实验指导书3.docx

实验三 MOS 结构高频 C－V 特性测试分析MOS结构高频电容-电压特性(简称C-V特性)测量是检测MOS器件制造工 艺的重要手段本实验目的是通过测量 MOS 结构高频 C-V 特性，确定二氧化硅层厚度 d 、 OX 衬底掺杂浓度 N 等参数．一、实 验 原 理MOS 结构如图 1.1 所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器但是图1.2 p-Si MOS结构C-V特性a.MOS结构示意图 b.等效电路图 1.1 MOS 结构示意图和等效电路，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)，而不象金属中那样，只集中在一薄层 (so. gm)内半导体表面空间电荷区的厚度随偏压V而改变，所以GdQC = A GdVG(1)式中Q是金属电极上的电荷面密度，A是电极面积考虑理想MOS结构，所谓理G想情形，是假设MOS结构满足以下条件：(1)金属与半导体功函数差为零，(2)SiO绝缘层内没有电荷，(3) SiO与半导体界面处不存在界面态偏压V —部分2 2 G 降在SiO上，记作V , —部分降在半导体表面空间电荷区，记作V，即2 OXV=V +VS( 2)V 又叫表面势。

考虑到SG OX SQ = Qsc G3)式中 Q 是半导体表面空间电荷区电荷面密度将(2)、(3)代入(1)式，scdQ dQ 1 C CC = A 丁 = A g = = ox—s—dV dV + dV 1 1 C + CG OX s + OX sCCOX s( 4 )(4)式表明MOS电容由C和C串联而成，其等效电路如图1.1 (b)所示其中 OX sC是以SiO为介质的氧化层电容，它的数值不随改变；C是半导体表面空间电荷OX 2 s区电容，其数值随V改变，因此GCOXdVG8 8=A ~0_dOXdQCs = A sc_dVs5)式中e是SiO相对介电常数r0 2P型衬底理想MOS结构高频电容-电压特性曲线如图1.2所示图中V代表偏压最大电容C -C，最小电容C和最大电容C之间有如下关系max OX min maxmin8kT 8 8f N ]1 + 询0 rs ln18dq2N(n.丿max12iOXrs6)V=0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, S记为 C 对于给定的 MOS 结构，归一化平带电容由下式给出：FBC—FBCox81 + —r°-8drs OXkT 8 8 2 0 I q 2N 丿7)显然，对于理想 MOS 结构， V=0。

FB考虑实际的MOS结构由于SiO中总是存在电荷(通常是正电荷)，且金属2的功函数W和半导体的功函数W通常并不相等，所以V —般不为零若不考 虑界面态的影响，有 S FBAqQV = - * - VFB C msox( 8 ) 式中 Q 是 SiO 中电荷的等效面密度，它包OX 2括可动电荷 Q 和固定电荷 Q 二部分等 效”是指把SiO中随机分布的电荷对v的2 FB影响看成是集中在 Si-SiO 界面处的电荷对2V 的影响 V 是金属-半导体接触电势差，FB m-sms(9) 图1.3 p-Si MOS结构的高频C-V特性对于铝栅p型Si MOS结构，V >0, m-sQ通常也>0(正电荷)，所以V <0,如图1.3中OX FB的曲线所示.作为对比,图中还化出了相应的理想曲线（曲线 0）.利用正、负偏压温度处理的方法（简称圮T处理）可将可动电荷Q和固定电I荷 Q 区分开来负 BT 处理是给样品加一定的负偏压（即 V<0） ,同时将样品加热 fc G到一定的温度.由于可动电荷（主要是带正电的Na+离子）在高温下有较大的迁移率,它们将在高温负偏压下向金属 - SiO 界面运动. 经过一定的时间,可以认为 SiO22 中的可动电荷基本上全部运动到金属 -SiO 界面处保持偏压不变，将样品冷却至 2室温，然后去掉偏压，测量高频C-V特性，得到图3中的曲线2。

