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1、准静态法测量硅一二氧化硅界面态密布分布界面态密度是表征硅一二氧化硅界面性质的一个重要的物理参量。硅一二氧 化硅界面问题是硅平面器件及集成电路工艺和器件物理中的一个基本问题，也是 半导体研究的一个重要组成部分。界面态可以起产生、复合中心作用，使pn结 反向漏电流增加、双极性晶体管小电流时电流增益下降、产生1/f噪声。界面态 还可以起到散射中心作用，使MOS晶体管跨导降低、频率特性和开关特性伴茶、 阀电压不稳定。由于界面态和体内交换电荷有一个较长的时间常数，所以对CCD 器件的转移特性有直接的影响。界面态密度与器件制造工艺密切相关，列入电离 辐射损伤界面态密度增加，适当的退火工艺能降低界面态密度。
2、因此，界面态密 度的测量对于研究器件特性、监控工艺质量、提高器件性能尤为重要。迄今为止，测量界面态密度的方法很多。高频C-V法虽然简单，但为了得 到界面态在禁带中的分布，需要借助于图解微分来分析数据，而且精度和灵敏度 不高。温度法测试和计算都很简单，但可测的能量范围较窄，而且灵敏度较低。 电导法有较高的测量精度，但测量不走很烦。准静态法测量简单，不仅能够测出 禁带中交大能量范围内的界面态密度分布，而且能同时测出表面势。本实验及用准静态法测量硅一二氧化硅界面态密度分布。目的是了解准静态 法测量原理、熟悉准静态CV测量刺痛、学会测量和分析MOS结构中圭一二 氧化硅界面态密度及其分布。一、实验原理界
3、面态是存在于硅一二氧化硅界面处的一些能级，这些能既可以是施主型， 也可以是受主型，在能量上可以连续分布于半导体的整个禁带之中，如图15.1 所示。电子在界面态中的填充情况取决于这些能即兴对于费米能级的位置。如果是 受主型界面态，则接受电子后带负电，不接受电子时为中性。如果是施主型界面 态，则由电子时保持电中性，施放电子后就呈正电性。当半导体表面势发生变化 时，费米能级和表面能既相对位置发生变化，界面态中电子的填充情况也发生变 化，引起界面态和编导体体内交换点子，并且以某个特征时间常数于体内达到平 衡。因而界面态可以随表面势的变化而发生充放电，因此可以用一个于此相关的 电容即界面态电容来等效，它
4、与界面态密度成正比。界面态又称界面陷阱电荷。M 0图1 硅一二页化硅界面标莺圈金属一二氧化硅一硅的MOS结构作为实验样品，在高频信号作用下的等效 电路如图2 (a)所示。图中C双是氧化层电容、C既是半导体空间电荷区电容。因为界面态的充放电跟不上高频信号的变化，在等效电路中就不出现与界面态有 关的电容。如果测量的信号频率及直流偏压的变化都足够慢，是见面台的充放电 始终跟得上电压的变化，则必须考虑界面态电容的影响，图2（b）即MOS结构 的低频等效电路，途中C踮是界面态电容。图3是P型衬底MOS结构在高频和低频信号下测量的CV特性曲线。在 积累区高频和低频电容都等于氧化层电容C以。在耗尽层和弱反型
5、区域，由于界 面态电容只对低频电容有贡献，以呢日拼电容的纸币高频电容大，因此在耗尽和 弱反型区域内可以根据高频和低频电容的差别计算出界面态密度。到了反型区， 由于反型层中的少数载流子浓度只能跟得上低频信号的变化，使低频电容的值上 升很快，在强反型区低频电容恢复到氧化层电容C”的值，而高频电容达到了最 小值。图中CLF即低频电容，CHF即高频电容。如果在MOS结构上加一个扫描速率很面的线性斜坡扫描典雅，足以维持半 导体的反型曾处于准平衡条件，称MOS结构的这种变化过程为准静态过程。因 为界面态充放电的时间常数比反型层电荷变化的时间常数短，因此当反型层处于 准平衡状态，界面态也必然维持在准平衡状态
6、。在保持MOS结构准静态变化的 情况下，侧来MOS结构CV特性的方法，即为准静态法。MOS准静态测量结 果和低频测量结果意志。由图2MOS结构在高频和低频使得等效电路可以得(2)scHF将以上二式消去C，可以求得界面态电容的表达式为scC 一 ClC 一 ss W COXCHF=c -2_-CfCi ox 1 - (Cf / C ) 1 - (Chf / Cox)式中CLF/Cox、CHF/c分别为以氧化层电容归一化的低频和高频电容。因为界面态密度定义为单位面积、单位能量间隔内的界面态能级数，因此， 当表面势变化dVs时，界面态重点和的变化量为(6)dQ ? =A m qN ? dV，式中Am
7、为MOS结购金属电极面积。则界面态密度1 1 dQ _ 1 Css A q dV Aq将式(3)代入式(5)得N. 1.C U% -里业一ss A q ox 1 - (Cf / C ) 1 - (Chf / C )为了求得Nss随禁带中能量的变化，也即求Nss表面势的变化，必须先求得试验的外加电压v q和v s的关系。假设山上的偏压为V q，所对应的金属板上的电荷量为Qm，电压Vq降落在 氧化层两端的电压为vox,降落在半导体空间电荷区的电压即为表面是V?。Vq 与vox、V，三者的关系为V g =V ox + V s(7)又因为dQ M =C ox dVox=C lf ( V g )-d V
