电化学CV测试

ch３-４ＥＣＶ
主讲：郭伟玲
半导体薄膜制备与分析技术
ch３-４ＥＣＶ
3. 2.
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三、ＥＣＶ vision
主要用于测量结果的分析与成像，和接 触面积的测量与监控，样品与电解液装载监 控。
Sample
cell
1.
4. CELL MOTION
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• 如上图所示蓝色坐标轴是cell的运动方向，绿色坐标轴表示样 品的运动方向。 • 测量后从样品上撤走所有电解液，也将cell和光程移走。 • 在高速的照相机下获得图片。 • 在situ校准下，面积误差小于1%。 • 密封环状况监控。
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• 电解液/半导体结（L(E)/S结）特性测试是基 于肖特基结（又称M/S结）电容效应，L(E)/S 结可以看作M/S结，只不过这里把金属看成 电解液L(E)。从导电性能和半导体结面层中 形成接触势垒来看，L(E)/S和M/S是一样的， 这样，L(E)/S结在下列假设条件下：
在电解液、半导体界面上不存在界面态； L(E)/S结可做突变结近似，且认为半导体界面层 势垒区为载流子耗尽区； 半导体中横向平面内掺杂均匀。
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CV plot of n-type GaAs with Tiron
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二、 ECV Pro 技术简介
• 1．ECVPro技术融合了全新的数字电子技术 ，可以产生数字波形，信号处理方法可以精 确控制漂移波形的产生，这对样品的精确可 重复测量很重要。内建校准电阻可以测量电 路阻抗。 • ECVPro模型的等效电路只有在串联电阻或并 联电导等于零时才能成立。但是在一般情况 下，并不能保证上述情况成立。这样就引出 了耗散系数D，耗散系数D就是等效串联电路 中电容阻抗与电阻的比值（ D R S R S C S 1 ）。
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一、电化学CV原理
1. 电化学C-V（ECV）技术：包括电化学腐蚀与电解液 ）技术：包括电化学腐蚀与电解液/半导 体结[L(E)/S结]特性测试两部分内容。在测试分布时，电化 学腐蚀与测试是交替进行的。 2. 半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理。 半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理。 我们知道，固体物质在液体中消溶有两种方法：一种为不加 外电场的情况下，利用液体和固体物质之间的化学反应，使 固体逐渐腐蚀的方法。该方法一般称湿发腐蚀；另一种为把 固体物质置于电解液中，外加直流电压，电压正端接要被腐 蚀的固体物质，负端接一不被溶解且导电的电极。通电后， 阳极物质在电场和电解液的作用下逐渐被氧化，腐蚀的方法 。这种方法称电化学腐蚀。与湿发腐蚀相比，电化学腐蚀的 。这种方法称电化学腐蚀。与湿发腐蚀相比，电化学腐蚀的 优点是可以精确的控制固体物质除去的深度，且与L(E)/S结 测试兼容。
C S
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• 4．Cell的介绍 Cell是用来给样品产生压力，使样品固定。Cell中一 般用来填充电解液 • 5．密封环（Sealing Ring）的介绍 密封环是ECV测量仪器中关键部件也很容易损坏（ 损坏原因主要有装片过程样本位置不对，电解液填 充时密封无损坏，还有仪器的不正常启动），所以 密封环经过很长时期的设计开发，基本上可以保证 在装片中不损坏密封环，在损坏后更容易更换。
b) N-type semiconductor Reverse Bias
Etching current

Semiconductor/Electrolyte
+ve -ve
Etching current
Semiconductor/Electrolyte
+ve -ve
Si

A
Si

Si
Si

Si Si Si4+ Si D+
3
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4
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Cell Configuration – Schematic
化学池结构图
ECV的等效电路图。
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测量方法
1. Obtain an I/V plot, from which it is possible to derive the bias voltage range for capacitance measurement 2. Using the bias voltage range derived from the I/V plot, obtain a C/V plot, and use this to derive the measurement potential required to create etching conditions 3. Measure the depletion profile 4. Using information obtained above, perform the etch profile
a) P-type semiconductor Forward Bias
b) N-type semiconductor Reverse Bias with illumination
Dissolution of n-type and p-type samples
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1
Vb
+
+
+
+
+
Ec E
Wd
r
Ev
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1
- free & relative permittivity Φ - Potential barrier height V - Applied potential
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Etching current
Semiconductor/Electrolyte
+ve -ve
Etching current
Semiconductor/Electrolyte
+ve -ve
S i

