半导体C_V测量基础.docx

P 专业测试 ro Te s ting 半导体 C- V 测量基础Lee Stauffer(吉时利仪器公司)通用测试电容 - 电压（C- V）测试广泛用于测量半导体参数，尤其是 MOSCAP 和 MOSFET 结构此外，利用 C- V 测量还可以对其他 类型的半导体器件和工艺进行特征分析，包括双极结型晶体 管（BJT）、JFET、III- V 族化合物器件、光伏电池、MEMS 器件、有 机 TFT 显示器、光电二极管、碳纳米管（CNT）和多种其他半导 体器件这类测量的基本特征非常适用于各种应用和培训大学 的研究实验室和半导体厂商利用这类测量评测新材料、新工 艺、新器件和新电路C- V 测量对于产品和良率增强工程师也 是极其重要的，他们负责提高工艺和器件的性能可靠性工程 师利用这类测量评估材料供货，监测工艺参数，分析失效机 制采用一定的方法、仪器和软件，可以得到多种半导体器件 和材料的参数从评测外延生长的多晶开始，这些信息在整个 生产链中都会用到，包括诸如平均掺杂浓度、掺杂分布和载流 子寿命等参数在圆片工艺中，C- V 测量可用于分析栅氧厚 度、栅氧电荷、游离子（杂质）和界面阱密度。

在后续的工艺步 骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、电介质和多晶 硅沉积、金属化等当在圆片上完全制造出器件之后，在可靠 性和基本器件测试过程中可以利用 C- V 测量对阈值电压和其 他一些参数进行特征分析，对器件性能进行建模半导体电容的物理特性MOSCAP 结构是在半导体制造过程中形成的一种基本器 件结构（如图 1 所示）尽管这类器件可以用于真实电路中，但 是人们通常将其作为一种测试结构集成在制造工艺中由于 这种结构比较简单而且制造过程容易控制，因此它们是评测 底层工艺的一种方便的方法图 1 P 型衬底上形成的 MOSCAP 结构的 C- V 测量电路图 1 中的金属 / 多晶层是电容的一极，二氧化硅是绝缘层由于绝缘层下面的衬底是一种半导体材料，因此它本身并 不是电容的另一极实际上，其中的多数载流子是电容的另一 极物理上而言，电容 C 可以通过下列公式中的变量计算出 来：C = A (κ/d), 其中 A 是电容的面积； κ 是绝缘体的介电常数； d 是两极的间距因此，A 和 κ 越大，绝缘体厚度越薄，电容值就越高通 常而言，半导体电容的大小范围从几纳法到几皮法，甚至更 小。

进行 C- V 测量时要在电容的两极加载直流偏压同时利 用一个交流信号进行测量（如图 1 所示）通常情况下，这类测 量使用的交流频率范围从 10kHz 到 10MHz所加载的偏压作 为直流电压扫描驱动 MOSCAP 结构从累积区进入耗尽区，然 后进入反型区（如图 2 所示）图 2 C- V 测试中获得的 MOSCAP 结构的直流偏压扫描强大的直流偏压导致衬底中的多数载流子在绝缘层界面 附近累积由于它们无法穿透绝缘层，因此当电荷积累在界面 附近（即 d 为最小值）时电容在累积区达到最大值如图 1 所 示从 C- V 累积测量可以得到的一个基本参数就是二氧化硅 的厚度 tox当偏压降低时，多数载流子从氧化层界面被排斥开，耗尽 区形成当偏压反相时，电荷载流子远离氧化层达到最大距 离，电容达到最小值（即 d 为最大值）根据这时的反型区电 容，可以推算出多数载流子的数量这一基本原理同样适用于 MOSFET 晶体管，只是它们的物理结构和掺杂更加复杂在偏压扫过这三个区的过程中还可以得到多种其他参 数，如图 2 所示利用不同的交流信号频率可以得到其他细节 信息低频可以揭示所谓的准静态特征，而高频测试则可以表20测试测量技术现出动态性能。

