高频MOS电容—电压测量

1、实验七高频MOS!容一电压测量目的:用MOSI容一电压法测定氧化层中可动离子，估计半导体杂质浓度。原理:、理想的 MOS吉构的C V曲线理想的MOS吉构的能带及 MOS吉构见图（a)、(b )。(b) M03结构（a）理想的MOS结构的能带图图一这里假定：1. 不考虑氧化层中电荷的作用。2. 金属和半导体之间无功函数差。从图一 可以看到能带是平的，如果加上外偏压，半导体表面的能带就要弯曲，对于P型半导体，当加上正偏压 （铝接正，硅接负），半导体能带就要向下弯，出现耗尽或反型的 情况，金属电极上带正电荷 Q,而半导体表面的势垒空间电荷为Qsc，电子电荷为 Q。当加负偏压，能带向上弯，表面出现积累

2、层，金属电极上带负电Q,而半导体表面空间电荷有空穴电荷Q,如图二所示。从图二可以看出，当加了外偏压V后，外偏压V的一部分“ s降在空间电荷区上，另一部分V降在氧化层上。即：V=t S + Vi当外加偏压变化时，e S和Vi都要随着变化，金属表面电荷Q和半导体电荷Q（Qs=Qsc 十Q十Q）也发生变化，电荷随电压的改变就表现为电容特性。e s的变化引起了 Qs的变化，用半导体空间电荷区的电容Cs表示。即(b)反型(0)(c)积累(V0)图二P型半导体血S结构加偏压时的能带_d|Qm|_dQmC S=d屮sd屮s(2)氧化层两端的电压降Vi的变化引起Q的变化，用氧化层电容C表示。即C_dQmdiV

3、i氧化层电容相当于一个平行板电容器,C = i c/d i单位面积的电容值可由下式计算：式中di是氧化层厚度， i是二氧化硅的相对介电常数(& i 3.9 ), 0是真空电容率( o=8.85 10-14法拉/厘米)，总的MOS电容等效于 Cs和C的串联。C1=dV/dQM = dVi/dQM + d 0 s= C+ Cs1( 5)CS是随外偏压变化而变化的，而Ci是一个固定电容，因而总的电容C也随外偏压变化，对于P型半导体，理想 MOS吉构的C V曲线见图三。下面分几个区来说明图三的C V曲线1. V 0当负偏压很大时，积累层中的空穴很多，Q、Q,由于空穴为多子，跟得上高频电压的dQm变化，

4、0 S的微小变化可以引起 SiO2 Si边界附近的空穴浓度的很大变化，故 一很大, d屮s相当于一个大电容，总的 C近似等于Ci。当偏压增加时，积累区的空穴减少，Cs不再是一个大电容，它同 Ci串联后使总电容减小，偏压负得越小，C也就越小。因此当 V0表面耗尽，空间电荷主要由电离受主杂质提供。Q:Qc,随着外偏压增大，空间电荷变化，G变小。所以C随V的增加继续减小。4. V0当外偏压增大后出现了反型层，于是表面处就有了相当数量的电子，他们随着电压的变化是很剧烈的，这些电子电荷屏蔽了表面电场，因而空间电荷区宽度不再随外电压的变化而达到了一个极大值S但反型层中的电子是P型半导体中的少子，其数量来不

5、及随测试电容的高频讯号变动，这时Cs就主要由空间电荷区的电离受主所决定，Cs趋向一个不再变化的最小值CSmCsn= 0 s/ S m( 10 )总的电容C也就趋向一个最小值 Cmin, Cmin称为咼频最小电容。图四表示Cmin/C i随氧化层厚度di和掺杂浓度Na的变化。我们通过MOS的C V曲线可得到C和Cm i n,于是可计算出氧化层厚度di,再有di和Cmin分别由图四和图五查得半导体的掺杂浓度和平带电容Cfb。、实际MOS的C V曲线LC ml/Ci1000图四C/Ci随di和皿的变化I5*1/100200300500100020004000100000. 30*4Cre/Ci L0

