半導(dǎo)體C-V測(cè)量基礎(chǔ)

通用測(cè)試
電容-電壓（C-V）測(cè)試廣泛用于測(cè)量半導(dǎo)體參數(shù)，尤其是MOSCAP和MOSFET結(jié)構(gòu)。此外，利用C-V測(cè)量還可以對(duì)其他類型的半導(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、光伏電池、MEMS器件、有機(jī)TFT顯示器、光電二極管、碳納米管（CNT）和多種其他半導(dǎo)體器件。
這類測(cè)量的基本特征非常適用于各種應(yīng)用和培訓(xùn)。大學(xué)的研究實(shí)驗(yàn)室和半導(dǎo)體廠商利用這類測(cè)量評(píng)測(cè)新材料、新工藝、新器件和新電路。C-V測(cè)量對(duì)于產(chǎn)品和良率增強(qiáng)工程師也是極其重要的，他們負(fù)責(zé)提高工藝和器件的性能。可靠性工程師利用這類測(cè)量評(píng)估材料供貨，監(jiān)測(cè)工藝參數(shù)，分析失效機(jī)制。

采用一定的方法、儀器和軟件，可以得到多種半導(dǎo)體器件和材料的參數(shù)。從評(píng)測(cè)外延生長(zhǎng)的多晶開始，這些信息在整個(gè)生產(chǎn)鏈中都會(huì)用到，包括諸如平均摻雜濃度、摻雜分布和載流子壽命等參數(shù)。在圓片工藝中，C-V測(cè)量可用于分析柵氧厚度、柵氧電荷、游離子（雜質(zhì)）和界面阱密度。在后續(xù)的工藝步驟中也會(huì)用到這類測(cè)量，例如光刻、刻蝕、清洗、電介質(zhì)和多晶硅沉積、金屬化等。當(dāng)在圓片上完全制造出器件之后，在可靠性和基本器件測(cè)試過程中可以利用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)器件性能進(jìn)行建模。

半導(dǎo)體電容的物理特性
MOSCAP結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體制造過程中形成的一種基本器件結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。盡管這類器件可以用于真實(shí)電路中，但是人們通常將其作為一種測(cè)試結(jié)構(gòu)集成在制造工藝中。由于這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單而且制造過程容易控制，因此它們是評(píng)測(cè)底層工藝的一種方便的方法。
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圖中文字：金屬，二氧化硅，電容計(jì)（交流信號(hào)），P型
圖1. P型襯底上形成的MOSCAP結(jié)構(gòu)的C-V測(cè)量電路
圖1中的金屬/多晶層是電容的一極，二氧化硅是絕緣層。由于絕緣層下面的襯底是一種半導(dǎo)體材料，因此它本身并不是電容的另一極。實(shí)際上，其中的多數(shù)載流子是電容的另一極。物理上而言，電容C可以通過下列公式中的變量計(jì)算出來：
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是兩極的間距

因此，A 和 κ越大，絕緣體厚度越薄，電容值就越高。通常而言，半導(dǎo)體電容的大小范圍從幾納法到幾皮法，甚至更小。
進(jìn)行C-V測(cè)量時(shí)要在電容的兩極加載直流偏壓同時(shí)利用一個(gè)交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量（如圖1所示）。通常情況下，這類測(cè)量使用的交流頻率范圍從10kHz到10MHz。所加載的偏壓作為直流電壓掃描驅(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. C-V測(cè)試中獲得的MOSCAP結(jié)構(gòu)的直流偏壓掃描

強(qiáng)大的直流偏壓導(dǎo)致襯底中的多數(shù)載流子在絕緣層界面附近累積。由于它們無法穿透絕緣層，因此當(dāng)電荷積累在界面附近（即d為最小值）時(shí)電容在累積區(qū)達(dá)到最大值。如圖1所示。從C-V累積測(cè)量可以得到的一個(gè)基本參數(shù)就是二氧化硅的厚度tox。