这两类 C- V 测试通常都是需要的基本测试配置图 3 给出了基本 C- V 测量配置的框图由于 C- V 测量 实际上是在交流频率下进行的，因此待测器件（DUT）的电容 可以根据下列公式计算得到：CDUT = IDUT / 2πfVac，其中 IDUT 是流过 DUT 的交流电流幅值； f 是测试频率； Vac 是测得的交流电压的幅值和相角 换而言之，这种测试通过加载交流电压然后测量产生的交流电流、交流电压和它们之间的阻抗相角，最终测出 DUT的交流阻抗图 3 C- V 测量的基本测试配置这些测量考虑了与电容相关的串联与并联电阻，以及耗 散因子（漏流）图 4 给出了这类测量可以测出的主要电路变 量图 4 C- V 测量得到的主要电气变量成功 C- V 测量的挑战C- V 测试配置的框图虽然看上去非常简单，但是这种测 试却具有一定的挑战一般而言，测试人员在下面几个方面会 遇到麻烦：●低电容测量（皮法和更小的值）●C- V 测试仪器与圆片器件的连接●漏电容（高 D）的测量●利用硬件和软件采集数据●参数提取克服这些挑战需要仔细注意所用的技术以及合适的硬件 和软件低电容测量。

如果 C 较小，那么 DUT 的交流响应电流就 较低，难以测量但是，在较高的频率下，DUT 阻抗将减小，从 而电流会增大，比较容易测量半导体电容通常非常低（低于 1pF），低于很多 LCR 表的测量范围即使那些声称能够测量 这些小电容值的测试仪可能也会由于说明书晦涩难懂而很难 判断最终的测量精度如果无法明确给出测试仪整个量程的 精度，那么用户需要因此而咨询制造商高 D（漏）电容半导体电容除了 C 值较低之外，还具有泄 漏的特点当与电容并联的等价电阻太低时就会出现这种情 况这会导致电阻性阻抗超过电容性阻抗，C 值被噪声所淹 没对于具有超薄栅氧层的器件，D 的值可能大于 5一般而 言，随着 D 的增大，电容测量的精度迅速下降，因此高 D 是实 际使用电容计的一个限制因素同样，较高的频率有助于解决 这一问题在较高的频率下，电容性阻抗较低，使得电容电流 较高，更容易进行测量C- V 测量的互连大多数测试环境下，DUT 都是圆片上的 一个测试结构：它通过探测器、探针卡适配器和开关矩阵连接 C- V 测试仪即使没有开关，仍然也会使用探测器和大量的连 线在较高的频率下，必须采用特殊的校正和补偿技术。

通常 情况下，这是通过组合使用开路、短路或者校准器件来实现 的由于硬件、布线和补偿技术非常复杂，因此经常与 C- V 测 试应用工程师进行交流是一个好的办法他们擅长使用各种 探测系统，克服各种互连问题获取有用的数据除了上述的精度问题，C- V 数据采集中 实际需要考虑的因素包括测试变量的仪器量程，参数提取软 件的多功能性和硬件的易用性一般而言，C- V 测试已仅限于 约 30V 和 10mA 直流偏压但是，很多应用，例如 LD MOS 结 构的特征分析、低 k 夹层电介质、MEMS 器件、有机 TFT 显示 器和光电二极管，需要在较高的电压或电流下进行测试对于 这些应用，需要单独的高压直流电源和电容计；高达 400V 的 差分直流偏压（0 到±400V）和高达 300mA 的电流输出是非常 有用的在 C- V 测试仪的 HI 和 LO 端加载差分直流偏压能够 更灵活地控制 DUT 内的电场，这对于新型器件的研究和建模 是非常有用的，例如纳米级元件仪用软件应该包括无需用户编程可直接使用的测试例 程这些应该适用于大多数广泛使用的器件工艺和测试技术， 即本文前三段中提及的有关内容有些研究者可能会对一些 不常见的测试感兴趣，例如对 MIM（金属 - 绝缘体 - 金属）型 电容进行 C- V 和 C- f 扫描，测量圆片上的互连小电容，或者对 双端纳米器件进行 C- V 扫描。

