǎn)生,則電容主要由電離施主貢獻(xiàn),因此表現(xiàn)為歸一化電容達(dá)到一個最小值后不再減小。上面介紹的是MOS結(jié)構(gòu)C-V特性測試的基本理論,在理論推導(dǎo)過程中我們進(jìn)行了一些假設(shè),消除了一些外在因素的影響,而在實(shí)際測試過程中,我們必須考慮這些因素,具體的影響因素主要有以下幾個方面:1)半導(dǎo)體層與金屬層之間功函數(shù)存在差別如果金屬功函數(shù)WM小于半導(dǎo)體功函數(shù)WS,則組成MOS結(jié)構(gòu)時會有電子通過絕緣層注入半導(dǎo)體表面,使表面能帶向下彎曲,若要平衡此影響需在金屬層上加一個負(fù)偏壓V=(WS-WM)/q,因此C-V曲線將向負(fù)方向移動V=(WS-WM)/q的距離,反之如果WS<WM,則C-V曲線將向正方向移動V=(WS-WM的)/q的距離。2)半導(dǎo)體與氧化層之間存在界面態(tài)

界面態(tài)是半導(dǎo)體硅與氧化層之間由于晶體周期性的破壞而導(dǎo)致的局域能態(tài),一般處于禁帶之中,一般又分為快態(tài)和慢態(tài),具體理論可參考半導(dǎo)體物理方面的文獻(xiàn)。簡單來說快態(tài)很容易充放電,相當(dāng)于一個電容效應(yīng),可稱做Cquick,由于此電容存在于半導(dǎo)體表面,與空間電荷層形成的等效電容共同承受表面電壓降,因此它們是并聯(lián)關(guān)系,而另外一種界面態(tài)慢態(tài)主要是指載流子填充或釋放需要較長時間,這樣測量C-V曲線時會形成遲滯回線.3)氧化層中存在金屬離子氧化層中經(jīng)常會存在一些金屬離子,如鈉、鉀等。特別是納離子,在二氧化硅層中擴(kuò)散系數(shù)很大,在外電場作用下容易移動,從而引起二氧化硅層中電荷分布變化。這將會對C-V曲線造成影響。

4)氧化層中存在固定電荷固定電荷是指在硅-二氧化硅界面存在的,不隨外電場變化而變化的正電荷,定義為Qfc。由于固定電荷的存在,引起半導(dǎo)體表面能帶向下彎曲

5)氧化層中存在載流子陷阱電荷。由于輻照(X射線,電子射線等)作用在二氧化硅層上時,產(chǎn)生了電子空穴對,電子在外電場作用下向電極移動,而空穴則很難移動,可能被陷阱捕獲,表現(xiàn)為正電荷,這些電荷可用高溫退火方法消除。

以上我們討論了實(shí)際情況中的MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線,下面我們通過實(shí)際的測試實(shí)例來說明如何利用C-V特性曲線測量MOS結(jié)構(gòu)的性質(zhì),如摻雜濃度、少子壽命、MOS結(jié)構(gòu)氧化層中金屬離子濃度、界面態(tài)密度等三.應(yīng)用3.1)測量半導(dǎo)體導(dǎo)電類型

根據(jù)前面介紹的理論,測量半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型,可以利用半導(dǎo)體的高頻C-V特性曲線來判定。如圖所示,n型半導(dǎo)體材料加負(fù)刪壓時,此時狀態(tài)處于耗盡狀態(tài),當(dāng)加高頻信號時,電子-空穴的產(chǎn)生和復(fù)合跟不上電壓信號的變化,所以電容很?。划?dāng)偏壓為正時,電子在表面層堆積,處于積累區(qū),此時C≈C0.p型情況和n型剛好相反。p型和n型半導(dǎo)體的特征高頻C-V曲線3.2)測量摻雜濃度

如果要進(jìn)一步測量MOS結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體層摻雜的濃度,此時有幾種方法。首先我們可以從歸一化電容式著手,其中絕緣層電容CI可以根據(jù)電容公式求得,而耗盡層電容CS則可由半導(dǎo)體介電常數(shù)εS

除耗盡層寬度求得。則求解的關(guān)鍵在于如何得到耗盡層寬度DS。方法之一就是利用強(qiáng)反型狀態(tài),此時5.55因此耗盡層寬度為5.56由此我們得到了耗盡層寬度和摻雜濃度NA之間的關(guān)系。通過測量歸一化電容在強(qiáng)反型條件下的最小值,便可對應(yīng)求得上式中摻雜濃度。

通常情況下,我們不需要進(jìn)行復(fù)雜的計算,前人在不斷的研究中已經(jīng)作出了一些標(biāo)準(zhǔn)曲線,我們只需測試一些簡單參數(shù),然后通過在標(biāo)準(zhǔn)曲線中查找得出摻雜濃度。在強(qiáng)反型狀態(tài)下:從上式可以看到,在溫度一定的情況下,Cmin/Cox是摻雜濃度和絕緣層厚度的函數(shù)。因此如果我們知道絕緣層厚度,然后在強(qiáng)反型狀態(tài)下測得Cmin/Cox,然后通過對照標(biāo)準(zhǔn)曲線就可以得到摻雜濃度。標(biāo)準(zhǔn)圖如圖所示

強(qiáng)反型狀態(tài)下Cmin/Cox與摻雜濃度以及絕緣層(SiO2)厚度關(guān)系在低頻狀態(tài)下:同樣,在低頻狀態(tài)下,C-V特性曲線也會出現(xiàn)一個最低點(diǎn),此時同樣存在一個歸一化極小電容Cmin/Cox。我們也可以在已知絕緣層厚度的情況下測得歸一化極小電容,然后通過對比標(biāo)準(zhǔn)曲線來得到摻雜濃度。低頻下的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖所示低頻狀態(tài)下Cmin/Cox與摻雜濃度以及絕緣層(SiO2)厚度關(guān)系需要說明的是,以上標(biāo)準(zhǔn)曲線只適用于300K情況下由硅襯底材料構(gòu)成的MOS結(jié)構(gòu)。3.3)測量肖特基勢壘高度

當(dāng)金屬和半導(dǎo)體形成肖特基接觸時,界面附近形成肖特基勢壘,如圖所示。根據(jù)電容原始公式C=dQ/dV,可以得到其中,±在p型取正n型取負(fù),又有內(nèi)建電場與勢壘高度的關(guān)系ΦB=Vbi+V0其中V0=(kT/q)ln(NC/ND),NC是導(dǎo)帶中的有效態(tài)密度。通過測試得到(A/C)2相對于電壓V直線,如圖所示。我們可以得到斜率是2/[qKsε(NA-ND)],同時可以得到此直線在電壓軸上的截距:Vi=-Vbi+kT/q,進(jìn)而我們得到勢壘高度:ΦB=-Vi+V0+kT/q通過直線的斜率,我們可以得到摻雜濃度NA(ND),然后代入以上公式即可得到勢壘高度ΦB。

肖特基勢壘示意圖(1/C)2相對于電壓V的直線關(guān)系3.4)測量pn結(jié)串聯(lián)電阻

根據(jù)pn結(jié)串聯(lián)電阻對電容的影響關(guān)系,我們可以得到:

其中G是電導(dǎo)率,f是測試電壓的頻率,Cm是測試得到的電容,C是真實(shí)電容值。一般情況

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論