半導(dǎo)體C-V測(cè)量入門(1)

電容-電壓（C-V）測(cè)試廣泛用于測(cè)量半導(dǎo)體器件，尤其是MOSCAP和MOSFET結(jié)構(gòu)的參數(shù)。但是，通過C-V測(cè)量還能夠?qū)芏嗥渌愋偷陌雽?dǎo)體器件和工藝進(jìn)行特征分析，包括雙極結(jié)型晶體管（BJT）、JFET、III-V族化合物器件、光電電池、MEMS器件、有機(jī)TFT顯示器、光電二極管、碳納米管（CNT）等。

這類測(cè)量的基本特征對(duì)于很多應(yīng)用和培訓(xùn)都是十分有用的。大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和半導(dǎo)體制造商通過這類測(cè)量可以評(píng)估新材料、工藝、器件和電路。C-V測(cè)量對(duì)于從事產(chǎn)品與良率改進(jìn)工作的工程技術(shù)人員也是極其重要的，他們要負(fù)責(zé)改進(jìn)工藝和器件的性能。可靠性工程師通過這類測(cè)量檢驗(yàn)材料供應(yīng)商的產(chǎn)品是否合格，監(jiān)測(cè)工藝參數(shù)，分析器件的失效機(jī)制。

采用適當(dāng)?shù)姆椒?、儀器和軟件，我們可以測(cè)得很多半導(dǎo)體器件和材料的參數(shù)。從評(píng)估外延多晶的生長(zhǎng)開始，這些信息在整個(gè)生產(chǎn)鏈中都會(huì)用到，包括平均摻雜濃度、摻雜分布、載流子壽命等參數(shù)。在圓片工藝中，通過C-V測(cè)量可以確定柵氧厚度、柵氧電荷、游離子（雜質(zhì)）和界面阱密度。在另外一些工藝步驟之后還會(huì)用到這類測(cè)量，例如光刻、蝕刻、清洗、電介質(zhì)與多晶硅沉積、金屬化。在圓片上完成整個(gè)器件制造工藝之后，還要在可靠性與基本器件測(cè)試階段通過C-V測(cè)量對(duì)閾值電壓和其他一些參數(shù)進(jìn)行特征分析，對(duì)器件的性能進(jìn)行建模。

半導(dǎo)體電容的物理特性
MOSCAP結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體制造過程中的一種基本器件形態(tài)（如圖1所示）。雖然這類器件可以用于真正的電路中，但是一般將它們作為一種測(cè)試結(jié)構(gòu)集成到制造工藝中。由于它們的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造過程容易控制，因此是一種十分方便的評(píng)估底層工藝的方法。

圖1. 在P型襯底上構(gòu)成的MOSCAP結(jié)構(gòu)的C-V測(cè)量電路

圖1中的金屬/多晶硅層是電容的一極，二氧化硅是絕緣體。由于絕緣層下面的襯底是半導(dǎo)體材料，因此它本身并不是電容的另一極。實(shí)際上，多數(shù)電荷載流子是電容的另一極。從物理上來看，電容C取決于下列公式中的各個(gè)變量：

C = A (κ/d)，其中

A是電容的面積， κ是絕緣體的介電常數(shù)， d是電容兩極之間的間距。

因此，參數(shù)A 和κ越大，絕緣體的厚度越薄，電容的值就越大。一般而言，半導(dǎo)體電容值的量級(jí)為納法到皮法，或者更小。

進(jìn)行C-V測(cè)量時(shí)，通常在電容兩端施加直流偏壓，同時(shí)利用一個(gè)交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量（如圖1所示）。一般地，這類測(cè)量中使用的交流信號(hào)頻率在10KHz到10MHz之間。所加載的直流偏壓用作直流電壓掃描，驅(qū)動(dòng)MOSCAP結(jié)構(gòu)從累積區(qū)進(jìn)入耗盡區(qū)，然后進(jìn)入反型區(qū)（如圖2所示）。

圖2. 在C-V測(cè)試中獲取的MOSCAP結(jié)構(gòu)直流偏壓掃描結(jié)果

較強(qiáng)的直流偏壓會(huì)導(dǎo)致襯底中的多數(shù)載流子聚積在絕緣層的界面附近。由于它們無法穿越絕緣層，因此隨著電荷在界面附近不斷聚積，累積區(qū)中的電容達(dá)到最大值（即參數(shù)d達(dá)到最小值）。如圖1所示。從C-V累積測(cè)量中可以得到的一個(gè)基本參數(shù)是二氧化硅的厚度tox。

隨著偏壓的降低，多數(shù)載流子被從柵氧界面上排斥走，從而形成了耗盡區(qū)。當(dāng)偏壓反相時(shí)，電荷載流子偏離氧化層的距離最大，電容達(dá)到最小值（即d達(dá)到最大值）。根據(jù)這一反型區(qū)電容，我們可以確定多數(shù)載流子的數(shù)量。MOSFET晶體管也具有類似的基本原理，只是它們的物理結(jié)構(gòu)和摻雜情況更加復(fù)雜。

在將直流偏壓掃過圖2中三個(gè)區(qū)的過程中，我們還可以得到很多其他參數(shù)。采用不同的交流信號(hào)頻率可以反映更多的詳細(xì)信息。低頻測(cè)試可以反映所謂的準(zhǔn)靜態(tài)特征，而高頻測(cè)試則可以表征晶體管的動(dòng)態(tài)性能。這兩類C-V測(cè)試都是經(jīng)常會(huì)用到的。