MOS结构C-V特性测量及BT试验

实验四实验四 MOS MOS 结构结构 C-VC-V 特性测量及特性测量及 BTBT 实验实验 一一. . 实验目的与意义实验目的与意义 对 MOS 结构测量其高频电压-电容（C-V）曲线，以及利用正、负偏压温度处理方法（简 称BT 试验）进行 Si/SiO2界面研究，可以获得 MOS 结构的多个参数二氧化硅层的厚度， 衬底硅掺杂类型、浓度，以及二氧化硅层中可动电荷与固定电荷密度。 通过实验全过程的操作及数据处理， 使学生加深对所学“固态电子论”中半导体表面理 论的理解，特别是硅-二氧化硅系统性质的理解。掌握用C-V 方法测量 MOS 结构样品的多个 参数。 二二. . 实验原理实验原理 MOS 结构如图 1a 所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。 但是由于半导体中的 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 （在微米量级） ，而不象金属那样，只集中在一薄层（约 0.1nm ）内。半导体表面空间电 荷区的厚度随外加偏压VG而改变，所以 MOS 电容C是微分电容。 a 结构示意图 b 等效电路 c p-SiMOS 理想 C-V 曲线 图 4-1 MOS 结构及其 C-V 特性 C  A dQ G dv G （4-1） 式中 QG是金属电极上的电荷面密度；A是电极面积。 理想情形可假设 MOS 结构满足下列条件① 金属-半导体间的功函数差为零；② SiO2 层中没有电荷； ③ SiO2与半导体界面处不存在界面态。 偏压VG一部分降在 SiO2上， 记为Vo； 一部分降在半导体表面空间电荷区，记为Vs，即 V G Vo V S 4-2 Vs又称为表面势。考虑到半导体空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号 相反，有 Q s  Q G 4-3 式中Qs为半导体表面空间电荷区电荷面密度。 将（4-2） 、 （4-3）代入（4-1）式，有 C O C S dQ G dQ GC  A A （4-4） dV G dV O  dV S C O C S 式（4-4）表明 MOS 电容是C0和Cs串联而成，其等效电路为图 4-1 的 b 所示。其中Co 是以 SiO2为介质的氧化层电容，它的数值不随VG改变，Cs是半导体表面空间电荷区电容， 其数值随VG改变。因此，有 C O  A  0r0 d 0 （4-5） C S  A dQ S （4-6） dV S 式中ε08.86*10-12 F/m、εr0 3.9*10-12 F/m 分别为真空介电常数和二氧化硅相对介 电常数。 由式（4-6）看，Cs的大小主要由空间电荷区单位面积电量Qs随表面势Vs的变化而 定。 P 型硅的理想 MOS 结构高频 C-V 特性曲线如图 1 的 c 所示，V 轴表示外加偏压，C 轴是 电容值。最大电容CmaxCo，最小电容Cmin和最大电容Cmax之间有如下关系 C min C max 1 1  ro 4 OrS KTN Ln 2 rsd0 q Nn i 1 2 4-7 式中N为 Si 衬底参杂浓度；εrs11.7*10-12 F/m，为半导体的相对介电常数； KT（室 温）0.0259eV； q1.6*10-19 C，为电子荷电；ni1.45*1010/cm3，为 Si 本征载流子浓度。 当Vs0 时，半导体表面能带平直，称为平带。平带时，对应的偏压称为平带电压，记 为 VFB。显然，对于理想 MOS 结构，VFB0。此时，对应的电容称为平带电容，记为 CFB。 对于给定的 MOS 结构，归一化平带电容有如下关系 C FB C O 1 （4-8） 1 KT ORS 21 ro  rs d 0 q2N 考虑实际的 MOS 结构，由于 SiO2中总是存在电荷（通常都为正电荷） ，且金属-半导体 接触的功函数并不相等，两者功函数差记为 Vms。因此，VFB也不为零。若不考虑界面态， 有下式 V FB   AqQ 0V ms （4-9） C 0 C 312 0 CFB 图 4-2 铝栅 P-Si MOS 结构 C-V 特性 V 对于铝栅 p-Si MOSV结构，V大于零，Q 也大于 0（正电荷） ，所以 VFB﹤0。如图 4-2 ms0 FB3 VFB VFB2 所示，曲线 1 是在常温下测量的，曲线0 为理想 MOS 结构曲线。利用正、 负偏压温度处理方 法（简称BT 处理） ，可将氧化层中可动电荷和固定电荷区分开。-BT 处理是给样品加一定 的负偏压（即 VG﹤0） ，同时将样品加热到一定温度，由于可动电荷（主要为钠离子）在高 温下有较大的迁移率，在负偏压下将向Al/SiO2界面运动；然后，保持偏压不变，将样品自 然冷却到室温；最后，去掉偏压，测C-V 特性，得到图2 中的曲线 2。此时，可动电荷都迁 移到 Al/ SiO2界面处，对平带电压没有影响，由式（4-9）可得 Q 0  Q f （4-10） V FB2  AqQ f C 0 V ms （4-11） 式中Qf是固定电荷面密度。若Vms已知，则可确定二氧化硅中固定电荷面密度 Q f  C O V ms V FB2 （4-12） Aq 改变偏压极性，作BT 处理，加热时间和-BT 相同。与-BT 同样测量 C-V 特性，将得到 图 2 中的曲线 3。由于这时可动电荷基本上都移到Si/SiO2界面附近。所以VFB中包含有固 定电荷和可动电荷的影响。可动电荷面密度为QI，有 Q 0  Q I  Q f （4-13） V FB3   AgQ I AgQ I AgQ f V FB 4-14Vms- C O C O C O 令VFB VFB2VFB3，并由4-14式可得可动电荷面密度 Q I  C O V FB 4-15 Aq 三三. . 实验内容实验内容 采用高频C-V测试方法， 以及正、 负偏温 （BT） 实验， 测量 MOS 结构的C-V特性曲线； 并通过数值计算得到 MOS 结构样品的多个特性参数 衬底硅掺杂类型、浓度，二氧化硅层的 厚度，以及二氧化硅层中可动电荷与固定电荷的面密度。 四四. . 实验仪器与样品实验仪器与样品 哈尔滨工业大学研制的高频 C-V 特性测试仪，计算机控制系统，打印机， 【-具有偏压、 加热控温装置的多功能探针台，显微镜。高频C-V 特性测试系统如图 4-3 所示。 图 4-3 高频 C-V 特性测试系统示意图 另有 MOS 结构芯片样品若干片。 五五. . 实验步骤实验步骤 （一）C-V 测试 准备准备 如图 4-4 所示，连接探针台、C-V 特性测试仪及计算机。开计算机进入C-V 测试 状态。 测量测量 将样片放在探针台上接好，进行测试，打印测试结果；在显微镜下测量被测MOS 结构 Al 电极直径。 六六. . 数据处理数据处理 1.截图及近似图 Al 圆片直径为 2mm。 2.由C-V曲线 1 确定 MOS 结构芯片衬底掺杂类型。利用公式（ 4-5）和（4-7）计算二氧化硅 层厚