6、0. 90.S0. 70.6山510000 di (A )图五购的归一化平帯电容曲线对于实际MOS结构，在SiO2 Si界面存在表面正电荷 Qs,这些表面正电荷主要包括固 定正电荷和可动电荷（主要是碱金属离子）。而且二氧化硅不是完全绝缘的，当金属和半导体功函数不同时，它们之间会通过二氧化硅层交换电子，考虑了上述情况，实际的MOS吉构的C- V曲线同理想MOS吉构相比发生了一定的移动。先考虑Si SiQ界面的正电荷Qs的影响。这些正电荷将分别在半导体内部和金属表面感应出负电荷Qs和Q,且Qss Qm=Qs。这时即使没有外加电场，半导体的能带也是弯的，见图六。(a)由表面正电荷的能带型) (“ M

7、OS的OV曲线的移动 图六如果加上负偏压，V 0，能带就有从向下弯到向上的趋势，当负偏压加到V=VFb时，能带刚好恢复平直的情况，这时的电压VFB就成为平带电压。见图七。此时，外加偏压都将在二氧化硅层上，因此氧化层电容C=Qs/|V fB( 11)|V fb|=Qss/C i( 12)这时，MOSfe容的值和理想 MOS平带电容Cfb是相同的。同理 想MOS勺C V去想象比较，整个 C V曲线沿着-V方向发生了 平移。其次，由于半导体功函数ws和金属的功函数 wm的不同，氧化层又不是完全绝缘的，金属和半导体之间要通过氧化层交换电子，使半导体表面即使没有表面正电荷也会产生能带弯曲。如果金属Al的

8、功函数 Wm小于半导体Si的功函数 Ws则金属铝中的电子通过SiO2层而转移到Si中去，铝电极表面缺少电子带正电，半导体中出现带负电的空间电荷区，能带向下弯曲。这是要恢复平带情形就必须在金属上加上一个负电压Vma Vms同功函数的关系是-VmS=(wm-WS)/e(13)当Vfb =Vms时能带是平直的。因此考虑了接触电势差以后，整个C-V曲线眼-V方向向左移动。所以，同时考虑上述两个因素的综合影响，平带电压由VzB=Vms-Qss/C iQp (-Vm“FB)CV=0移到Vfr(14)(15)EcEiEf平带情V=-VuiS图八金属一半导体功函数对恥S结构中电势分布的影响图九 功函数差对c-

9、m性曲线的影响表7-1 金属一二氧化硅结构中，Si相对于Al和Au的接触电势差Si中杂质浓 度（cm-3）V MSAl SiO2 n型SiAl SiO2 p型SiAu SiO2 n型SiAu SiO2 p型Si._ 1410-0.36-0.82+0.54+0.88510-0.30-0.88+0.60+0.021610-0.24-0.94+0.66-0.041710-0.16-1.00+0.72-0.10、氧化层中可动离子的决定Qss从公式Vfb = Vms -可以看到，当已知接触电势差及平带电压可以算出Qss,它包Ci含了氧化层中的固定正电荷以及一部分靠近二氧化硅界面的可动电荷，所以单一条c

10、V曲线并不能确定固定电荷密度和可动离子密度分别是多少。要测定可动离子密度和固定电荷密度必须作温度偏压试验，简称B T实验。它的步骤和原理如下:先测得一条初始的 c V曲线，见图十（a），这时对平带电压有贡献的是Qss，它包括固定电荷和部分可动离子电荷。然后在MOS电容上加一个负偏压（金属接负），并加热到100。C 左右，偏压一 1OV恒温10分钟，待冷却后，再测它的C V曲线。如图十（b）。由于在负偏压温度（一 B、T）期间，氧化层中的可动离子在升高温度后具有较大的迁移率，而在负偏 压作用下被电场漂移到靠近金属电极处，使得Si SiO2界面处的电荷减少为只有固定正电荷，所以对应的平带电压绝对值

