华润上华MOS电容CV

Ec EF Ei
Ψs
Ev
Ψs＞0 时的能带示意图 3
3 当V ＜ 0 时
Ψs＜0，硅表面能带上弯，见下图。半导体表面电子耗尽，半导体空间电荷电容即为耗尽层电容 Csc =ε0・εs / W （8） 耗尽层厚度 2 1/2 W =[2・ε0・εs・ Ψs /(q ・N)] （8 ） 随着 Ψs 增加 ，W 增加，Csc 下降，总的 MOS 电容 C 下降（见图 2）。
-4-
Title:
Cox CD Cp
MOS 电容的低频等效电容
反型后，由（4）式给出：
Cp =［q2・ε0・εs・p0 /（2・K・T）］1/2・ e
—q・ψs/（2・K・T）
（13）
即少子电容 Cp 随表面势Ψs（负值）的绝对值的增加而指数增加。当 |Ψs | ＞2|ΦF|时， Csc = Cp 》Cox＞CD，则 CL = Cox ，见图 2。 由（4）、（12）（13）式计算出理论低频 CL-V 曲线，如图 2 中的低频 C-V 曲线。 由于 Si 材料及氧化工艺的改进， Si 表面空间电荷区中少子产生寿命て g～ ms。 即使信号频率为 几周/s ， 少子也只能部分响应低频信号，即 C-V 曲线向高频过渡。要实现如此低频（≤1HZ/S）信号的测试是很难的（1/ ωC 容抗大，干扰大）。为此，广泛采用准静态技术以实现甚低频 C-V 测试。 2、准静态甚低频 C-V 曲线 在极慢的斜坡电压下，MOS 电容的位移电流 iC 为： ic = dQ/dt=(dQ / dV)・（dV / dt） 若 V 是线性斜坡电压，即 V = V0+α・t，则 dv/dt =α为常数。只要α足够低，Si 表面的多子和少子均能响应斜 坡电压，即 C=dQ/dV 为甚低频电容 CL ,于是： ic ＝αCL （14） -10 -12 -11 由于α～0.01v/s, C～e F, ic 在 10 ～10 A 之间.可见所测电流甚小。这要求:斜坡电压线性度好, α为常 -13 数；MOS 电容的漏电流应小于 10 A 。
C = ［（1/Cm）±（1/Cm —4・R ・ω ） ］/（2・R ・ω ）
Cm受串联电阻影响 1000 900 800 700 600 Cm(pF) 500 400 300 200 100 0 0 200 400 C(pF) 600 800 1000 R=500ohm R=1000ohm R=200ohm R=100ohm R=0ohm R=50ohm R=0ohm R=50ohm R=100ohm R=200ohm R=500ohm R=1000ohm
-5-
Title:
其中ω=2πf 是测试信号的角频率。图 3 给出了以 R 为参变量的 Cm-C 曲线。可以看出，存在串联电阻时，待测 的电容越大，测试误差越大；串联电阻越大，测试误差越大。 因此要尽可能减小或消除串联电阻效应的影响
［1］
。 一方面要减小 MOS 电容的栅电极面积 （使 Cmax≤600pf） 。
Title:
MOS C-V 测试技术
陈永珍 引言
在集成电路特别是 MOS 电路的生产和开发研制中， MOS 电容的 C-V 测试是极为重要的工艺过程监控测 试手段，也是器件，电路参数分析和可靠性研究的有效工具。MOS C-V 技术包括：（1）MOS 电容的高频 电容-电压测试（即 CH-V）,用以测量氧化物中的有效电荷 Qox 和可动电荷 Qm（与温偏试验配合）；（2） 准静态甚低频 CL-V 测试,以测定 Si/SiO2 界面陷阱密度 Dit 。在高温下可以测量 Qm；（3）瞬态 CH-t 测试。 以测量半导体表面空间电荷区中的少子产生寿命τg 和表面复合速度 S；（4）脉冲高频 CH-V 测试。可测定 半导体表面附近的掺杂剖面 N-W；（5）热电子发射技术。通过 TDDB（与时间相关的介电质击穿）试验， 可以分析氧化物中的陷阱行为：陷阱密度 Not、陷阱的充放电和陷阱的产生。陷阱特性直接影响超大规模集 成电路的可靠性和稳定性。
但考虑到边缘效应和杂散电容的影响及面积小引起的串联电阻增加， 不宜将面积作得太小。 另一方面要尽可能减 小串联电阻，方法是：（1）减小体串联电阻，采用较低电阻率的硅衬底。考虑到电阻率对 MOS C-V 的调制作用， 电阻率不宜太低。一般应大于 1Ωcm，小于 20Ωcm.若需测高电阻率 Si 上的 MOS 电容，需在较低电阻率硅片上外 延所需高电阻率的外延片，再在其上制作 MOS 电容。（2）减小接触电阻：衬底采用欧姆接触，或采用大电容耦 合（背面保留 SiO2，并蒸一层 Al）；栅电极用 Al，Poly-Si 或 Hg 均可以。（3）尽可能减小测试夹具和引线电 阻。当测试积累区电容等于或接近氧化层电容时，串联电阻效应可略。也可以由下式进行修正。
（一）理想高频 C-V 特性
1、当 V = 0 时，Ψs = 0，（能带平出，见下图），Qsc = 0
Ec M V M SiO2 n-Si
SiO2
n-Si
EF Ei