當(dāng)偏壓降低時(shí)，多數(shù)載流子從氧化層界面被排斥開，耗盡區(qū)形成。當(dāng)偏壓反相時(shí)，電荷載流子遠(yuǎn)離氧化層達(dá)到最大距離，電容達(dá)到最小值（即d為最大值）。根據(jù)這時(shí)的反型區(qū)電容，可以推算出多數(shù)載流子的數(shù)量。這一基本原理同樣適用于MOSFET晶體管，只是它們的物理結(jié)構(gòu)和摻雜更加復(fù)雜。

在偏壓掃過這三個(gè)區(qū)的過程中還可以得到多種其他參數(shù)，如圖2所示。利用不同的交流信號(hào)頻率可以得到其他細(xì)節(jié)信息。低頻可以揭示所謂的準(zhǔn)靜態(tài)特征，而高頻測(cè)試則可以表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性能。這兩類C-V測(cè)試通常都是需要的。

基本測(cè)試配置

圖3給出了基本C-V測(cè)量配置的框圖。由于C-V測(cè)量實(shí)際上是在交流頻率下進(jìn)行的，因此待測(cè)器件（DUT）的電容可以根據(jù)下列公式計(jì)算得到：
CDUT = IDUT / 2πfVac，其中
IDUT是流過DUT的交流電流幅值，
f是測(cè)試頻率，
Vac是測(cè)得的交流電壓的幅值和相角。
換而言之，這種測(cè)試通過加載交流電壓然后測(cè)量產(chǎn)生的交流電流、交流電壓和它們之間的阻抗相角，最終測(cè)出DUT的交流阻抗。

圖中文字：交流源，交流伏特計(jì)，DUT電流，交流安培計(jì)
圖3. C-V測(cè)量的基本測(cè)試配置
這些測(cè)量考慮了與電容相關(guān)的串聯(lián)與并聯(lián)電阻，以及耗散因子（漏流）。

圖4給出了這類測(cè)量可以測(cè)出的主要電路變量。

z, theta：阻抗與相角
R+jX：電阻與電抗
Cp-Gp：并聯(lián)電容與電導(dǎo)
Cs-Rs：串聯(lián)電容與電阻

其中：Z=阻抗
D=耗散因子
θ=相角
R=電阻
X=電抗
G=電導(dǎo)

圖4. C-V測(cè)量得到的主要電氣變量

成功C-V測(cè)量的挑戰(zhàn)

C-V測(cè)試配置的框圖雖然看上去非常簡(jiǎn)單，但是這種測(cè)試卻具有一定的挑戰(zhàn)。一般而言，測(cè)試人員在下面幾個(gè)方面會(huì)遇到麻煩：
* 低電容測(cè)量（皮法和更小的值）
* C-V測(cè)試儀器與圓片器件的連接
* 漏電容（高D）的測(cè)量
* 利用硬件和軟件采集數(shù)據(jù)
* 參數(shù)提取

克服這些挑戰(zhàn)需要仔細(xì)注意所用的技術(shù)以及合適的硬件和軟件。

低電容測(cè)量。 如果C較小，那么DUT的交流響應(yīng)電流就較低，難以測(cè)量。但是，在較高的頻率下，DUT阻抗將減小，從而電流會(huì)增大，比較容易測(cè)量。半導(dǎo)體電容通常非常低（低于1pF），低于很多LCR表的測(cè)量范圍。即使那些聲稱能夠測(cè)量這些小電容值的測(cè)試儀可能也會(huì)由于說明書晦澀難懂而很難判斷最終的測(cè)量精度。如果無法明確給出測(cè)試儀整個(gè)量程的精度，那么用戶需要因此而咨詢制造商。

高D（漏）電容。半導(dǎo)體電容除了C值較低之外，還具有泄漏的特點(diǎn)。當(dāng)與電容并聯(lián)的等價(jià)電阻太低時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。這會(huì)導(dǎo)致電阻性阻抗超過電容性阻抗，C值被噪聲所淹沒。對(duì)于具有超薄柵氧層的器件，D的值可能大于5。一般而言，隨著D的增大，電容測(cè)量的精度迅速下降，因此高D是實(shí)際使用電容計(jì)的一個(gè)限制因素。同樣，較高的頻率有助于解決這一問題。在較高的頻率下，電容性阻抗較低，使得電容電流較高，更容易進(jìn)行測(cè)量。