利用自动绘图功能能够方便的 实现参数提取（例如，如图 5 所示）2009 第 9 期 21P 专业测试 ro Te s ting 图 5 利用吉时利 4200- SCS 进行参数提取的实例表现了半导体的掺杂特征（左边的蓝线），它与 1/ C2 与 Vg 的关系呈倒数关系（红线）右图给出了掺杂分布，即每立 方厘米的载流子数与衬底深度的函数关系通常，人们都希望工程技术人员和研究人员在几乎没有任何仪器使用经验或培训的情况下就能够进行 C- V 测量具 有直观用户界面和简单易用特征的测试系统使得这一点成为 现实其中包括简单的测试配置、序列控制和数据分析否则， 用户在掌握系统方面就要比采集和使用数据花费更多的时 间对测试系统其它考虑因素包括：●紧密集成的源 - 测量单元、数字示波器和 C- V 表；●方便集成其他外部仪器；●基于探针的高分辨率和高精度测量 （直流偏压低至毫 伏级，电容测量低至飞法级）；●测试配置和库易于修改；●提供检测 / 故障诊断工具帮助用户确定系统是否正常 工作上接 19 页表 1 各个相位差的测量结果标准值 / 度04590135180225270315360实测值 / 度045.002790.0096134.9982180.0184225.0080270.0147314.9946360.0000误 差 / 度00.00270.00960.00180.01840.00800.01470.00540于 60dB 的被测信号。

表 1 给出了量化位数为 12，信噪比为 60dB，采样频率为 300KHz 时相位差从 0°- 360°部分值的测量结果从上表中可以得出，最大的误差为 0.0184°,因此本方法 具有很高的测量精度，完全可以满足工程中的应用为了验证该算法能够对动态相位差的测量，我们在计算 机上进行仿真试验，假设输入信号x1 (t)=sin (2 π*20e3* t) ，x2 (t)=sin (2 π*20e3* t/ 2 *sin (2*π*200*t)) 采样频率取 300K，用基于希尔伯特变换的相位 差测量方法得到的数据如图 5 所示图 5 x1 跟 x2 的相位差从图 5 可以看出：基于希尔伯特变换的相位差测量方法 测出的相位差为频率为 200Hz，幅度为 90°的信号，这与 x1 与 x2 的实际相位差相符合，因此，基于 Hilbert 变换的相位差测量 方法能够很好的对相位差进行实时的测量，而基于相关法，离散傅里叶法的相位差测量方法是无法对相位差进行动态测量 的这就是基于 Hilbert 变换的相位差测量方法的优势，该方法 随着计算机和信号处理等技术的进步，将会不断克服仪器设 计上的困难跟提高测量精度，该方法将是今后的主要研究方 向，更适用于智能检测仪器等现代化检测设备。

4 结束语本文提出了一种基于希尔伯特变换的相位差测量方法， 该方法先通过对检测信号做希尔伯特变换，然后对变换后的 信号运算后能得到只关于相位角的时间函数该方法与 A/D 量化位数，信噪比，采样频率有关该方法可以减少硬件，充分 利用测试系统中的数据采集系统和微型计算机，提高了测试 系统的可靠性和可维护性，具有很高的测量精度，在相位差动 态测量中具有良好的应用前景参考文献：[1] 宋长宝.一种基于 DFT 的相位差测量方法及误差分析[J].电 子对抗技术,2003,5.[2] 郑胜峰,楼梅燕.一种基于多重相关法的相位差测量方法[J]. 宇航计测,2008,28(5).[3] 王小权.基于最小二乘原理的相位测量算法[J].光电与控制,2007,14(3). [4] 胡广书.数字信号处理理论、算法与实现[M]北京:清华大学 出版社.基金项目：国家自然科学基金（10703004）资助项目22。