MOS 结构示意图 但 Csc = Cs0 = dQsc / dΨs≠ 0 由（4）式可导出 Cs0 = [q2・ε0・εs・N /( K・T)]1/2 从而得 MOS 电容的平带电容 CFB（N，tox）= Cs0・Cox /（Cs0+Cox ） 即 CFB 只是氧化层厚度 tox 和硅掺杂密度 N 的函数。见图 2。
ε0 为真空电容率，εox 为氧化物介电常数，Cox 与偏压 V 无关。而半导体空间电荷电容 Csc 为： Csc = dQsc dΨs
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Title:
Ψs 是 Si 表面势，设 SiO2 上的电压为 Vox，则有： V = Vox + Ψs Qsc 是半导体中的空间电荷密度，对于非简并情况，由平衡理论求得
Ec EF Ei
Ψs
Ev
Ψs＜0 时的能带示意图 4 当 Ψs ≥|φF|时 半导体表面开始反型，出现少子空穴电荷 Qp。这时的空间电荷为： Qsc = Qp + q・N・W
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Title:
因为少子不能响应高频信号，Qp 对 Csc 无贡献。但它部分屏避外电场，使 W 随 V 的变化速度减慢，C-V 曲线 斜率变小，见图 2，|φF|＜ Ψs ＜2|φF|之间的 C-V 变化。 5 当 Ψs ≥2|φF|时（见下图） Si 表面强反型，Qp 完全屏避外电场。耗尽区宽度不再随偏压变化，而达到最大值。将 Ψs =2|φF|代 入（8）式得 W= Wmax = [4・ε0・εs・|φF | /（q2・N）]1/2 （9） 空间电荷电容达到最小值： Csc = （Csc）min ==ε0・εs / Wmax （10） 因而 MOS 电容达到最小值： C = Cmin（N，tox） = Cox・（Csc）min /［Cox+（Csc）min］ （11）
图 2、理论的 C-V 特性
-2-Βιβλιοθήκη itle:2V ＞0 时 V↑，Ψs↑,硅表面能带下弯，见下图。 半导体表面电子电荷随表面势Ψs 指数增加。 从（4）式得空间电荷电容为 ・Ψ ・ ・ Csc = [q2・ε0・εs・N / （2・K・T）]1/2・eq s/(2 K T) （7） 可见，Csc 也随表面势Ψs 指数增加。当 V 足够大时，Si 表面强积累，Csc》Cox，于是 C = Cmax = Cox /（1+Cox / Csc）=Cox （7 ） 强积累的电容不随偏压变化，等于氧化层电容。见图 2，V＞0 时的 C-V 曲线。
2
2
2
1/2
2
2
（17）
图 3 以 R 为参变量的 Cm—C 曲线
2
由高频 MOS 电容的最小值确定硅衬底掺杂浓度 1） 由归一化最小电容 Cmin/Cox 确定 N
（18）
由（9），（10），（11）式得归一化最小电容： 2 1/2 Cmin/Cox=1/｛1+［εox/（εs・tox）］・［4・ε0・εs・K・T・ln（N/ni）/（q ・N）］ ｝
V M SiO2 Cox Csc
n-Si
(a) (b) 图 1 （a） MOS 结构 ,（b）MOS 电容的等效电路
1 1 1 = + C Cox Csc 或 C = Cox Cox 1+ Csc ε0·εox tox （1 ） (1)
其中氧化层电容 Cox 由氧化层厚度 tox 确定，即 Cox = （2）
（3）
q2ε0εs2 Csc = 2KT
1
P0(1 - e -us) + n0(eus - 1)
(P0(e
-us
+ us - 1) + n0(e - us - 1))
us
1 2
（4）
式中 Us= q・Ψs/(K・T)，q 是电子电荷，T 是绝对温度，K 是波尔兹曼常数，εs 是硅的介电常数。对于 n-Si， n0 = N = ni・eUF，p0=ni・e-UF。UF= q・φF / (K・T)，φF 是费米势，ni 是本征载流子密度。可见 Csc 是掺杂密度 N 的函数，并随表面势Ψs 变化。因此，MOS 电容 C 随栅压 V 变化。下面以 n-Si 为例，介绍 MOS 电容如何随 偏压变化。
理论低频 C-V 曲线 MOS 电容不仅是偏压的函数，也是测试信号频率的函数。以上讨论中，因少子（空穴）不能响应高频信号， 对电容无贡献。但当信号频率足够低时，少子能响应测试信号，对 MOS 电容有贡献，其等效电路如下图。图中， CD 是耗尽层电容，Cp 是少子空穴对电容的贡献。于是，空间电荷电容 Csc＝CD ＋Cp，MOS 低频电容 CL 可以表 示为 1/CL ＝ 1/Cox ＋ 1/（CD ＋Cp） （12）
Ec
Ψs
EF Ei
Ev Wmax Ψs=2φF 时的能带示意图
可见最小电容 Cmin 是氧化层厚度 tox 和 Si 本体掺杂密度 N 的函数，不再随偏压变化，见图 2 Ψs ≥2| φF|的电容曲线。 对于给定的 N，tox，由以上相关各式可以计算出理论的高频 C-V 曲线，如图 2。