实验九  BTC-V 法测量SiO 2层中可动离子密度和固定电荷密度
1．  实验目的
学习用BTC-V 法测量MOS 结构SiO 2层中的固定电荷和可动离子电荷的密度。
2．  实验内容
测量样品原始高频C-V 特性曲线后，进行负BT 处理。测量C-V 曲线，然后进行正温偏处理并测出其C-V 曲线。用计算机计算可动离子电荷密度N m 和固定电荷密度N f 。
3．  实验原理
⑴ 高频C-V 特性的测量原理
BTC-V 法是偏压=温度处理和高频C-V 特性测试相结合的实验方法。所谓高频C-V 特性是指在MOS 结构样品的直流偏压上再叠加一个幅度较小的高频交流信号的情况下，MOS 结构的电容C 和和其直流偏压V G 之间的关系。
高频C-V 特性的测量可以采用高频Q 表法和高频电桥法，但是目前常用的高频C-V 特性测量一般是利用下述的小电容C 、R 串联分压的原理进行测量。
图1给出了高频C-V 特性测试原理的方框图。其中1MHZ 振荡器是一个低内阻的正弦
波高频信号发生器。其高频信号加在被测MOS 电容C 和接收机输入阻抗R （一般为50Ω）上。因此，高频信号V 被C 和R 两个元件分压。R 两端的电压V R 实际上就含有了C 值的信息。根据电路原理可得 ()()1122C R R
V V R ω+⋅=
式中，ω为高频信号的圆频率。在一般情况下，MOS 电容的电容量不会超过200PF ，假如C=200PF ，则所对应的最小容抗为800Ω。于是在C 的测量范围内总能够满足R C >>1的条件，这样（1）式就变为 ()2CR
V V R ω≈ 由于振荡器可以保持恒定的电压输出，V 可以认为是常数，同时采用石英晶体振荡器频率是稳定的，ω也可以认为是常数。于是有 ()3C
V R ∝ 因此，V R 经过线性放大和检波后，就可以通过PF 表直接显示出被测电容C 的数值。 图中的自动偏压发生器是一个扫描速率可以调节的锯齿波发生器。经过零点位移电位器调整后，其一端加在MOS 电容上作直流偏压，另一端接到指示电压的电表。将检波器输出端和自动偏压发生器输出端分别接X-Y 函数记录仪的Y 和X 输入端，调整好记录仪的灵
敏度后，即可描绘出MOS 电容的C-V 特性曲线。
测量所用的样品是常规平面工艺制得的铝—二氧化硅—硅的MOS 结构，如图2（a ）所示。
⑵ 偏压温度电容电压法
此即简称的BTC-V 法。它就是把MOS 结构样品置于150~200℃的温度下，施加正或负的偏压(每1000
ox
A 的二氧化硅层约加5~10V 的偏压)5至20分钟，然后在偏压作用下冷却至室温，再进行高频C-V 特性测量。从而给出MOS 结构的有关物理参数的方法。其偏压温度处理（即BT 处理）装置见图2（b ）。
温度偏压处理的目的是改变纳、钾等可动离子在二氧化硅中的分布。把MOS 电容加热是使陷阱中的离子、电荷激发出来，再在偏压的作用下驱赶到界面。正的偏压把纳离子驱赶到Si-SiO 2界面，负偏压把纳离子赶到金属-二氧化硅界面。
由半导体表面理论可知，可动电荷对C-V 特性平带电压的影响，与它们在二氧化硅层中的位置有很大关系。可动离子越接近金属电极，在硅表面感应的负空间电荷越少，引起的平带电压越小。若集中到金属和二氧化硅界面，则将不再影响C-V 特性的平带电压。正是基于这个原因，我们才能分别测得固定正电荷和可动离子电荷密度。但是严格的实验程序，还应该考虑纳离子沾污的分布。
精细实验（中子活化分析和逐层除去氧化层的方法）结果表明：纳离子在SiO 2层中呈一“U ”字形分布。这说明在两个界面处都存在着纳离子的陷阱。但是，绝大多数的纳离子都集中在二氧化硅-空气界面处。所以对于新样品，严格的BTC-V 的测量步骤是：测量原始C-V 特性------负温偏处理-------测量C-V 特性------正温偏处理------测量C-V 特性。然后算出平带电容，在记录曲线上分别定出正、负温偏下的平带电压。由负的温偏平带电压可以给出固定正电荷密度；由正、负两个平带电压的差值给出可动电荷密度。
因为新样品首次负温偏处理将纳离子几乎全部赶到了外界面，因此其C-V 特性给出的平带电压就只代表了接触电势差V ms 及SiO 2层中SiO 2-Si 界面附近固定正电荷Q f 的贡献。所以
()4OX
f ms FB C Q V V −= 式中，C OX 为氧化层电容。ox ox OX d C εε0=，ox d 是氧化层厚度，0ε是真空电容率，ox ε是氧化层的相对介电常数。
在MOS 结构中，常用修正的功函数定义V ms
()
q W W V s m ms ''−= 式中
()i g s n N KT E x W ln 2'
'±+= 对于P 型材料，对数项取正号，N 型材料取负号。于是有
()5ln 21''i g m ms n N q KT E x W q V ∓⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=
这里'm W 、's W 分别是修正的金属功函数和修正的半导体功函数，'x 是修正的电子亲和
能，g E 是禁带宽度，K 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度，i n 为本征载流子浓度，N 为掺杂浓度。同样，（5）式中对于P 型材料，对数项取负号，N 型材料取正号。
对于Si SiO Al −−2的MOS 结构，修正的功函数是这样定义的：把一个电子从金属或半导体的费米能级
上移到氧化物导带底所需要的能量。这样利用光电子发射测量得知铝的修正功函数为3.2Ev ，硅的修正电子亲和能为3.25Ev （见图3），硅的禁带宽度E g 为1.10eV 。将这些数据代入（5）式可得室温下有关系式
