实验三 MOS结构高频CV特性测试

实验三 MOS 结构高频C-V 特性测试
MOS 结构电容-电压特性（简称C-V 特性）测量是检测MOS 器件制造工艺的重要手段。

它可以方便地确定二氧化硅层厚度、衬底掺杂浓度N、氧化层中可动电荷面密度、和固定电荷面密度等参数。

ox d I Q fc Q 本实验目的是通过测量MOS 结构高频C-V 特性及偏压温度处理（简称BT 处理），确定、N、和等参数。

ox d I Q fc Q
一、 实验原理
MOS 结构如图1（a）所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。

但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（—微米量级），而不像金属中那样，只集中在一薄层（—0.1nm）内。

半导体表面空间电荷区的厚度随偏压而改变,所以MOS 电容是微分电容 G V G
G dV dQ A
C = （1） 式中是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。

现在考虑理想MOS结构。

所谓理想情形，是假设MOS结构满足以下条件：（1）金属与半导体间功函数差为零；
（2）绝缘层内没有电荷；（3）与半导体界面处不存在界面态。

偏压V G Q 2O S i 2O S i G 一部分在降在上，记作；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作,即
2O S i ox V S V S OX G V V V += （2）
S V 又叫表面势。

考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有
G SC Q Q = （3）
式中是半导体表面空间电荷区电荷面密度。

将式（2）、（3）代入式（1），
SC Q S ox S ox S
ox S ox G G G C C C C C C dV dV dQ A dV dQ A C +=+=+==111 （4） 式（4）表明MOS 电容由和串联构成，其等效电路如图1（b）所示。

其中是以为介质的氧化层电容，它的数值不随改变；是半导体表面空ox C S C ox C 2O S i G V S C
间区电容，其数值随改变，因此
G V ox
ro ox G ox d A dV dQ A C εε0== （5） S SC S dV dQ A
C = （6） 式中ro ε是相对介电常数。

2O S i
p 型衬底理想MOS 结构高频C-V
特性曲线如图（2）所示。

图中V代表偏压。

最大电容G V ox C C ≈max ,最小电容和最大电容之间有如
下关系min C max C [1]： 2120max
min ln 411⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛+=i rs ox rs ro n N N q kT d C C εεεε （7）
式中rs ε是半导体的相对介电常数。

0=S V 时，半导体表面能带平直，称为平带。

平带时的MOS电容称为平带电
容，记作。

对于给定的MOS结构，归一化平带电容由下式给出FB C [1]：
212011⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛+=N q kT d C C rs ox rs ro ox FB εεεε （8） 平带时所对应的偏压称为平带电压，记作。

显然，对于理想MOS 结构，。

FB V 0=FB V 现在考虑实际的MOS 结构。

由于中总是存在电荷（通常是正电荷），且金属的功函数和半导体的功函数通常并不相等，所以一般不为零。

若不考虑界面态的影响，有
2O S i m W S W FB V mS ox
ox FB V C AqQ V −−= （9） 式中是中电荷的等效面密度，它包括可动电荷和固定电荷两部分。

“等效”是指把中随机分布的电荷对的影响看成是集中在S ox Q 2O S i I Q fc Q 2O S i FB V i -S i O 2界面处的电荷对的影响。

是金属-半导体接触电势差，
FB V mS V
q
W W V m S mS −= （10） 对于铝栅p 型硅MOS 结构，大于零，通常也大于零（正电荷），所以，如图3中的曲线1所示。

作为对比，图中还画出了相应的理想曲线（曲线0）。

mS V ox Q 0<FB
V 利用正、负偏压温度处理的方法（简称BT ±处理）可将可动电荷和固定电荷区分开来，负BT 处理是给样品加一定的负偏压（即），同时将样品加热到一定的温度。

由于可动电荷（主要是带正电的离子）在高温小有较大的迁移率，它们将在高温负偏压条件下向金属-界面运动。

经过一定的时间，可以认为中的可动电荷基本上全部运动到金属-界面处。

保持偏压不变，将样品冷却至室温，然后去掉偏压，测量高频C-V 特性，得到图18.3中的曲线2。

由于这时可动电荷已经全部集中到金属-界面处，对平带电压没有影响了，根据（9）式可得
I Q fc Q 0<G V +Na 2O S i 2O S i 2O S i 2O S i fc ox Q Q =
mS ox
fc
FB V C AqQ V −−=2 （11） 若已知，由式（18.11）可以确定中的固定电荷面密度
mS V 2O S i Aq
V V C Q FB mS
ox fc )(2+−= （12） )(2−cm 改变偏压极性，作正BT 处理。

加热的温度和时间与负BT 相同。

正BT 处理后，测量高频C-V 特性，得到图3中的曲线3。

由于这时可动电荷已基本上全部集中到界面处，所以中包含了和的影响。

根据式（9）和式
（11）
2O S S i i −3FB V I Q fc Q fc I ox Q Q Q += 23FB ox
I mS ox fc ox I FB V C AqQ V C AqQ C AqQ V +−=−−−= （13） 令32FB FB FB V V V −=∆，由式（13）可确定可动电荷面密度
Aq
V C Q FB ox I ∆=
（14） )(2−cm 本实验所用仪器设备主要包括三部分:测试台(包括样品台、探针、升温和控温装置等)、高频（1MHz 或更高）C-V 测试仪和X-Y 函数记录仪。