由于这时可动电荷已经全部集中到金属-SiO界面处，对平带电压没有影响了，根据（8）式可2Q = QOX fcAqQ10)V = - l — v FB 2 C ms OX若 V 已知，由式（10）可以确定 SiO 中的固定电荷msQfc■OX■FB^-Aq11)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Si - SiO界面处，所以V中包括了 Q和Q的影响根据（8）和（10）式2 FB3 I fcfcOXFB 3AqQAqQfc—VmsOXOX—VFB由式（12）可确定可动电荷面密度FB 2FB 3AqQOXFB 212)图 2.1 实验仪器示意图■FBAV■OXAq（13）实验仪器1、 测试台（包括样品台、探针、升温和控温装置、水冷却装置等）；2、 590型高频C-V测试仪；3、 软件；4、 微机三、实验内容测量MOS结构高频C-V特性，确定二氧化硅层厚度d、衬底掺杂浓度N和可OX 动电荷面密度 Q 等参数I 四、实验步骤主要包括七个步骤:◊打开各仪器的电源，预热10分钟；◊启动 Metrics-ICS◊ 设置 IEEE-488(Setup GPIB)◊设置测试仪器(Select Instrument)◊设置测试条件(Edit test setup)◊设置计算公式(如果有间接测量结果Transform editor)◊ 执行测试 (Measure)◊ 图表分析、文件存档和打印以下将给出包括直观性较强的界面在内的详细操作步骤:♦人、机安全注意事项A、 操作之前，请注意将机器正确接地；B、 检修之前，请注意按操作手册将C-V测试仪与电源线及其它设备断开；C、 在测试仪器工作时，禁止触摸仪器的端口。

详细安全信息请详细阅读操作手册)(一)打开各仪器的电源，预热10分钟；（二）启动 Metrics-ICS:图 4.1 Metrics—ICS 窗口图 4.2 设置 IEEE-488 板卡(二)设置 IEEE-488(Setup ㈣GPIB)： 图4.2这个对话框 设置计算机内的IEEE-488板卡的属性，如果是第一次运行Metrics-ICS、或对IEEE-488板卡硬件如地址等属性作了修改，必须填写这个对话框在 以 后 的 测 试 过 程 中 ， 就不需要再做这一步了，而是直 接从设置测试仪器开始三)设置测试仪器(Select Instrument): 设置测试仪器不是指加多少 号需:?浮|电压啦、在哪里测电流啦等等诸如此类的东西，而是指计算机要对哪台仪器说话 (GPIB)、说什么话(UNIT)在知道这些信息之前是谈不上加电压测电流或加电流测电压 .图 4.3 设置测试仪器(四)设置测试条件(Edit test setup): 些⑴点击〃 New 〃为测试项目命名为SIM_CV:图 4.4 为测试项目命名(2)点击〃 Device 〃选择测试器件:图 4.5 选择测试器件(3)设置器件端口:(3.1)设置输入端:”Source Unite”“SourceUnits”“590.IN” -“G”(3.2)设置输出端:“590.OUT” - “B” -“ Done ”图 4.6 设置待测器件端口⑷设置测试条件:点击〃 OUT”,在弹出菜单中(如图4.7)设置扫描范围内、扫描步长、延迟时间等参数,完成后点击图 4.6 主窗口中的”DONE”.图 4.7 设置测试条件(五)设置计算公式(如果有间接测量结果Transform editor) :(1) 在〃Tranform”中输入计算公式(2) 存盘:”Save”(3)完成:”Done”(六)执行测试(Measure):(七)图表分析、文件存档和打印：⑴计算结果列表(Data review): * |图 4.9⑵画图(Creat Plot):图 4.10 设置窗口⑶文件存档（Save Project）:⑷打印（Print）:四、实验数据处理1、 由初始C-V曲线，可获得C和C。

利用式（5）和（6）可求出氧化层厚度max mind 和衬底掺杂浓度 N；ox2、 利用（7）式求出 C ；FB3、 由实验曲线确定V、V和AV ；FB2 FB3 FB4、 计算求出 V ；ms5、 利用式（11）和（13）分别求出Q和Qfc I6、 如果Q和Q较大（10ncm2量级或更大），分析一下原因（如Si片清洗不干净,fc I氧化系统有沾污等），进而提出改进措施；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.。