mos結構高頻c-v特性測試
mos結構電容-電壓特性（簡稱c-v特性）測量是檢測mos器件製造工藝的重要手段。它可以方便地確定二氧化矽層厚度、襯底摻雜濃度n、氧化層中可動電荷面密度、和固定電荷面密度等引數。
本實驗目的是通過測量mos結構高頻c-v特性及偏壓溫度處理（簡稱bt處理），確定、n、和等引數。
一、 實驗原理
mos結構如圖1（a）所示，它類似於金屬和介質形成的平板電容器。但是，由於半導體中的電荷密度比金屬中的小得多，所以充電電荷在半導體表面形成的空間電荷區有一定的厚度（—微公尺量級），而不像金屬中那樣，只集中在一薄層（—0.1nm）內。
半導體表面空間電荷區的厚度隨偏壓而改變,所以mos電容是微分電容
1）式中是金屬電極上的電荷面密度,a是電極面積。現在考慮理想mos結構。所謂理想情形，是假設mos結構滿足以下條件：
（1）金屬與半導體間功函式差為零；（2）絕緣層內沒有電荷；（3）與半導體介面處不存在介面態。偏壓vg一部分在降在上，記作；一部分降在半導體表面空間電荷區，記作,即
2）又叫表面勢。考慮到半導體表面空間電荷區電荷和金屬電極上的電荷數量相等、符號相反，有
3）式中是半導體表面空間電荷區電荷面密度。將式（2）、（3）代入式（1），
4）式（4）表明mos電容由和串聯構成，其等效電路如圖1（b）所示。其中是以為介質的氧化層電容，它的數值不隨改變；是半導體表面空間區電容，其數值隨改變，因此
5）6）
式中是相對介電常數。
p型襯底理想mos結構高頻c-v特性曲線如圖（2）所示。
圖中v代表偏壓。最大電容,最小電容和最大電容之間有如下關係[1]：
7）式中是半導體的相對介電常數。
時，半導體表面能帶平直，稱為平帶。平帶時的mos電容稱為平帶電容，記作。對於給定的mos結構，歸一化平帶電容由下式給出[1]：
8）平帶時所對應的偏壓稱為平帶電壓，記作。顯然，對於理想mos結構，。
現在考慮實際的mos結構。由於中總是存在電荷（通常是正電荷），且金屬的功函式和半導體的功函式通常並不相等，所以一般不為零。若不考慮介面態的影響，有
9）式中是中電荷的等效面密度，它包括可動電荷和固定電荷兩部分。「等效」是指把中隨機分布的電荷對的影響看成是集中在si-sio2介面處的電荷對的影響。是金屬-半導體接觸電勢差，
10）對於鋁柵p型矽mos結構，大於零，通常也大於零（正電荷），所以，如圖3中的曲線1所示。作為對比，圖中還畫出了相應的理想曲線（曲線0）。
利用正、負偏壓溫度處理的方法（簡稱處理）可將可動電荷和固定電荷區分開來，負bt處理是給樣品加一定的負偏壓（即），同時將樣品加熱到一定的溫度。由於可動電荷（主要是帶正電的離子）在高溫小有較大的遷移率，它們將在高溫負偏壓條件下向金屬-介面運動。經過一定的時間，可以認為中的可動電荷基本上全部運動到金屬-介面處。
保持偏壓不變，將樣品冷卻至室溫，然後去掉偏壓，測量高頻c-v特性，得到圖18.3中的曲線2。由於這時可動電荷已經全部集中到金屬-介面處，對平帶電壓沒有影響了，根據（9）式可得
11）若已知，由式（18.11）可以確定中的固定電荷面密度
12）改變偏壓極性，作正bt處理。加熱的溫度和時間與負bt相同。正bt處理後，測量高頻c-v特性，得到圖3中的曲線3。
由於這時可動電荷已基本上全部集中到介面處，所以中包含了和的影響。根據式（9）和式（11）
（13）
令，由式（13）可確定可動電荷面密度
14）本實驗所用儀器裝置主要包括三部分:測試台(包括樣品臺、探針、公升溫和控溫裝置等)、高頻（1mhz或更高）c-v測試儀和x-y函式記錄儀。實驗裝置如圖4所示。
樣品製備中襯底材料、電極面積、氧化層厚度以及電極材料等，均可根據現有的材料和具體工藝條件而定。例如，p型或n型矽單晶拋光片，電阻率6—10。幹氧氧化，氧化層厚度約為100。