A
Si

S i
Si

S i
+ D
S i
S i

Si

A
Si Si
Si Si Si4+
Si Si D
+
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•Dissolution (etching) of semiconductor materials depends on the presence of holes •p-type materials holes are plentiful and dissolution is readily achieved by forward biasing the semiconductor/electrolyte junction •n-type materials, in which electrons are the majority charge carriers, holes have to be created for dissolution to take place
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Theory of a Schottky Barrier
电化学CV测试 (ECV) Electrochemical C-V
C 1 2 V 0 r 2 Wd qN
D+ Si D+ Si
Si D

+
Si
4+
Si
Si

A
Si Si
Si Si
Si Si D+
Si
A
Si


Si Si
.
C3 N . e r o A 2 dC dV 1 H 2 H 2 Si 2 Si 2 Si 2 2 Si 4
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关键特征包括： • In-situ测量区域的选定。 • 无电缆补偿。 • 数字信号处理和内部测量论证，使得精度提高。 • 直接过程控制类似于基于SEMI E95标准的软件。 • 高标准的设计且易于维护。 • 与PN4300+PC相比，简易。
ECVPRO的优点 • 改善测量结果的准确性重复性 • 减少由于操作员熟练程度不同而引起的测量数据 的依赖性使系统更容易操作 • 减少操作员化学处理 • 改善可描述性 • 改善可靠性和可用性 • 可以建立能测量150mm直径基片的系统 • 可以建立系统模型和减少管脚
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S i
S i
Si Si

Si
A
Si Si
S i S i
A
Si
A
a)

A
+ + + + +
S i
D
+
Si
S i

Si Si
+ D
Si
+ D
D Si Si
+
Si Si
+ D
Si
-
Wd
o r A
C 1
Depletion zone
Depletion zone
P-type semiconductor Reverse Bias
S i

D S i S i
+
Si Si D
+
Si
A
Si

D S i
+

A

A
-

S i4+
hc Eg
a)
P-type semiconductor Forward Bias
b)
N-type semiconductor Reverse Bias with illumination
Depletion zone
etched depth Wr
Wr
M Idt zFa 0
t
C charge carrier density N at the edge of the depletion layer
N
PROFILED DEPTH = Wr + Wd
Wd
0 r A
C3 q 0 r A dC / dV 1
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Illuminated I-V curve
n型和p型材料的I-V特性
Dark I-V curve
Dark I-V curve
Illuminated I-V curve
IV curve of n-type GaAs (-4E17) with Tiron IV curve of p-type GaAs (4E17) with Tiro
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• 2．半导体的串联电阻和电解液电阻是引起D值下降 的主要原因。我们可以用双频率的办法解决这个问 题。 • 3．电解液与半导体接触面积的测量 根据肖特基二极管理论，当接触面半径有2%的误 差，会产生载流子浓度计算结果8%的误差。而一般 情况下我们测得的并非接触面半径，而是密封环的 半径。密封环的半径也并非总是常数，所以在计算 后载流子浓度在15%~20%内变化正常。
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Small leakage current
Electrochemical Profiling
Semiconductor/Electrolyte
-ve +ve
Small leakage current
Semiconductor/Electrolyte
+ve -ve
S i

A
2
.
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测量结果
测量结果
1/C curve
2
C-V curve
C-V curve
1/C curve
2
Dissipation curve
Dissipation curve
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CV plot of p-type GaAs with Tiron
Wd
0 r A
Electrolyte Semiconductor
qN 0 r 2 C A 2 V 1 C3 N . q 0 r A 2 dC dV
C - Capacitance A - Area of sample q - Charge of an electron N - Carrier Concentration