C_V法测量pn结杂质浓度分布的基本原理及应用
ECV测试原理及相关分析解读
第二部分
ECV测试原理
ECV测试原理
• 半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理来实现的。固体物质 在液体中消溶有两种方法：一种是湿法腐蚀，即在不加外电场的情况下，利 用固体和液体之间的化学反应，使固体逐渐腐蚀；另一种是电化学腐蚀，即 将固体置于电解液中，外加直流电压，电压正极接需要被腐蚀的固体物质， 电压负极接一不被溶解且导电性良好的电极，通电后，阳极物质在电场和电 解液的作用下逐渐被氧化、腐蚀。
ECV测试原理及相关分析
工艺部 王永伟
内 容 简 介
ECV背景介绍
ECV测试原理
ECV测试常见问题及分析
ECV测试曲线的理解
第一部分
ECV背景介绍
ECV背景介绍
• 对于半导体器件的设计和制造而言，器件中载流子浓度、掺杂厚度 以及杂质分布都是必须严格控制的参数，就要求对载流子的浓度及 分布有更精确可靠的测量。目前，业界已有几种表征杂质浓度分布 的方法，如扩展电阻法、电容-电压法(C-V )、二次离子质谱 (SIMS)、微分霍耳法、电化学电容-电压法(ECV) 等。这些技术各有 其自身的优缺点。传统的C-V法尽管实验方法简单，有较好的分辨率 及精确性，但它受限于反偏电压下的击穿，不易表征高掺杂样品和 具有一定深度分布的样品以及pn结；扩展电阻法可以测量pn结且不 受深度的限制，但其要求精细的样品准备、探针选择以及数据提取 与校正，杂质浓度分布的表征依赖于校正因子和迁移率的选择，且 由于磨角度数和探针半径的限制，用它表征几十纳米结深的超浅结 非常困难；微分霍耳法通过反复测试剥层前后薄层电阻和面霍耳系 数的变化可以同时测量出载
ECV背景介绍
• 流子浓度及迁移率的深度分布，也可以测量pn结，但精确控制超 薄层的剥离和精确测量霍耳效应在技术上是巨大的挑战，尤其对 于几十纳米结深的超浅结；SMIS法有较好的分辨率及精确度，也 可以表征pn结，但它需要复杂昂贵的设备，同时所测出的杂质浓 度是原子浓度而不是电激活杂质浓度；ECV方法利用合适的电解液 既可作为肖特基接触的电极测量C-V 特性，又可进行电化学腐蚀 ，因此可以层层剥离测量电激活杂质的浓度分布，剖面深度不受 反向击穿的限制，并可测量pn结，目前它在Ⅲ-V族化合物半导体 中已有较多的应用，但ECV法对硅尤其是几十纳米结深和 1020 / cm3 以上掺杂浓度的超浅结的表征研究较少。
近代物理实验教案09半导体物理实验
9-1 硅的霍耳系数及电阻率的测量（教案）实验的目的要求：1．通过在不同温度条件下对高阻P型Si的霍尔系数和电阻率的测量，了解半导体内存在本征导电和杂质导电、晶格散射和杂质散射等物理过程。
2．通过实验测量，由霍尔系数的符号确定载流子的类型，并且确定禁带宽度Eg、净杂质N、载流子浓度p和n及迁移率μ等基本参数。
浓度A教学内容：1．让学生熟悉永磁魔环的磁场分布，学会正确地变换永磁魔环的磁场方向。
2．了解霍尔样品的制备和安装、样品架及其在杜瓦瓶和永磁魔环中的安装要求：（1）样品应处于永磁魔环中央；（2）确保磁场方向分别与样品表面平行和垂直。
3．熟悉霍耳效应测试设备，掌握正确测定P型Si霍尔系数和电阻率的方法。
4．测量室温到165 ℃温度范围内样品的电阻率和霍尔系数。
5．总结分析得到的结果，看存在那些规律，并对此作出解释。
实验过程中可能涉及的问题：（有的可用于检查予习的情况，有的可放在实验室说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，不同的学生可有不同的要求）1．学习了解P型硅电阻率和霍尔系数随温度的变化关系，以及产生这种变化的原因。
N、载流子2．学习掌握通过霍尔系数和电阻率测量来确定材料的迁移率μ、净杂质浓度A 浓度p和n以及禁带宽度Eg等基本参数。