C-V測(cè)量的互連。大多數(shù)測(cè)試環(huán)境下，DUT都是圓片上的一個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)：它通過探測(cè)器、探針卡適配器和開關(guān)矩陣連接C-V測(cè)試儀。即使沒有開關(guān)，仍然也會(huì)使用探測(cè)器和大量的連線。在較高的頻率下，必須采用特殊的校正和補(bǔ)償技術(shù)。通常情況下，這是通過組合使用開路、短路或者校準(zhǔn)器件來實(shí)現(xiàn)的。由于硬件、布線和補(bǔ)償技術(shù)非常復(fù)雜，因此經(jīng)常與C-V測(cè)試應(yīng)用工程師進(jìn)行交流是一個(gè)好的辦法。他們擅長(zhǎng)使用各種探測(cè)系統(tǒng)，克服各種互連問題。

獲取有用的數(shù)據(jù)。除了上述的精度問題，C-V數(shù)據(jù)采集中實(shí)際需要考慮的因素包括測(cè)試變量的儀器量程，參數(shù)提取軟件的多功能性和硬件的易用性。一般而言，C-V測(cè)試已僅限于約30V和10mA直流偏壓。但是，很多應(yīng)用，例如LD MOS結(jié)構(gòu)的特征分析、低k夾層電介質(zhì)、MEMS器件、有機(jī)TFT顯示器和光電二極管，需要在較高的電壓或電流下進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于這些應(yīng)用，需要單獨(dú)的高壓直流電源和電容計(jì)；高達(dá)400V的差分直流偏壓（0到±400V）和高達(dá)300mA的電流輸出是非常有用的。在C-V測(cè)試儀的HI和LO端加載差分直流偏壓能夠更靈活地控制DUT內(nèi)的電場(chǎng)，這對(duì)于新型器件的研究和建模是非常有用的，例如納米級(jí)元件。

儀用軟件應(yīng)該包括無需用戶編程可直接使用的測(cè)試?yán)獭＿@些應(yīng)該適用于大多數(shù)廣泛使用的器件工藝和測(cè)試技術(shù)，即本文前三段中提及的有關(guān)內(nèi)容。有些研究者可能會(huì)對(duì)一些不常見的測(cè)試感興趣，例如對(duì)MIM（金屬-絕緣體-金屬）型電容進(jìn)行C-V和C-f掃描，測(cè)量圓片上的互連小電容，或者對(duì)雙端納米器件進(jìn)行C-V掃描。利用自動(dòng)繪圖功能能夠方便的實(shí)現(xiàn)參數(shù)提取（例如，如圖5所示）。

圖5. 利用吉時(shí)利4200-SCS進(jìn)行參數(shù)提取的實(shí)例表現(xiàn)了半導(dǎo)體的摻雜特征（左邊的藍(lán)線），它與1/C² 與Vg的關(guān)系呈倒數(shù)關(guān)系（紅線）。右圖給出了摻雜分布，即每立方厘米的載流子數(shù)與襯底深度的函數(shù)關(guān)系。

通常，人們都希望工程技術(shù)人員和研究人員在幾乎沒有任何儀器使用經(jīng)驗(yàn)或培訓(xùn)的情況下就能夠進(jìn)行C-V測(cè)量。具有直觀用戶界面和簡(jiǎn)單易用特征的測(cè)試系統(tǒng)使得這一點(diǎn)成為現(xiàn)實(shí)。其中包括簡(jiǎn)單的測(cè)試配置、序列控制和數(shù)據(jù)分析。否則，用戶在掌握系統(tǒng)方面就要比采集和使用數(shù)據(jù)花費(fèi)更多的時(shí)間。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)其它考慮因素包括：
* 緊密集成的源-測(cè)量單元、數(shù)字示波器和C-V表
* 方便集成其他外部?jī)x器
* 基于探針的高分辨率和高精度測(cè)量（直流偏壓低至毫伏級(jí)，電容測(cè)量低至飛法級(jí)）
* 測(cè)試配置和庫易于修改
* 提供檢測(cè)/故障診斷工具幫助用戶確定系統(tǒng)是否正常工作