实验五 三角波电压扫描法测SiO₂层中可动离子密度

SiO₂中的可动离子沾污是硅器件特别是MOS器件性能不稳定的重要因素之一。最常用的检测可动离子沾污的电学测量方法是温偏C－V法（BTCV法）和三角波电压扫描电压法（TVS法）。温偏C－V法存在下述不足：1）因MOS电容等效于氧化层电容与半导体空间电荷区电容（和半导体—氧化层界面态电容并联）的串联，对厚氧化层样品或衬底掺杂浓度高的样品，MOS电容值随偏压的变化很小，这使测量受到限制；2）BTC-V法用平带电压的变化确定可动离子的浓度，而温偏处理后不能确定界面态和陷阱及其填充情况是否发生变化，也不能确定界面固定正电荷是否发生变化。如果它们中有所变化，将对平带电压作出贡献，这样会影响可动离子浓度的准确性。3）BTC-V法测量的是可动离子的总数，不能区别它们的种类，在没有其它手段配合时，甚至不能区别可动离子的符号。TVS法没有上述限制，测量结果比较精确，能把Na⁺、K⁺沾污区分开来。但TVS法也有其不足：因测量的位移电流在10^-10～10^-12A数量级，因此，对MOS电容制作工艺要求较高，否则位移电流（有用信号）将被漏电流所湮没；其次，测量易受干扰，还需保持样品的恒温。为此要对电炉进行必要的电磁屏蔽，最好能用稳定的直流电流加热。

实验目的是通过TVS法检测SiO₂层中可动离子密度，掌握测量原理和数据处理的方法。

一、实 验 原 理

图（1）表示一MOS结构。设氧化层中离Si-SiO₂界面x处有极性为正的片电荷ΔQ，则金属电极和半导体表面将分别感应负极性的电荷ΔQ_m和ΔQ_s。本实验中MOS样品被加热到200^oC左右，这时半导体衬底已变为本征型，具有半金属行为，因此，ΔQ电荷不会使半导体表面出现耗尽状态，感应电荷和金属中一样分布在表面薄层内，半导体是等位体。根据电中性原理有

ΔQ=/ΔQ_m+ΔQ_s / （1）

这些电荷将在氧化层产生电场E_m和E_s。根据高斯定理

E_m =ΔQ_m /ε₀ε_r0A （2）

E_m =ΔQ_s /ε₀ε_r0A （3）

式中ε₀为真空介电常数，ε_0R为SiO₂的相对介电常数，A为MOS结构截面积（金属电极的面积）。设取片电荷ΔQ所在处的电位为零，则金属电极和半导体的电位分别为

（4） 图1 有正片电荷时的MOS结构

（5）

l为氧化层厚度。此时对MOS结构不加任何外场，则金属电极与衬底间的电位差V=V_m-V_s应等于零。

将式（4）、（5）代入V=V_m-V_s=0，并利用）式（1）得

ΔQ_m（l-X）=ΔQ_sx （6）

（7）

由于SiO₂层中的可动离子是连续分布的，设其分布函数为ρ（x），则离Si - SiO₂中面为x处dx薄层中的可动离子电荷dQ可视为片电荷

dQ=Aρ（x）dx

它在金属电极上引起的感应电荷为

氧化层中所有可动离子在金属电极上的感应电荷Qm为

(8)

氧化层中可动离子电荷Q为

（9）

如果对处于高温下的MOS电容施加偏压V,则氧化层的可动电荷将发生迁移,其密度分布函数ρ（x）将随时间t、偏压V变化，即ρ为x、V及t的函数ρ（x，V，t）。由于ρ随时间变化，由式（8）可见，/ΔQ_m /也将发生变化。即在外电路中引起电流

（10）

j_I是因氧化层中离子电荷运动引起的位移电流，称为离子电流。

如果给MOS结构施加的偏压V是三角波扫描电压V=Rt，R为扫描速率，则ρ（x，V，t）可表示成ρ[x，V（t），t]，从而

故（10）式可写成

（11）

如偏压扫描速率足够慢，达到所谓准静态条件，即相应于每一电压值V，有一稳定的ρ值，上式可以简化。因为此时电荷密度仅是电压V的函数，即ρ（x，V），而有

因此式（11）变为

（12）

通过（12）式中j_I-ρ的联系，由j_I的测定可得到ρ。

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

在本征激发温度下，用三角波电压作准静态扫描，测量MOS电容样品的j-V曲线，获得可动离子面密度N。

四、实验步骤

主要包括十个步骤:

² 打开各仪器的电源,预热10分钟;

² 将待测样品加热至所需温度（稳定在200-250^OC之间某一温度处）；

² 启动Metrics-ICS

² 设置IEEE-488(Setup GPIB)

² 设置测试仪器(Select Instrument)

² 加载STVS库

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）和分析库常数

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）

(一) 打开各仪器的电源,预热10分钟;

（二）将待测样品加热至所需温度（稳定在200-250^OC之间某一温

度处）；

（三）启动Metrics-ICS:

图4.1 Metrics-ICS窗口

(四)设置IEEE-488(Setup GPIB)： 图4.2这个对话框设置计算机 内的IEEE-488板卡的属性，如果是第一次运行Metrics-ICS、或对IEEE-488板卡硬件如地址等属性作了修改，必须填写这个对话框。在以后的测试过程

图4.2 设置IEEE-488板卡 中，就不需要再做这一步了， 而

是直接从设置测试仪器开始。

(五)设置测试仪器(Select Instrument): 设置测试仪器不是指加多少电压啦、在哪里测电流啦等等诸如此类的东西，而是指计算机要对哪台仪器说话（GPIB）、说什么话（UNIT）。在知道这些信息之前是谈不上加电压测电流或加电流测电压.

图4.3 设置测试仪器

（六）加载STVS库

(七)设置测试条件(Edit test setup):

(1)点击”New”为测试项目命名为SIM_CV:

图4.4 为测试项目命名

(2)点击”Device”选择测试器件:

图4.5 选择测试器件

(3)设置器件端口:

(3.1)设置输入端:

”Source Unite” → “Source Units” → “590.IN” → “G”

(3.2)设置输出端:

“590.OUT” → “B” →

“Done”

图4.6 设置待测器件端口

(4)设置测试条件:点击”OUT”,在弹出菜单中(如图4.7)设置扫描范围内、扫描步长、延迟时间等参数,完成后点击图4.6主窗口中的”DONE”.

图4.7 设置测试条件

(八)设置计算公式（如果有间接测量结果Transform editor）:

(1) 在”Tranform”中输入计算公式

(2) 存盘:”Save”

(3) 完成:”Done”

(九)执行测试(Measure):

图4.8 测试

(十)图表分析、文件存档和打印:

(1) 计算结果列表(Data review):

图4.9

(2) 画图(Creat Plot):

图4.10 设置窗口

(3) 文件存档(Save Project):

(4) 打印(Print):

四、实验数据处理

根据定标确定记录纸上单位面积代表的伏安数，计算离子电流j_I扫过的面积S，应用自编程序，计算出N。

五、思考题

1、如氧化层中存在某种可动离子，其离子电流峰值情况如何？

2、如测试时样品温度未达本征激发温度，将有怎样的实验结果？