MOS结构CV特性测量及BT试验.docx
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MOS结构CV特性测量及BT试验
实验四MOS结构C-V特性测量及BT实验
1.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（简称土BT试验）进行Si/SiO：
界而研究，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，特別是硅-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。
2.实验原理
3.
图4-1HOS结构及其C-V特性
MOS结构如图la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而形成的空间电荷区有一立的厚度（在微米量级），而不象金属那样，只集中在一薄层（约）内。
半导体表而空间电荷区的厚度随外加偏压陀而改变，所以MOS电容C是微分电容。
（a）结构示意图
（4-1）
式中：
Q是金属电极上的电荷而密度；月是电极而积。
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：
②SiO：
层中没有电荷：
③SiO：
与半导体界面处不存在界而态。
偏压冷一部分降在SiO：
上，记为仏：
一部分降在半导体表面空间电荷区，记为仏，即：
VG=Vo+Vs（4-2）
%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:
|e.J=|eG|（4-3）
式中：
0S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=A^=A
dQG
（4-4）
式（4-4）表明MOS电容是©和Cs串联而成，其等效电路为图4-1的b所示。
其中8是以SiO：
为介质的氧化层电容，它的数值不随％改变，Cs是半导体表而空间电荷区电容，其数值随％改变。
因此，有：
（4-5）
（4-6）
式中：
f戸1（TF/id、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，Qs的大小主要由空间电荷区单位而积电量0s随表而势7s的变化而定。
P型硅的理想MOS结构髙频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d乃和最大电容之间有如下关系：
1
\+丄严吟KT居
氐心q・Nn；
式中：
再为Si衬底参杂浓度：
〜戸l（TF/n）,为半导体的相对介电常数：
KT（室温）=:
q二*1（TC,为电子荷电；nR10%in',为Si本征载流子浓度。
当母0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Vno显然，对于理想MOS结构，耳尸0。
此时，对应的电容称为平带电容，记为g对于给左的MOS结构，归一化平带电容有如下关系：
（4-8）
考虑实际的HOS结构，由于SiO：
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，两者功函数差记为入。
因此，仏也不为零。
若不考虑界而态，有下式：
（4-9）
图4-2铝柵P-SiMOS结构C-V特性
对于铝栅P-SiMOS结构，怡大于零，G也大于0（正电荷），所以V„利用正、负偏压温度处理方法（简称土BT处理），可将氧化层中可动电荷和固泄电荷区分开。
-BT处理是给样品加一眾的负偏压（即％<0）,同时将样品加热到一泄温度，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/SiO=界而运动；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/SiO=界而处，对平带电压没有影响，由式（4-9）可得：
（4-10）
式中：
Q是固龙电荷而密度。
若仏已知，则可确泄二氧化硅中固龙电荷而密度:
血（4-12）
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/SiO=界而附近。
所以沧中包含有固左电荷和可动电荷的影响。
可动电荷而密度为Q，有：
V顷"怦-性-匕尸性+f（4-14）
令△匕力=|"皿2一匕血|，并由（4-14）式可得可动电荷面密度：
cAV
0=（4-⑸
4.实验内容
采用髙频CW测试方法，以及正、负偏温（士BT）实验，测量MOS结构的CW特性曲线；并通过数值汁算得到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泄电荷的而密度。
5.实验仪器与样品
哈尔滨工业大学研制的髙频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。
计算机控制输出
图4-3髙频C-V特性测试系统示意图
巾卩匸
[to热控温装置
样品u
——w口载偏压装蓋
家功能探针台U
」朮冷却装置1
高频C■嘴性测试仪输入输岀
QQQ
另有MOS结构芯片样品若干片。
6.实验步骤
（-）C-V测试
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A1电极直径。
7.数据处理
1.截图及近似图
A1圆片直径为2mm°
2.由QW曲线1确立MOS结构芯片村底掺杂类型。
利用公式（4-5）和（4-7）讣算二氧化硅层厚度&，及衬底掺杂浓度M利用公式（4-8）汁算平带电容為：
由平带电容得到平带电压Vno利用公式（4-9）计算二氧化硅层中正电荷而密度
D.MOS结构芯片衬底掺杂类型为N型
Co=A£{}£r[},^0=F/m、％二,A=2•
由图像得Cmax=200pF,Cmin=50pF；
~cT
掺杂™35）Z（寻7警A盏矿
估算可得N二cmS
8.讨论丿
所测曲线及数据与理论是否相符，如不相符分析原因
1激励正压不断增加，电容没有岀现最大值，而是持续增加。
原因：
半导体表而态处于非平衡深耗尽状态，由于空间电荷区少子产生速度没有电压变化快,反型层来不及建立，为满足电中性条件，耗尽层延伸到半导体深处，产生大量电荷，由于电容和空间电荷区深度成反比，所以电容可以一直增加。
2图像比理论图像靠左。
原因：
SiO2绝缘层里存在电荷，产生电场，影响了空间电荷区的分布：
实验中其他存在误差的地方：
管里半导体不均匀，会有其他杂质造成影响：
2.由于MOS管通过导电底板与测量端相连，底板的电容特性会影响到实验结果；3。
测量仪器内部产生的误差。
9.实验思考与总结
通过实验，加深了对半导体表而理论的理解，特別是硅-二氧化硅系统性质，初步了解
了使用C-V方法测量MOS结构样品的多个参数。
改进意见：
1.更换仪器直流模块可以提高仪器直流特性，保持数据的稳左性。
也可以不
更换,但是需要测量每个数据阶段的直流偏移量，然后在实际数据的基础上去掉直流偏移量：
2.选择均匀的样品进行测量，在正式测量前可以先测各个样品的均匀度，选择其中最好的一个进行实验。
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