實驗22MOSFET的低頻CV特性測量分析

西安電子科技大學微電子學院實驗22MOSFET的低頻CV特性測量MOSFET的低頻CV特性測量就是通過對MOSFET的電容-電壓(C-V)特性測試，進而得出氧化層厚度、襯底摻雜濃度、氧化層電荷密度、耗盡層電荷密度以及閾值電壓等參數(shù)。CV測試被廣泛地應用在半導體參數(shù)的測量中，是一種能夠得到許多工藝參數(shù)的重要測試手段，能夠有效地評估工藝、材料及器件的性能。該方法是通過在柵極直流偏置條件下疊加小幅交流低頻信號后，MOSFET柵電容變化而發(fā)生變隨柵電壓化，由此得出電容電壓關系曲線，進而計算出各種工藝參數(shù)。具有原理簡單、操作方便和測量精度高等優(yōu)點。本實驗目的是熟悉電容精密LCR表、直流穩(wěn)壓電識體系。-電壓法測量MOSFET工藝和襯底參數(shù)的基本原理；學會源的使用方法；完善所學半導體物理、半導體工藝等理論知一、實驗原理1.MOSFET電容模型MOSFET中的電容與施加電壓可以通過上疊加幅度小得多的交流電壓進柵電壓從負值變到正值時，NMOS晶體管的能帶結構、電有關。柵極與襯底之間的電容取決于柵極上所施加的行測量。圖22.1給出了荷分布和等效電容模型。直流電壓，在直流電壓圖22.1柵電壓變化時NMOS結構的能帶圖、電荷分布和等效電容當襯底保持接地并在柵極施加負電壓時，NMOSFET結構的電容效應將使襯底靠近N更高的空穴積累，這種氧化層一側的表面開始存儲正電荷。該表面將有比受主濃度A情形稱為表面積累。在此條件下氧化層兩面的可動電荷能迅速響應施加電壓的變化，112第三篇半導體工藝檢測實驗NMOS器件就如同是一個厚度為t的平板電容器，采用C表示其值。OXOX當襯底保持接地并在柵極施加正電壓時，隨著柵極與襯底之間正電壓的增加，更多受主暴露于襯底靠近氧化層一側的表面，該表面附近的載流子被逐步耗盡，形成了電離受主離子在表面的積累，這就是所謂的表面耗盡。靜電分析表明NMOS器件的總電容是C和襯底中耗盡區(qū)電容C的串聯(lián)。OXd隨著柵電壓的進一步增加，NMOS結構中能帶將在氧化層與襯底界面處發(fā)生顯著彎曲。當耗盡區(qū)達到最大寬度x時，耗盡區(qū)中只剩下電離受主雜質離子。耗盡區(qū)遠離dmax氧化層一側的襯底中產生的載流子超了過復合區(qū)到達氧化層－硅界面。因此襯底總電荷就是這兩種靜電分析表明MOS器件總電容是串聯(lián)的氧化層電容、并聯(lián)的耗盡電容以及表面電荷電容C與耗盡電阻的串聯(lián)組合，所產生的電子通過電場掠過耗盡層勢壘電荷之和。這種情形稱為表面反型，。i2.MOSFET參數(shù)計算MOS晶體管柵極與襯底之間的電容的測量極為重要，可以通過電容的測量，計算出許多襯底及工藝參數(shù)，如襯底摻雜濃度N、平帶電壓V、氧化層電荷密度Q、耗subFBSS盡層電荷密度Q以及閾值電壓V等。bTH1.)氧化層厚度t：OX在表面積累情況下，MOS結構電容可視為平板電容器，可以表示為：rCA10ox/tOXpF8(22-1)0式中，A表示柵極區(qū)面積，單位為μm2；ε為真空介電常數(shù)，其值為8.854×10F/cm；ε-140r為SiO2的相對介電常數(shù)，其值為3.9；C是重累積時的被測電容，對應于V=V時OXGSDD的測量值。根據(jù)上式，可以求出t，其值為：OXrtA10OX/C3.45105A/Cox8μm(22-2)0ox2.)