()6ln 026.060.0i ms n N
V ∓−=
可见Si SiO Al −−2的MOS 结构，其V ms 值最后只与衬底掺杂类型和掺杂浓度有关，C-V 曲线能给出这些结果，由（4）式就可以算出单位面积固定电荷数。
()()70ms FB ox
ox f f V V qd q Q N −−==εε 正温偏情况下纳离子几乎全部被驱赶到了Si SiO −2的界面。其纳离子正电荷直接在硅表面引入表面势，致使其c-v 曲线相对于负温偏c-v 曲线向左移动FB V Δ，于是
()()OX
m OX f ms FB BT FB BT FB C Q C Q V V V V −−=Δ−=−+ 所以，可动离子电荷密度
()()8FB
OX m V C Q Δ⋅=
可动离子密度 ()90ox
FB ox m m qd V q Q N Δ==
εε
我们知道，平带电压FB V 决定于平带电容FB C ，当算得OX
FB C C 后，在测得的归一化C-V 曲线上，通过OX FB C C 点作V G 轴的平行线，分别与负、正温偏的C-V 曲线相交，即
可得到FB V 和FB V Δ（见图4），从而求得f N 、m N 。
由半导体物理可得 ()()10111121220⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛+=+=ox S S OX FB S OX OX FB Nd q KT C C C C εεεε 式中C S 表示半导体表面空间电荷区电容，S ε为半导体相对介电常数，其余符号定义同前。这样在测得衬底杂质浓度N 和氧化层厚度d ox 后，由（10）式就可求得OX FB C C 。
氧化层厚度d ox 可由椭偏仪测量给出。在样品背面接触电阻可以忽略的情况下，强堆积状态下的电容值C A 和MOS 电容栅面积A G 也能给出d ox 。 由G
A ox ox
ox A C d C ==εε0可得
()110A G
ox ox C A d εε=
而MOS 结构的衬底掺杂浓度N 可由归一化最小电容OX C min 算出。
()12ln 211210⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=i S OX s OX OX
MIN n N N KT d q C C εεεε
这是一个超越方程，不能直接解出掺杂浓度N 的解析式，只能采用数值方法求解。具体算法在数据处理中叙述。
至此可知，只要测试中背接触电阻影响可以忽略，仅知MOS 结构的栅面积，就能由实验C-V 曲线逐个算出d ox 、N 、C FB 和几个V FB 值，以及V ms 值，从而准确算出N f 、N m 。
如果没有x-y 函数记录仪，不能得到完整的c-v 曲线，那么能否测出N f 、N m 呢？回答是肯定的。下面叙述其方法。
⑶ 三点法C-V 特性测量原理
此法直接利用高频C-V 特性测量仪，测量C MIN 、C MAX 、和V FB 三个数据，就可以获得N f 、N m 。这是由于OX FB C 对MAX C 、MIN C 本身就存在函数关系。由式（10）和式（12）消去OX d ，利用OX MAX C C =，经过简单推导可得
()13ln 1211121−⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+=i MIN MAX MAX FB n N C C C C
因此，用C-V 仪“偏压调节”旋纽改变偏压先测出C MAX 和C MIN ，由它们算出N ，再由式（13）算出C FB ，然后再次进行C-V 测量，当偏压变到V 1，其电容值刚好为C FB 时，则V FB =V 1。
如此在不同条件下进行C-V 测量，就可获得()BT FB V −，()BT FB V +，因而可以求得N f 、N m 。
在此必须说明：因为Si02层两界面处均存在可动离子陷阱，若重复进行正、负BTC-V 实验，其 C-V 特性不能完全恢复到原始情形。正因为如此，新样品进行N f 、N m 测量才能得到准确结果。
另外，由于MOS 结构性能上的差异，常常会出现一些异常曲线，具体情况可见附录。
4．  实验步骤
⑴ 阅读仪器使用说明，熟悉高频C-V 仪和X-Y 记录仪的操作方法和注意事项。连接线路，接通电源预热20分钟，然后调零、校准，选择合适的量程。
⑵ 新样品先测量原始C-V 特性，记下C MAX 、C MIN 及C-V 曲线，算出C FB ，又重复手控扫描一次测出()原始FB V 。
⑶ BT 处理及C-V 测量：BT 处理温度选择150~200℃，偏压10V 左右，处理5~15分钟，再在偏压作用下冷却到室温，去掉偏压进行C-V 测量。其间先负温偏处理，后正温偏处理，每次C-V 测量及三点法读出()BT FB V −或()BT FB V +，又分别记录下C-V 曲线。
⑷ 记录仪“X ”输入短路，标出零电位位置，并绘出Y 轴，然后“Y ”输入短路绘出X 轴。注意：三条曲线应在同一坐标中，故X 、Y 零位置始终不得改动。
⑸ C 轴及V 轴分别用C OX 和直流偏压极值定标。
5．  实验数据处理
数据处理与测量在本实验中是相互服务的，尤其是三点法测量。因此，事先一定要准备好计算程序。计算N f  、N m  的程序流程图如图5所示。其中需要说明的是求衬底杂质浓度N 所用的固定点迭代法部分，其它均为一般计算。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。