实验22--MOSFET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外表开始存储正电荷。该外表将有比受主浓度NA更高的空穴积累，这种情形称为外表积累。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，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外表，该外表附近的载流子被逐步耗尽，形成了电离受主离子在外表的积累，这就是所谓的外表耗尽。静电分析说明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。当耗尽区到达最大宽度 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。这种情形称为外表反型，静电分析说明MOS器件总电容是串联的氧化层电容、并联的耗尽电容以及外表电荷电容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：

在外表积累情况下，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；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，可以使用电脑编程迭代求解，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电脑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。

根据半导体外表理论，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，下列图给出了CSmin/COX、tOX与Nsub之间的对应关系。

图22.2  CSmin/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外表的积累，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层电容，记为CFBS，可以表示为

      pF        (22-5)

式中，LD称为德拜长度，其值为

      cm      (22-6)

带入上式，则有

    pF   (22-7)

此时，MOS器件栅极与衬底之间的总电容是COX和CFBS的串联，记为平带电容CFB，表示如下

        pF             (22-8)

在测量的CV特性曲线中，CFB对应的电压称为平带电压，记为VFB，单位为V。

平带电压可以采用插值的方法计算得出，方法是在CV特性曲线中，平带电容CFB值附近，选取两组测试坐标点〔C，V〕，依据线性插值方法求出平带电压VFB。

4.) 栅氧化层电荷密度QSS、耗尽层电荷密度Qb和阈值电压VTH：

由平带状态条件可知，平带电压包含功函数差和氧化层电荷两部分，可以表示为

      V             (22-9)

式中Φms为栅极与衬底之间的功函数差， 其值为0.5~0.6，单位为V；QSS为栅氧化层中固定电荷密度，单位为C/μm2。所以，QSS也可以表示为

     C/μm2        (22-10)

根据半导体物理知识，耗尽层电荷密度可以由下式描述

   C/μm2  (22-11)

其中，Qb的符号由沟道中掺杂的类型确定，N型掺杂为正，P型掺杂为负。

阈值电压VTH的含义是施加在栅极上的用于克服栅极与衬底间的功函数差、氧化层电荷电势、衬底中耗尽层电荷电势和形成强反型层需要的两倍电势变化，由此，阈值电压可以表示为

      V           (22-12)

本实验可以采用精密LCR表和直流偏执电源，对MOS晶体管设置偏置回路，并在栅源之间施加小幅低频测试信号，通过变更直流偏置条件形成CV特性曲线。

二、实  验  内  容

1. 建立MOS管测试回路，对MOS晶体管的栅源电容进行低频CV特性测量。

2. 根据测试结果，判断晶体管沟道掺杂类型。

3. 计算出MOS晶体管工艺参数。

4. 绘制MOS晶体管C-V特性曲线。

三、实  验  步  骤

本实验采用的CV测试系统包括：安捷伦精密LCR表、安捷伦耦合器、直流稳压电源和测试盒等。下列图为NMOS晶体管 CV特性测试原理框图。

图22.3  NMOS CV特性测试原理框图

具体操作步骤如下：

系统连接与交流信号设置：

1. 按上图连接好测试系统，检查并确保连接正确后，接通精密LCR表电源。

2. 在LCR表中MEAS DISPLAY页面区域填入如下字段，设置测量条件如下：

1.) 将光标移动到FREQ字段，并输入1 KHz，设定交流信号频率。

2.) 将光标移动到LEVEL字段，并输入0.5 V，设置交流信号幅度。

3.) 将光标移动到MEAS TIME字段，选择MED，选择单一数据测试快慢。

4.) 按Meas Setup键，将光标移动到AVG字段，用数字键输入平均数〔0~256〕，设置单一测试数据重复次数。

电容测试误差修正：

测试系统回路存在仪器和线路的残余电感和杂散电容，需要对测试回路分别进行开路修正和短路修正，具体操作如下。

1.) 断开回路开关或拔下器件，使精密LCR表处于开路状态。

2.) 按Meas Setup键和CORRECTION功能键。

3.) 将光标移动到OPEN字段，切换“ON”态为“OFF”态，并按MEAS OPEN功能键。等待直到消息 “OPEN measurement in progress”〔“正在进行开路测量”〕消失。

4.) 按ON功能键，启动开路修正并保存在设备内。

5.) 将短路线连接到耦合器两端或测试盒栅源两端，设置短路条件。

6.) 将光标移动到SHORT字段，切换“ON”态为“OFF”态，并按MEAS SHORT功能键。等待直到消息“SHORT measurement in progress”〔“正在进行短路测量”〕消失。

7.) 按ON功能键，启动短路修正并保存在设备内。

测试步骤：

1. 修正完成后，将被测MOS器件连接到测试盒源端和栅端。

2. 接通直流偏置电源，按如下方式设置输出偏压。

1.) 按“Voltage/Current”键切换至电压模式。

2.) 按导航键切换至合适数据位置，旋转电流电压快速旋钮设置初始输入电压为零或5V。

3.) 按“off/on”按钮开始进行电压输出。

4.) 当LCR表显示电容器Cp值和D值〔模值〕，电容值最大时，记录测试数据。

5.) 按“off/on”按钮退出输出模式，使电容充分放电；

6.) 按照测试步长，重新按“Voltage/Current”键切换至电压模式，按导航键并旋转电流电压快速旋钮设置下一电压值；

7.) 待电压源显示稳定后，按“Voltage/Current”键接入测试回路，测试该次电容值；

8.) 重复上述5.)、6.)和7.)步骤，即可完成多次测试。

3. 测试完毕后，关闭LCR表和直流电源，取下被测器件。

四、数据处理和分析

1. 对给定MOS晶体管的栅源电容，进行低频CV特性曲线的测量，直流电压范围-5V~+5V，取点不少于20个。

2. 根据测试结果，判断晶体管类型。

3. 计算出氧化层厚度、衬底掺杂浓度、费米势、氧化层电荷密度、耗尽层电荷密度以及阈值电压等参数。

4. 绘制MOS晶体管C-V特性曲线。

五、思    考    题

1. 影响氧化层电荷密度大小的因素有哪些。

2. 解释MOS晶体管阈值电压变化范围较宽的原因。

3. 说明MOS器件类型与平带电压之间有什么关系？。

六、注  意  问  题

1. 实验前熟悉C-V测试仪、X-Y记录仪的使用方法后，方可通电预热。

2. 制作好肖特基二极管后，检查是否存在样品下的坑内水太多，造成样品PN结短路现象，假设水太多可用滤纸条吸出。

3. 实验中做好有关数据的记录，实验完毕后，先将各种功能开关调到非工作状态，关闭电源。

七、参  考  资  料

[1] 孙恒慧、包宗明，《半导体物理实验》，高等教育出版社。

[2] 上海科大半导体室译，《半导体测量和仪器》，上海科学技术出版社。

[3] 电子科大半导体室编，《半导体专业实验讲义》，1986。

[4] 王家骅、李长键，《半导体器件物理》，科学出版社，1983。