襯底雜質濃度N和費米勢Φ：subf根據(jù)半導體物理理論，襯底雜質濃度N和費米勢Φ可由下面兩個公式給出：subf2CN4108subfcm-3(22-3)(22-4)SminAqrSi0NNKTlnq0.0258*lnVsubsubnnfii式中，n是本征載流子濃度，單位為cm；費米勢的符號由溝道中摻雜的類型確定，N-3i型摻雜為正，P型摻雜為負，單位為V；C表示最小耗盡層電容，單位為pF；ε為硅Smin的相對介電常數(shù)，其值為11.9；q是電子電荷，其值為1.602×10rSi，單位為C；K是玻爾茲-19曼常數(shù)，其值為1.38×10式(22-3)和式(22-4)的聯(lián)立方程組沒有閉合解，通過給C賦初值反復迭代，最后得到N和φ值。這種方法計算復雜度較大，，單位為J/K；T是絕對溫度，單位為K。-23形式的解，可以使用計算機編程迭代求Sminsubf需要具有一定的數(shù)學功底和計算機編程能力才能順利地完成。為簡化實驗難度，通?？梢圆捎貌閳D表法完成襯底摻雜濃度的求解。113西安電子科技大學微電子學院根據(jù)半導體表面理論，在CV測試曲線上找出最小電容C，計算出最小電容和氧Smin化層電容的比值C/C，由歸一化極小電容C/C與氧化層厚度t的關系圖表，SminOXSminOXOX可查得襯底的摻雜濃度N，下圖給出了C/C、t與N之間的對應關系。subSminOXOXsub圖22.2CS/C、t與N之間的對應關系minOXOXsub3.)平帶電容C和平帶電壓V：FBFB壓使襯底一側形成了電離受主離子在表面的積累，此時柵電壓能夠克服柵極當柵電與襯底間的功函數(shù)差以及柵氧化層中的固定電荷引起襯底一側能帶的彎曲，使得界面處溝道一側能帶不再彎曲，稱為平帶狀態(tài)。此時的耗盡層電容稱為平帶條件下的耗盡層電容，記為C，可以表示為FBSC1042ApF(22-5)(22-6)0rSILFBSD式中，DL稱為德拜長度，其值為N2KT583Lcm0rSIq2NDsubsub帶入上式，則有C1042A2.561011AN(22-7)0rSIpFLFBSsubD此時，MOS器件柵極與襯底之間的總電容是C和C的串聯(lián)，記為平帶電容C，OXFBSFB114第三篇半導體工藝檢測實驗表示如下CCCOXFBSpF(22-8)CCOXFBFBS在測量的CV特性曲線中，C對應的電壓稱為平帶電壓，記為V，單位為V。FBFB平帶電壓可以采用插值的方法計算得出，方法是在CV特性曲線中，平帶電容CFB值附近，選取兩組測試坐標點（C，V），依據(jù)線性插值方法求出平帶電壓V。FB4.)柵氧化層電荷密度Q、耗盡層電荷密度Q和閾值電壓V：SSbTH由平帶狀態(tài)條件可知，平帶電壓包含功函數(shù)差和氧化層電荷兩AQ部分，可以表示為VV(22-9)SSC10FBms12OX式中Φ為柵極與襯底之間的功函數(shù)差，其值為0.5~0.6，單位為V；Q為柵氧化層中msSS固定電荷密度，單位為C/μm。所以，Q也可以表示為2SSQVC1012msC/μm2(22-10)FBASSOX根據(jù)半導體QqNA1041.691035NA物理知識，耗盡層電荷密度可以由下式描述C/μm2(22-11)sub0rSIsubCCSminbSmin其中，Q的符號由溝道中摻雜的類型確定，N型摻雜為V的含義是施加在柵極上的用于克服柵極與襯底間的TH勢和形成強反型層需要的兩倍電勢變化，由此，閾值電正，P型摻雜為負。b閾值電壓功函數(shù)差、氧化層電荷電勢、襯底中耗盡層電荷電壓可以表示為VVAQb2fV(22-12)CTHFBOX本實驗可以采用精密LCR表和直流偏執(zhí)電源，對MOS晶體管設置偏置回路，并在信號，通過變更直流偏置條件形成CV特性曲線。柵源之間施加小幅低頻測試二、實驗內容1.建立MOS管測試回路，對MOS晶體管的柵源電容進行低頻CV特性測量。