实验装置如图4所示。

样品制备中衬底材料、电极面积、氧化层厚度以及电极材料等，均可根据现有的材料和具体工艺条件而定。

例如，p 型或n 型硅单晶抛光片，电阻率6—
10。

干氧氧化，氧化层厚度约为100。

铝电极或多晶硅电极，面积为。

为了保证样品和测试台之间有良好的欧姆接触，最好在样品背面蒸上驴。

最后，在400-450 forming gas(10%、30%的混合气体)中退火30分钟，起合金和减少界面态的作用。

cm ⋅Ωnm 8102−×2cm C 02H 2N 在上面的讨论中，我们忽略了界面态的作用。

事实上，界面态可以从两个方面影响MOS C-V 特性：界面态电荷对偏压的屏蔽作用和界面态的电容效应。

当偏压改变时，表面势改变，因而费米能级在禁带中的位置发生改变，界面态的填充几率就要发生变化，界面态电荷随之发生变化。

这就是说，是偏压的函数。

这和、不同，它们不随而改变。

、的作用只是
影响平带电压，使实际C-V 曲线相对于理想曲线在形状上发生改变。

比如常见到的曲线拖长、平台等现象。

另一方面，在C-V 测量中，我们是在偏压上迭加交流小信号。

引起，从而引起。

所以界面态的作用又可以表现为电容G V S V SS Q SS Q G V I Q fc Q G V I Q fc Q c V C dV C dV S dV SS dQ S
SS SS dV dQ A C = 由于界面态是通过和体内交换电子来实现充放电的，它的时间常数较长，通常大于，所以界面态电容只在低频或准静态情形下对MOS 电容有贡献。

对于1MHz 的高频C-V 测量，通常不考虑界面态电容的影响。

s 610−界面态对C-V 曲线的影响取决于界面态的具体性质，比如态密度、时间常数SS N )(12−−⋅eV cm SS τ等。

这些性质因样品而异，所以界面态的影响比较复杂。

前面提到的forming gas 退火是减少界面态的有效方法。

经过这种退火处理，禁带中部的界面态密度可降低到量级以下，对高频C-V 测量的影响可以忽略。

1010)(12−−⋅eV cm 最后还要特别指出，对于掺杂浓度不是很高（或更低）的p型MOS 样品，高频C-V特性会出现不稳定现象，如图5所示。

其原因是场区（电极315/10cm mn C
以外的区域）存在反型层和正偏压时的正电荷侧向铺伸效应[2]。

在这种情况下，为了正确测量，从而正确地求出衬底掺杂浓度等参数，必须采取措施防止场区反型层的形成。

常用的办法是在电极周围再制作一个环型电极（隔离环）。

测试时，环上加一定的负电压，使之屏蔽其下氧化层中的正电荷，达到抑制场区反型的目的。

对于硅栅MOS结构，可以用场区离子注入浓硼的办法防止场区反型。

mn
C
*：最近的研究结果表明，禁带中靠近导带底或价带顶附近的界面态，其时间常数可以是微秒量级，因此，即使在1MHz 的高频C-V 测量中，也不能忽略界态电容的作用。

近年来生产的MOS 参数测试仪（例如HP 公司的M4061等），高频C-V 测量的频率采用了10MHz。

二、实验内容
1. 测量初始高频C-V 特性曲线。

2. 作正、负BT 处理。

3. 分别测出正、负BT 处理后的高频C-V 特性曲线。

三、实验步骤
1. 打开各仪器的电源，预热10分钟。

2. 确定X-Y 记录仪的零点和量程。

3. 根据被测量样品的最大电容数值（用已知的电极面积和氧化层厚度进行估算）选择C-V 测试仪相应的电容量程，并按照仪器说明书的规定对所选择的电容量程进行校正。

4. 根据样品的少子产生寿命确定偏压C-V 曲线，如图6所示。

通常可选用每秒100mV 的速率，如果仍得到深耗尽的曲线，则应将速率再放慢，直至得到稳态C-V
曲线。

5. 作BT 处理，条件是：150—200，恒温10分钟。

偏压的数值根据氧化C 0G V
层厚度来计算，一般认为氧化层中的电场达到可以实现可动离子有效的迁移。

若，取cm V /106nm d ox 100=V V G 10+=（正BT 处理）或（负BT 处理）。

至于先作正BT 还是先作负BT，并无特别的规定，通常是先作负BT。

正、负BT 处理之后，分别测量高频C-V 特性曲线。

V V G 10−=
四、数据处理和分析
1. 由初始C-V 曲线，可获得和。

利用式（5）和（7）可求出氧化层厚度和衬底掺杂浓度N。

max C min C ox d 2. 利用式（8）求出。

FB C 3. 由实验曲线确定、和2FB V 3FB V FB V ∆。

4. 查表或计算求出。

mS V 5. 利用式（12）和（14）分别求出和。

fc Q I Q 6. 如果或较大（量级或更大），分析一下原因（比如硅片清洗不干净，氧化系统有玷污等等），进而提出改进措施。

fc Q I Q 211/10cm 7. 如果C-V 曲线形状异常，可以配合界面态的测量来分析原因。

五、思考题
下列情况对高频C-V 特性有什么影响？为什么？
1. 偏压的扫描速率太快。

G V 2. 界面处有较多的界面态。

2O S S i i −3. MOS 样品的背面（衬底）和测试台接触不好。

4. p 型样品，场区有反型层。

5. 金属-界面处有可动离子陷阱，对正、负BT 处理后得到的有什么影响？对同一样产品，反复作BT 处理，2O S i FB V ∆FB V ∆有什么变化？
6. 光照对高频C-V 有什么影响？解释其原因。

7. BT 处理过程中，为什么偏压要始终加在被测样品上？
六、参考文献
[1] 刘恩科、朱秉升，半导体物理学，国防工业出版社，1979.
[2] 马鑫荣、田立林、李志坚，半导体学报，第2卷，第4期，288.1981.
来源：北方工业大学图书馆－实验讲义。