实验22 MOSFET的低频CV特性测量

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1、第三篇半导体工艺检测实验实验22MOSFET的低频CV特性测量MOSFET的低频CV特性测量就是通过对MOSFET的电容-电压(C-V)特性测试，进而得出氧化层厚度、衬底掺杂浓度、氧化层电荷密度、耗尽层电荷密度以及阈值电压等参数。CV测试被广泛地应用在半导体参数的测量中，是一种能够得到许多工艺参数的重要测试手段，能够有效地评估工艺、材料及器件的性能。该方法是通过在栅极直流偏置条件下叠加小幅交流低频信号后，MOSFET栅电容随栅电压变化而发生变化，由此得出电容电压关系曲线，进而计算出各种工艺参数。具有原理简单、操作方便和测量精度高等优点。本实验目的是熟悉电容-电压法

2、测量MOSFET工艺和衬底参数的基本原理；学会精密LCR表、直流稳压电源的使用方法；完善所学半导体物理、半导体工艺等理论知识体系。一、实验原理1.MOSFET电容模型MOSFET中的电容与施加电压有关。栅极与衬底之间的电容取决于栅极上所施加的直流电压，可以通过在直流电压上叠加幅度小得多的交流电压进行测量。图22.1给出了栅电压从负值变到正值时，NMOS晶体管的能带结构、电荷分布和等效电容模型。图22.1栅电压变化时NMOS结构的能带图、电荷分布和等效电容当衬底保持接地并在栅极施加负电压时，NMOSFET结构的电容效应将使衬底靠近氧化层一侧的表面开始存储正电荷。该表

3、面将有比受主浓度NA更高的空穴积累，这种情形称为表面积累。在此条件下氧化层两面的可动电荷能迅速响应施加电压的变化，117第三篇半导体工艺检测实验NMOS器件就如同是一个厚度为tOX的平板电容器，采用COX表示其值。当衬底保持接地并在栅极施加正电压时，随着栅极与衬底之间正电压的增加，更多受主暴露于衬底靠近氧化层一侧的表面，该表面附近的载流子被逐步耗尽，形成了电离受主离子在表面的积累，这就是所谓的表面耗尽。静电分析表明NMOS器件的总电容是COX和衬底中耗尽区电容Cd的串联。随着栅电压的进一步增加，NMOS结构中能带将在氧化层与衬底界面处发生显著弯曲。当耗尽区达到最大

4、宽度xdmax时，耗尽区中只剩下电离受主杂质离子。耗尽区远离氧化层一侧的衬底中产生的载流子超过了复合，所产生的电子通过电场掠过耗尽层势垒区到达氧化层－硅界面。因此衬底总电荷就是这两种电荷之和。这种情形称为表面反型，静电分析表明MOS器件总电容是串联的氧化层电容、并联的耗尽电容以及表面电荷电容Ci与耗尽电阻的串联组合。2.MOSFET参数计算MOS晶体管栅极与衬底之间的电容的测量极为重要，可以通过电容的测量，计算出许多衬底及工艺参数，如衬底掺杂浓度Nsub、平带电压VFB、氧化层电荷密度QSS、耗尽层电荷密度Qb以及阈值电压VTH等。1.)氧化层厚度tOX：在表面积

5、累情况下，MOS结构电容可视为平板电容器，可以表示为：pF(22-1)式中，A表示栅极区面积，单位为μm2；ε0为真空介电常数，其值为8.854×10-14F/cm；εr为SiO2的相对介电常数，其值为3.9；COX是重累积时的被测电容，对应于VGS=VDD时的测量值。根据上式，可以求出tOX，其值为：μm(22-2)2.)衬底杂质浓度Nsub和费米势Φf：根据半导体物理理论，衬底杂质浓度Nsub和费米势Φf可由下面两个公式给出：cm-3(22-3)V(22-4)式中，ni是本征载流子浓度，单位为cm-3；费米势的符号由沟道中掺杂的类型确定，N型掺杂为正，P型掺杂

6、为负，单位为V；CSmin表示最小耗尽层电容，单位为pF；εrSi为硅的相对介电常数，其值为11.9；q是电子电荷，其值为1.602×10-19，单位为C；K是玻尔兹曼常数，其值为1.38×10-23，单位为J/K；T是绝对温度，单位为K。式(22-3)和式(22-4)的联立方程组没有闭合形式的解，可以使用计算机编程迭代求解，通过给CSmin赋初值反复迭代，最后得到Nsub和φf值。这种方法计算复杂度较大，需要具有一定的数学功底和计算机编程能力才能顺利地完成。为简化实验难度，通常可以采用查图表法完成衬底掺杂浓度的求解。117第三篇半导体工艺检测实验根据半导体表面理

7、论，在CV测试曲线上找出最小电容CSmin，计算出最小电容和氧化层电容的比值CSmin/COX，由归一化极小电容CSmin/COX与氧化层厚度tOX的关系图表，可查得衬底的掺杂浓度Nsub，下图给出了CSmin/COX、tOX与Nsub之间的对应关系。图22.2CSmin/COX、tOX与Nsub之间的对应关系3.)平带电容CFB和平带电压VFB：当栅电压使衬底一侧形成了电离受主离子在表面的积累，此时栅电压能够克服栅极与衬底间的功函数差以及栅氧化层中的固定电荷引起衬底一侧能带的弯曲，使得界面处沟道一侧能带不再弯曲，称为平带状态。此时的耗尽层电容称为平带条件下的耗尽

8、层电容，记