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。它可以方便地确定二氧化硅层厚度dOX、衬底掺杂浓度N、氧化层中可动电荷面密度QI和固定电荷面密度Qfc等参数。

    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dOX、衬底掺杂浓度N和可动电荷面密度QI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

a.MOS结构示意图          b.等效电路      图1.2  p-Si MOS结构C-V特性

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（∽0．1nm）内。半导体表面空间电荷区的厚度随偏压VG而改变，所以

                                 （1）

式中QG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）SiO2绝缘层内没有电荷，（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，记作VOX，一部分降在半导体表面空间电荷区，记作VS，即

VG=VOX+VS                               （2）

VS又叫表面势。考虑到

                                  （3）

 

式中Qsc是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将（2）、（3）代入（1）式，

         （4）

（4）式表明MOS电容由COX和Cs串联而成，其等效电路如图1.1（b）所示。其中COX是以SiO2为介质的氧化层电容，它的数值不随改变；Cs是半导体表面空间电荷区电容，其数值随VG改变，因此

                           （5）

式中εr0是SiO2相对介电常数。

P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Cmax≈COX，最小电容Cmin和最大电容Cmax之间有如下关系

                  （6）

VS=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，记为CFB。对于给定的MOS结构，归一化平带电容由下式给出：

                            （7）

 

显然，对于理想MOS结构，VFB=0。

考虑实际的MOS结构。由于SiO2中总是存在电荷（通常是正电荷），且金属的功函数Wm和半导体的功函数Ws通常并不相等，所以 VFB一般不为零。若不考虑界面态的影响，有

                               （8）

式中QOX是SiO2中电荷的等效面密度，它包括可动电荷QI和固定电荷Qfc二部分。“等效”是指把SiO2中随机分布的电荷对VFB的影响看成是集中在Si-SiO2界面处的电荷对VFB的影响。Vm-s是金属-半导体接触电势差，

                                      （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，Vm-s>0, QOX通常也>0(正电荷),所以VFB<0,如图1.3中的曲线所示.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±BT处理）可将可动电荷QI和固定电荷Qfc区分开来。负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 - SiO2界面运动.经过一定的时间,可以认为SiO2中的可动电荷基本上全部运动到金属 - SiO2界面处保持偏压不变，将样品冷却至室温，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- SiO2界面处，对平带电压没有影响了，根据（8）式可得

                     （10）

若Vms已知，由式（10）可以确定SiO2中的固定电荷

            （11）

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 - SiO2界面处，所以VFB3中包括了QI和Qfc的影响。根据（8）和（10）式

             

                     （12）

令     

由式（12）可确定可动电荷面密度

                          （13）

二、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

                         

 图2.1    实验仪器示意图

 

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dOX、衬底掺杂浓度N和可动电荷面密度QI等参数。

四、实验步骤

主要包括七个步骤:

²      打开各仪器的电源,预热10分钟;

²      启动Metrics-ICS

²        设置IEEE-488(Setup GPIB)

²      设置测试仪器(Select Instrument)

²      设置测试条件(Edit test setup)

²      设置计算公式（如果有间接测量结果Transform editor）

²      执行测试(Measure)

²      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:

u      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）

四、实验数据处理

1、由初始C-V曲线，可获得Cmax和Cmin。利用式（5）和（6）可求出氧化层厚度

   dox和衬底掺杂浓度N；

2、利用（7）式求出CFB；

3、由实验曲线确定VFB2、VFB3和ΔVFB；

4、计算求出Vms；

5、利用式（11）和（13）分别求出Qfc和QI

6、如果Qfc和QI较大（1011cm2量级或更大），分析一下原因（如Si片清洗不干净，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.