8、 g冏根据以上二式可得d V = dV -dV = dV - CL； dVg s ox Q C g=1- CLF (匕)dV(9)Coxg将上式从表面积累对应的栅压VQ=VA到某一山崖V广V积分，就可得到表面势与外加栅压的关系V (V )= jV 1 - LF (匕)dV + /sg，VA C g(10)式中/为积分常数，由于在平带时表面是V s =0,则V (V ) = jVFB 1 - CLF(Vg)dV + /=0 s FBVACg由上式及渴求的积分常数(11)/=- h 1 - （匕）dVVCgAox将式（12）代入式（10）得(12)V (V ) JV 1 - CLF (Vg ) d
9、Vs g V C gAox-vfb 1 - n (L2 dvVaCoxg(13)在图4所示的试验曲线中，上式等号右端第一项是CLF/C广1, V广VA和C /CV所围成的面积。第二项是C /C =1, V =V 和V =V三条直线LF ox gHF oxQ FBQ和CLF/CoxVg所围成的面积，图中阴影部分即对应Vs （V）。图4叭W)与面积日的关系曲线若选择坐标纸，在C/C双轴上每厘米为0.1,在V轴上每厘米为1V,则每 平方毫米面积即代表1mV。由式(6)求出N s和Vg的关系，再由式(13)求出V，和Vg的关系，就 可以求出N和V的关系。为了求出界面态在禁带中按能量分布，还必须进一步求
10、出能量和表面势V 的关系。图5 P型硅有界面态作用时的能带图图5是P型硅有界面态作用时的能带图。从图中可以看出qV =E (0)-E (g)(14)qV f = E（0） -Ef（15）式中E（0）为体内本征费米能级，E（s）为表面本征费米能级，Ef为费米势。由图中还可看出E=E f -E 3）= Ef -E（o）+ E（o）-E=-qVf +qV 二一KTln（、/n .） + qV（16）根据式（13）和（16）,就可求出禁带中的能量E和外加栅压V的关系，由此关系和式（6）即渴求出界面态密度在禁带中按能量的分布。对于准静态测量结果可以用计算机进行数据处理，也可以根据计算曲线求 解。图6是准
11、静态测量的原理图。C（V为MOS样品电容，七 为高阻反馈电阻， A是一个高增益高输入祖康的线性放大器，它保持电路的N点为地电势。在试 验装置中，A实际上是ZC-36型微电流计。图中线性斜坡扫描电压Vg （t） =V,+ at是XFD8型超低频信号发生器产 生的。V 为扫描起始典雅，是一个常数A=d Vdt为扫描速率，也是常数。 当a足够小时，反型层的充放电能够跟上信号典雅的变化而处于准平衡状态。当电压变化时，流过电容器的位移电流是i =C(V )当(17)d g dt因为a为常熟，所以位移电流i与电容C(V )成正比。则输出电压为dgV0( V )=Rf if =Rf i d二 aRf C(V
12、 )(18)图7高频和橙静态醐虽系统方椎图二、实验内容1. 测量MOS结构样品的漏电流，对于漏电流小于1X10 18A的样品才能进行 准静态测量。2. 改变斜坡电压扫描速率a,测量低频C-V特性曲线，若曲线重合，则表明 已经达到准静态条件。3. 用满足准静态条件的扫描速率测出准静态C-V特性曲线。4. 测量高频C-V特性曲线，测出最大电容C响、最小电容C皿，求出平带电容 CFB和平带电压VFB。三、试验步骤1. 接通各仪器电源，预热15分钟。2. 按测试需要调整仪器。3. 把去掉背面二氧化硅层的MOS样品放入滴有水或酒精的测试台上，将测试装 置按准静态连接。注意广、电磁评比，以防止外界干扰对测
13、试结果的影响。4. 使探针和铝电极接触，把MOS电容偏置在强积累区，测量样品的漏电流。5. 用满足准静态条件的斜坡变化率测出准静态C-V曲线。6. 使测试台上的探针脱离铝电极接触，用同样的条件画出一条直线，作为电容 的零线，以扣除杂散电容的贡献。7. 测出高频CV特性曲线。调节图7中的电位器七和W2，改变微电流计和高 频电容一电压特性测试仪的输出典雅。在X-Y记录仪上，使高频C-V和准 静态C-V曲线在强积累区重合。四、数据处理和分析1. 有归一化高频CV曲线确定/衬底掺杂浓度N疽 氧化层厚度d以、归一化平带电容C /C 、平带电压V 。2. 由试验曲线求界面态密度在禁带中按能量的分布。(1)
14、 根据式(6)计算Ns和七的关系曲线；(2) 根据式(13)计算V和V占的关系曲线；(3) 根据式(16)计算E和J关系曲线；进而得出界面态密度在禁带中按能量的分布。五、思考题1. 什么失准静态条件？在测试过程中，如何满足准静态条件？2. 试分析漏电流和串联电阻对准静态测量界面态密度的影响。3. 试讨论本实验测量界面态密度所使用的能量范围。4. 如何用实验曲线求出界面态密度在禁带中按能量的分布？六、参考资料1 郭维廉，硅一二氧化硅界面物理，国防工业出版社，P.147, 19922 M.kuhn，Solidstate Electron， 13.813,19703 A.D.Lopez， Rev，Sci，Instrum， 44.200，19734 L.M.Terman，Solid-State Elecrton， 5，285，19626孙恒慧等，半导体物理实验，高等教育出版社，P.233，1985