鋁電極或多晶矽電極，面積為。為了保證樣品和測試台之間有良好的歐姆接觸，最好在樣品背面蒸上驢。最後，在400-450 forming gas(10%、30%的混合氣體)中退火30分鐘，起合金和減少介面態的作用。
在上面的討論中，我們忽略了介面態的作用。事實上，介面態可以從兩個方面影響mos c-v特性：介面態電荷對偏壓的遮蔽作用和介面態的電容效應。
當偏壓改變時，表面勢改變，因而費公尺能級在禁帶中的位置發生改變，介面態的填充機率就要發生變化，介面態電荷隨之發生變化。這就是說，是偏壓的函式。這和、不同，它們不隨而改變。
、的作用只是影響平帶電壓，使實際c-v曲線相對於理想曲線在形狀上發生改變。比如常見到的曲線拖長、平台等現象。另一方面，在c-v測量中，我們是在偏壓上迭加交流小訊號。
引起，從而引起。所以介面態的作用又可以表現為電容
由於介面態是通過和體內交換電子來實現充放電的，它的時間常數較長，通常大於，所以介面態電容只在低頻或準靜態情形下對mos電容有貢獻。對於1mhz的高頻c-v測量，通常不考慮介面態電容的影響。
介面態對c-v曲線的影響取決於介面態的具體性質，比如態密度、時間常數等。這些性質因樣品而異，所以介面態的影響比較複雜。前面提到的forming gas退火是減少介面態的有效方法。
經過這種退火處理，禁帶中部的介面態密度可降低到量級以下，對高頻c-v測量的影響可以忽略。
最後還要特別指出，對於摻雜濃度不是很高（或更低）的p型mos樣品，高頻c-v特性會出現不穩定現象，如圖5所示。其原因是場區（電極以外的區域）存在反型層和正偏壓時的正電荷側向鋪伸效應[2]。在這種情況下，為了正確測量，從而正確地求出襯底摻雜濃度等引數，必須採取措施防止場區反型層的形成。
常用的辦法是在電極周圍再製作乙個環型電極（隔離環）。測試時，環上加一定的負電壓，使之遮蔽其下氧化層中的正電荷，達到抑制場區反型的目的。對於矽柵mos結構，可以用場區離子注入濃硼的辦法防止場區反型。
*：最近的研究結果表明，禁帶中靠近導帶底或價帶頂附近的介面態，其時間常數可以是微秒量級，因此，即使在1mhz的高頻c-v測量中，也不能忽略界態電容的作用。近年來生產的mos引數測試儀（例如hp公司的m4061等），高頻c-v測量的頻率採用了10mhz。
二、實驗內容
1. 測量初始高頻c-v特性曲線。
2. 作正、負bt處理。
3. 分別測出正、負bt處理後的高頻c-v特性曲線。
三、實驗步驟
1. 開啟各儀器的電源，預熱10分鐘。
2. 確定x-y記錄儀的零點和量程。
3. 根據被測量樣品的最大電容數值（用已知的電極面積和氧化層厚度進行估算）選擇c-v測試儀相應的電容量程，並按照儀器說明書的規定對所選擇的電容量程進行校正。
4. 根據樣品的少子產生壽命確定偏壓c-v曲線，如圖6所示。通常可選用每秒100mv的速率，如果仍得到深耗盡的曲線，則應將速率再放慢，直至得到穩態c-v曲線。
5. 作bt處理，條件是：150—200，恆溫10分鐘。
偏壓的數值根據氧化層厚度來計算，一般認為氧化層中的電場達到可以實現可動離子有效的遷移。若，取（正bt處理）或（負bt處理）。至於先作正bt還是先作負bt，並無特別的規定，通常是先作負bt。
正、負bt處理之後，分別測量高頻c-v特性曲線。
四、資料處理和分析
1. 由初始c-v曲線，可獲得和。利用式（5）和（7）可求出氧化層厚度和襯底摻雜濃度n。
2. 利用式（8）求出。
3. 由實驗曲線確定、和。
4. 查表或計算求出。
5. 利用式（12）和（14）分別求出和。
6. 如果或較大（量級或更大），分析一下原因（比如矽片清洗不乾淨，氧化系統有玷汙等等），進而提出改進措施。
7. 如果c-v曲線形狀異常，可以配合介面態的測量來分析原因。
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