11、变小，即C V曲线向右方移动。接着在MOSI容上再加正偏压，温度100。C,偏压1OV恒温10分钟，这时在电场作用下，氧化层中的可动离子经过一段时间全部漂移到 Si SiO2界面处，对平带电压有贡献的是 Qss，它包括固定电荷和全部 可动离子电荷。于是 MOS电容冷却测得 C V曲线所对应的平带电压绝对值增加，C-V曲线向左移动。这样，由 B T试验可得平带电压的移动 Mb,再根据公式 Q=Ci Mb。在氧化层厚度相同的情况下 Vfb越大，可动离子的数目越多。绝缘层中的可动离子的位置移动可以改变半导体的表面状况，在器件生产工艺中，要尽量减少正离子沾污。仪器：本实验使用CTG- 1型高频C- V

12、测试仪，x y记录仪，温控仪，显微镜等。CTC一 1型高频C-V测试仪的工作原理如图一所示。当MHz高频小讯号加在被测样品（即被测电容C）和接收机输入阻抗 Ri上，高频电压就被 C和Ri以串联形式分压，由于在 被测电容两端加入具有扫描的直流偏压时，被测电容CQ值随偏压的增大而减小，即容抗（1/ 3 C）随反向偏压的增加而增大，则Ri两端的高频电压也就随之减少，取Ri两端高频电压进行放大，后经混频，中方，检波变换成直流电压，该直流电压的变化就反映出样品的电容变化，将此直流电压加在xy函数记录仪上，同时将样品上所加的直偏压经过分压器加在xy汉书记录仪的x轴上，则xy记录仪直接绘出样品的电容一电压C

13、V曲线。实验步骤与具体要求：1.熟悉CTG 1型高频C一 V测试仪和xy函数记录仪的使用。2调整CTG一 1型高频C-V测试仪和x-y函数记录仪。具体的使用方法见附录。3. 对 A1 一 SiO2一 Si MOS 进行 B T实验。4. 通过绘制的C V曲线及图四、图五， 求出氧化层中固定电荷和可动离子面密度，估 计半导体掺杂浓度.5. 对观察到的 MOS C- V曲线进行分析和讨论。附 录I xy 函数记录仪LZ3100函数记录仪（一）准备1将“ X T”开关置于“ X”位置，“记录”开关置于“抬笔”位置。2将X，Y “量程”置于“短路”挡。3将X, Y的“丄”接线柱用联接板与“一”接线柱联

14、接。（二）校正1 接通“电源”。2将“电源”开关接通，用“调零”旋钮调节X、Y的零点。3.选择X、Y量程（本实验选择5mv/ cm挡）。4由高频C V测试仪的“偏压量程”，对X轴定标，由“电容量程”对 Y轴定标。5“电源”开关断开。（三）测量1 接通“电源”开关2将“记录”开关从“抬笔”位置转向记录位置。进行绘制C V曲线。n .CTG 一 1型高频C V测试仪操作步骤（一）准备1将“偏压选择”开关置于“外”，“记录速度”开关断开，“偏压量程”开关置于“10V” 挡。2. 将面板上“ X、Y”接线柱一一对应和 X Y函数记录仪X、Y接线柱接通。“输出”和 “输入”插头和样品接线板接通。（二）校正1“电源”开关接通；仪器预热15分钟。2 “偏压选择”开关置于“内”，根据被测样品所需要偏压大小和偏压极性，选择“偏压极性”和“偏压量程”，（本实验“偏压板性”可置于“负正” “偏压量程”可置于10伏档）3将“电容量程”置于“测量”挡，用“调零”电位器使电容表指示为零，根据被测 样品电容大小选择“电容量程”。使用“校正”旋钮，调节电容表指示为满度，然后重复上 述校正，至“电容量程”置于“测量”挡电容表指示为零，在标准电容挡（例如50