MOS结构CV特性测量及BT试验.docx

1、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4-1 HOS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

2、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：金属-半导体间的功函数差为零：SiO： 层中没有电荷：SiO：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

3、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 = AdQG(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

4、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 qN n；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

5、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-Si MOS结构C-V特性对于铝栅P-Si MOS结构，怡大于零，G也大于0 （正电荷），所以V Oe如图4-2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

6、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：c AV0 = （4-4.实验内容采用髙频CW测试方法，以及正、负偏

7、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 uw 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Q Q Q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

8、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2mm2.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

9、7警A盏矿估算可得N二cmS8.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。