3．在BWH−1型霍尔效应测试仪上待测电压VⅠ、VⅡ和VⅢ的含义是什么？实验测得电势差VⅢ（0，+I）和VⅢ（0，− I）是如何形成的？如何利用测得的VⅠ和−VⅠ、VⅡ和−VⅡ、VⅢ（0，+I）和VⅢ（+H，+I）、VⅢ（0，− I）和VⅢ（−H，− I）计算电阻率和霍尔系数？4．在本实验中那些因素影响霍尔系数的正确测量？怎样克服这些因素的影响？5．利用永磁魔环代替传统电磁体进行霍尔系数测量的优点是什么？在测量方法上有什么不同？6．在实验测量过程中，霍尔效应测试仪上样品温度为什么与温度控制仪显示的温度不一致？如何调节加热电压使样品温度尽快达到平衡？7．在变温测量过程中随着样品温度逐渐升高，霍尔电压的极性发生变化，试问产生这种极性变化的原因是什么？8．根据实验测量结果，逐一计算不同温度条件下的电阻率ρ和霍尔系数H R 。
实验六电容-电压法测量pn结的平均杂质浓度和杂质分布
实验六电容-电压法测量p+n结的平均杂质浓度和杂质分布一、实验目的1. 掌握电容-电压特性测试仪的使用2. 通过测量p+n二极管电容与反向电压的关系，测量硅p+/n外延层的杂质浓度随深度的分布。
二、实验原理对于一个 P+N的单边突变结。
P区一边空间电荷区很窄，是因为掺杂浓度很高。
空间电荷的宽度几乎全在n型半导体一边，其中正的空间电荷由电离施主构成，此空间电荷区称为耗尽层，如图1所示。
耗尽层的宽度取决于半导体的杂质浓度。
平衡时耗尽层的宽度为：（1）当外加偏压时，耗尽层的宽度随外加电压的变化二变化：（2）（3）耗尽层的厚度随外加电压的变化直接反映着耗尽层具有一定的电容，这个电容叫做二极管的势垒电容。
耗尽层的两个界面可以看作平行板电容器的两个面板，其电容值可由下述关系表示：（4）势垒电容与低浓度一边的掺杂浓度成正比；与（Vbi-V）1/2成反比。
通常用pn结二极管和其他器件的C-V数据来确定器件的参数，特别是结轻掺杂一侧的平均杂质浓度和杂质分布。
C-V测量在器件表征和测试中已经成为常规的手段。
现在分析C-V数据，假设测试器件是一个非对称掺杂的突变结。
对于假定的结分布，将（2）代入（4）式两边求倒数（5）（5）式表明1/CJ2与VA的关系应该是一条直线，斜率的倒数正比于NB，而且外推到1/CJ2=0处的截距等于Vbi。
因此假设二极管的面积A是已知的，利用该图的斜率可以很容易地推导出NB。
显然1/CJ2与VA的直线图也验证了可以用突变结来模拟该二极管。
显然，可以将前面的图形方法扩展到线性缓变和其他杂质分布上，但人们却很少这么做。
正如该方法所显示出的，事先无需知道杂质分布的性质，就可以利用C-V数据直接推导出结轻掺杂一侧的杂质浓度随位置的变化关系。
省略推导细节，只需要记住杂质浓度随位置的变化关系为（6）（7）其中x是结轻掺杂一侧离开冶金结的距离。
注意，可将（5）式突变结关系式代入（6）式，得到的结果将与位置无关，这与预期的结果相一致。
ECV测试原理及相关分析
第二部分
ECV测试原理
ECV测试原理
• 半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理来实现的。固体物质 在液体中消溶有两种方法：一种是湿法腐蚀，即在不加外电场的情况下，利 用固体和液体之间的化学反应，使固体逐渐腐蚀；另一种是电化学腐蚀，即 将固体置于电解液中，外加直流电压，电压正极接需要被腐蚀的固体物质， 电压负极接一不被溶解且导电性良好的电极，通电后，阳极物质在电场和电 解液的作用下逐渐被氧化、腐蚀。
21 3 22 3 峰值在 10 / cm ~ 10 / cm 之间
22 3 峰值大于 10 / cm
ECV测试常见问题及分析
• 4.测试过程中可能会出现Contact Resistance显示红色现象 （对N-type正常显示为绿色）
当测试材料的接触电阻小于2000 Ohms时，Contact Resistance则正常 显示为绿色，且两绿色线条显示值越小越接近越好。就目前产线的方块 控制，绿色线条显示值小于100 Ohms 较好，如果显示值或二值差异过 大，可能会使测试结果不准确，此时需要数次点击Blast和Re-Measure 直至数值减小并使二者接近； 当测试材料接触电阻大于2000 Ohms时，Contact Resistance则异常显 示为红色。原因是由于测试材料欧姆接触过大，实际测试中出现这种情 况一般是由于PN面反置所致，只要取出并正确放置PN面重新测试即可。
x x j , N ( x) Na x x j , N ( x) Nd
突变结一般通过合金法制造，需要有较大的温度梯度 才能实现。
图a 突变结的杂质分布
ECV测试曲线的理解
ECV测试原理
载流子的电荷密度为：