2.根據(jù)測試結果，判斷晶體管溝道摻雜類型。3.計算出MOS晶體管工藝參數(shù)。4.繪制MOS晶體管C-V特性曲線。三、實驗步驟本實驗采用的CV測試系統(tǒng)包括：安捷倫精密LCR表、安捷倫耦合器、直流穩(wěn)壓115西安電子科技大學微電子學院電源和測試盒等。下圖為NMOS晶體管CV特性測試原理框圖。圖22.3NMOSCV特性測試原理框圖具體操作步驟如下：系統(tǒng)連接與交流信號設置：1.按上圖連接好測試系統(tǒng)，檢查并確保連接正確后，接通精密LCR表電源。2.在LCR表中MEASDISPLAY頁面區(qū)域填入如下字段，設置測量條件如下：1.)將光標移動到FREQ字段，并輸入1KHz，設定交流信號頻率。2.)將光標移動到LEVEL字段，并輸入0.5V，設置交流信號幅度。3.)將光標移動到MEASTIME字段，選擇MED，選擇單一數(shù)據(jù)測試快慢。4.)按MeasSetup鍵，將光標移動到AVG字段，用數(shù)字鍵輸入平均數(shù)（0~256），設置單一測試數(shù)據(jù)重復次數(shù)。電容測試誤差修正：測試系統(tǒng)回路存在儀器和線路的殘余電感和雜散電容，需要對測試回路分別進行開路修正和短路修正，具體操作如下。1.)開斷回路開關或拔下器件，使精密LCR表處于開路狀態(tài)2.)按MeasSetup鍵和CORRECTION功能鍵。3.)將光標移動到OPEN字段，切換“ON”態(tài)為“OFF”態(tài)，并按MEASOPEN功。能鍵。等待直到消息“OPENmeasurementinprogress”（“正在進行開路測量”）消失。4.)按ON功能鍵，啟動開路修正并保存在設備內。5.)將短路線連接到耦合器兩端或測試盒柵源兩端，設置短路條件。6.)將光標移動到SHORT字段，切換“ON”態(tài)為“OFF”態(tài)，并按MEASSHORT功能鍵。等待直到消息“SHORTmeasurementinprogress”（“正在進行短路測量”）消失。7.)按ON功能鍵，啟動短路修正并保存在設備內。測試步驟：1.修正完成后，將被測MOS器件連接到測試盒源端和柵端。2.接通直流偏置電源，按如下方式設置輸出偏壓。1.)按“Voltage/Current”鍵切換2.)按導航鍵切換至合適數(shù)據(jù)位置，旋轉電流電壓快速旋鈕設置初始輸入電壓為零或5V。至電壓模式。3.)按“off/on”按鈕開始進行電壓輸出。4.)當LCR表顯示電容器Cp值和D值（模值），電容值最大時，記錄測試數(shù)據(jù)。116第三篇半導體工藝檢測實驗5.)按“off/on”按鈕退出輸出模式，使電容充分放電；6.)按照測試步長，重新按“Voltage/Current”鍵切換至電壓模式，按導航鍵并旋轉電流電壓快速旋鈕設置下一電壓值；7.)待電壓源顯示穩(wěn)定后，按“Voltage/Current”鍵接入測試回路，測試該次電容值；8.)重復上述5.)、6.)和7.)步驟，即可完成多次測試。3.測試完畢后，關閉LCR表和直流電源，取下被測器件。四、數(shù)據(jù)處理和分析1.對給定MOS晶體管的柵源電容，進行低頻CV特性曲線的測量，直流電壓范圍-5V~+5V，取點不少于20個。2.根據(jù)測試結果，判斷晶體管類型。3.計算出氧化層厚度、襯底摻雜濃度、費米勢、氧化層電荷密度、耗盡層電荷密度以及閾值電壓等參數(shù)。4.繪制MOS晶體管C-V特性曲線。五、思考題1.影響氧化層電荷密度大小的因素有哪些。2.解釋MOS晶體管閾值電壓變化范圍較寬的原因。3.說明MOS器件類型與平帶電壓之間有什么關系？。六、注意問題1.