r 是半导体材料的介电常数，e 是电子电量， 式中， 0 是真空介电常数， A 是电解液/半导体接触的面积 ，dC / dV 是C-V 曲线在耗尽层边缘的斜率。
pn结杂质浓度分布的测量
pn结杂质浓度分布的测量摘要：将锁相放大器用于电容—电压法测量P+N结杂质浓度，利用PN结的电容C T与反向偏压V R之间的关系表达式通过作图法和相关计算得出某一PN结的接触电势差V D以及浅杂质端的杂质浓度N D，研究了具有不同正电阻的PN结在零偏压下位相角的变化，表明了在正向电阻较小的情况下，位相角变化就越大，而随着正向电阻的增大，位相角变化就变得不那么明显。
另外，本文还探索了标准电容和PN结电容与位相角之间的关系，得出了对于标准电容，其位相角大小几乎不随电容值的变化而变化，而对于不同偏压下PN 的电容，在零偏压下，PN结电容最大，势垒宽度最小，电阻也最小，这时候位相角变化最快；而随着偏压的增大，PN结电容减小，势垒宽度增大，电阻也相应地增大，这时候位相角变化就不那么明显了。
关键词：锁相放大器；PN结；反向偏压；位相角；电容值1.引言在半导体器件的设计和制造过程中，如何控制半导体内部的杂质浓度分布，从而达到对器件电学性能的要求，是半导体技术中的一个重要问题，因此对杂质浓度分布的测量，也就成为半导体材料和器件的基本测量之一。
而电容—电压法由于具有独特的优点，比如简单快速，又不破坏样品，使得其成为测量P—N 结杂质浓度分布中较常用的方法之一，但是应该指出，这种方法仅能反映P—N结轻掺杂一边的杂质分布。
另外一方面，锁相放大器（Lock-In Amplifier，简写为LIA）是检测淹没在噪声中微弱信号的仪器。
它可用于测量交流信号的幅度和位相，有极强的抑制干扰和噪声的能力，极高的灵敏度，可检测毫微伏量级的微弱信号。
自1962年第一台锁相放大器商品问世以来，锁相放大器有了迅速发展，性能指标有了很大提高，现已被广泛应用于科学技术的很多领域。
将锁相放大器用于电容—电压法测量PN结杂质浓度分布中是其应用的一个很好实例，可以比较好地提高精度，而且也简单可行。
P-N结是由P型和N型半导体“接触”形成的，交界之处的杂质浓度可以是突变的或是缓慢的，在结的界面处形成势垒区，也称空间电荷区。
电化学C-V法测量AlGaAs材料载流子浓度分布
97AlGaAs材料是红黄光LED、GaAs太阳能电池、VCSEL器件中很常用的晶体材料。
AlGaAs的载流子浓度对于器件性能极其重要，因此我们必须寻找到一种有效的手段来测量载流子的浓度及其深度分布。
行业内有一些测量掺杂浓度的手段，例如Hall系统测量、二次离子质谱法、电化学C-V测量方法等。
霍尔系统测量能够得到半导体薄膜整体的掺杂浓度，但不能测试载流子的纵向分析结果。
二次离子质谱法 (SIMS)测试可以得到各种元素的纵向浓度分布，但是其价格昂贵，不适合用于日常监控。
电化学C-V测量使用边腐蚀边测量的方式，能够得到载流子相对厚度的关系曲线。
一、电化学C-V测量原理及方法电化学C-V测量的原理是利用电解液和半导体材料相接触，进而产生肖特基势垒，对p型半导体施加正向偏压，n型半导体施加反向偏压及光照。
然后利用阳极氧化反应原理，按照一定的腐蚀速率对样品层进行蚀刻，通过电化学C-V分布仪的自控模块装置对样品循环进行腐蚀-测量的过程，就能够获得反映载流子浓度与生长厚度间的关系曲线。
反偏压形成在耗尽层时，在耗尽层尺寸附近中的载流子浓度和电容之间存在一定的关系。
可以通过以下公式计算载流子浓度：(1)由于载流子浓度是在耗尽层的边缘测量的，因此载流子浓度相对的厚度是等于腐蚀厚度加上耗尽层深度。
(2)由于腐蚀的过程是依赖于电荷的流动，因此在理想情况下，腐蚀速率与工作电极和反向电极之间的电流是成比例关系的。
可以根据法拉第定律可得出腐蚀深度Wr：(3)根据平板电容公式，可以得到耗尽层的深度：(4)半导体材料的溶解必须依靠空穴的存在。
对于p型半导体材料来说，空穴是多子，很容易实现溶解。
但是对于n型材电化学C-V法测量AlGaAs材料载流子浓度分布颜 慧 扬州乾照光电有限公司 【摘 要】电化学C-V测量是半导体行业常用的一种测试方法，通过循环腐蚀-测量的过程能够得到载流子的纵向分布曲线。
使用电化学C-V测量对AlGaAs材料掺杂浓度进行测试，在测试过程中对耗散因子、测试频率和腐蚀电流进行优化选择，能够准确地对AlGaAs材料的掺杂浓度进行纵向剖析，通过测量曲线的分析来指导外延层浓度的设计和优化，进一步提高器件性能。
实验六电容-电压法测量pn结的平均杂质浓度和杂质分布解析
实验六电容-电压法测量p+n结的平均杂质浓度和杂质分布一、实验目的1. 掌握电容-电压特性测试仪的使用2. 通过测量p+n二极管电容与反向电压的关系，测量硅p+/n外延层的杂质浓度随深度的分布。
二、实验原理对于一个 P+N的单边突变结。
P区一边空间电荷区很窄，是因为掺杂浓度很高。
空间电荷的宽度几乎全在n型半导体一边，其中正的空间电荷由电离施主构成，此空间电荷区称为耗尽层，如图1所示。
耗尽层的宽度取决于半导体的杂质浓度。
平衡时耗尽层的宽度为：（1）当外加偏压时，耗尽层的宽度随外加电压的变化二变化：（2）（3）耗尽层的厚度随外加电压的变化直接反映着耗尽层具有一定的电容，这个电容叫做二极管的势垒电容。
耗尽层的两个界面可以看作平行板电容器的两个面板，其电容值可由下述关系表示：（4）势垒电容与低浓度一边的掺杂浓度成正比；与（Vbi-V）1/2成反比。
通常用pn结二极管和其他器件的C-V数据来确定器件的参数，特别是结轻掺杂一侧的平均杂质浓度和杂质分布。
C-V测量在器件表征和测试中已经成为常规的手段。
现在分析C-V数据，假设测试器件是一个非对称掺杂的突变结。
对于假定的结分布，将（2）代入（4）式两边求倒数（5）（5）式表明1/CJ2与VA的关系应该是一条直线，斜率的倒数正比于NB，而且外推到1/CJ2=0处的截距等于Vbi。
因此假设二极管的面积A是已知的，利用该图的斜率可以很容易地推导出NB。
显然1/CJ2与VA的直线图也验证了可以用突变结来模拟该二极管。
显然，可以将前面的图形方法扩展到线性缓变和其他杂质分布上，但人们却很少这么做。
正如该方法所显示出的，事先无需知道杂质分布的性质，就可以利用C-V数据直接推导出结轻掺杂一侧的杂质浓度随位置的变化关系。
省略推导细节，只需要记住杂质浓度随位置的变化关系为（6）（7）其中x是结轻掺杂一侧离开冶金结的距离。
注意，可将（5）式突变结关系式代入（6）式，得到的结果将与位置无关，这与预期的结果相一致。
实验4 C-V法测量外延层杂质浓度
Xidia of Microelectronics
实验原理
实验测试方框图和测试原理图
Xidian University School of Microelectronics
实验原理
当高频小信号电压加到被测样品(被测势垒电容C)和接收机输入阻抗R上 时， 高频信号电压就被 C和R以串联形式分压，如果在样品两端再加上反向直流 偏压， 改变偏压时，势垒电容随反向偏压的增大而减小，其容抗随反向偏压增 大而增大，那么R两端的高频电压就随反向偏压的增大而减小。如果将R两端变 化的信号电压进行高放后经混频、中放、检测后送入函数记录仪的Y轴上， 该直 流偏压的变化就反映了样品的势垒电容的变化。另一方面，将加在样品两端的直 流偏压经分压并加在函数记录仪的X轴上，那么，在函数记录仪上直接可描绘出 样品的电容-电压特性曲线。 本实验内容是以汞和N型硅接触，构成肖特基势垒管并用C-V测试仪描绘其 电容-电压曲线。
实验参考资料
☆孙恒慧、包宗明:《半导体物理实验》高等教育出版社。 ☆上海科大半导体室译:《半导体测量和仪器》上海科学技术出版社。 ☆电子科大半导体室编:《半导体专业实验讲义》,1986.9。 ☆王家骅、李长键:《半导体器件物理》科学出版社，1983。
Xidian University
School of Microelectronics
Xidian University School of Microelectronics
实验数据处理和分析
☆公式中各常数为：q =1.6x10-19库仑、硅εs=12、A =πd2/4、d =1mm ，ε0= 8.854x10-14法拉/厘米、△C、△V分别为Pf和V0，则计算耗尽层宽度公 式为： X = 83.41*d2/C 计算距表面距离为X处的杂质浓度N(X)的公式为： N(x) = 9.5 X 101o·c3/d4 ·∆v/∆c ☆由C-V曲线作图，求出某一电容C时的∆v/∆c比值，并列表，取点不少 于15个。 ☆用对数座标纸画出N(x)～X的分布曲线。