MOS结构高频C-V特性测试
MOS结构电容-电压特性（简称C-V特性）测量是检测MOS器件制造工艺的重要手段。它可以方便地确定二氧化硅层厚度dox、衬底掺杂浓度N、氧化层中可动电荷面密度QI、和固定电荷面密度Qfc等参数。
本实验目的是通过测量MOS结构高频C-V特性及偏压温度处理（简称BT处理），确定dox、N、QI和Qfc等参数。
一、 实验原理
MOS结构如图1（a）所示，它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度（—微米量级），而不像金属中那样，只集中在一薄层（—0.1nm）内。半导体表面空间电荷区的厚度随偏压VG而改变,所以MOS电容是微分电容
dQC?AG （1）
dVG式中QG是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。现在考虑理想MOS结构。所谓理想情形，是假设MOS结构满足以下条件：（1）金属与半导体间功函数差为零；（2）SiO2绝缘层内没有电荷；（3）SiO2与半导体界面处不存在界面态。偏压VG一部分在降在SiO2上，记作Vox；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作VS,即
VG?VOX?VS （2） VS又叫表面势。考虑到半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有
QSC?QG （3） 式中QSC是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将式（2）、（3）代入式（1），
C?AdQGdQGCoxCS1?A?? （4）
11dVGdVox?dVSCox?CS?CoxCS式（4）表明MOS电容由Cox和CS串联构成，其等效电路如图1（b）所示。其中
Cox是以SiO2为介质的氧化层电容，它的数值不随改变VG；CS是半导体表面空
间区电容，其数值随VG改变，因此
Cox?AdQG???A0ro （5） dVoxdoxdQSC （6） dVSCS?A式中?ro是SiO2相对介电常数。
p型衬底理想MOS结构高频C-V特性曲线如图（2）所示。
图中V代表偏压VG。最大电容Cmax?Cox,最小电容Cmin和最大电容Cmax之间有
N???ln2??rsdox?nqNi??式中?rs是半导体的相对介电常数。
VS?0时，半导体表面能带平直，称为平带。平带时的MOS电容称为平带
1?电容，记作CFB。对于给定的MOS结构，归一化平带电容由下式给出[1]：
CFB1 （8） ?1Cox?ro?kT?0?rs?2??1?2??rsdox?qN??平带时所对应的偏压称为平带电压，记作VFB。显然，对于理想MOS结构， VFB?0。
现在考虑实际的MOS结构。由于SiO2中总是存在电荷（通常是正电荷），且金属的功函数Wm和半导体的功函数WS通常并不相等，所以VFB一般不为零。若不考虑界面态的影响，有
Cmin?Cmax如下关系[1]：
1?ro?4?0?rskT12 （7）
AqQox?VmS （9） Cox式中Qox是SiO2中电荷的等效面密度，它包括可动电荷QI和固定电荷Qfc两部
VFB??分。“等效”是指把SiO2中随机分布的电荷对VFB的影响看成是集中在Si-SiO2界面处的电荷对VFB的影响。VmS是金属-半导体接触电势差，
WS?Wm （10） q对于铝栅p型硅MOS结构，（正电荷），所以VFB?0，Qox通常也大于零VmS大于零，
VmS?如图3中的曲线1所示。作为对比，图中还画出了相应的理想曲线（曲线0）。
利用正、负偏压温度处理的方法（简称?BT处理）可将可动电荷QI和固定电荷Qfc区分开来，负BT处理是给样品加一定的负偏压（即VG?0），同时将样品加热到一定的温度。由于可动电荷（主要是带正电的Na?离子）在高温小有较大的迁移率，它们将在高温负偏压条件下向金属-SiO2界面运动。经过一定的时间，可以认为SiO2中的可动电荷基本上全部运动到金属-SiO2界面处。保持偏压不变，将样品冷却至室温，然后去掉偏压，测量高频C-V特性，得到图18.3中的曲线2。由于这时可动电荷已经全部集中到金属-SiO2界面处，对平带电压没有影响了，根据（9）式可得
Qox?Qfc
Cox若VmS已知，由式（18.11）可以确定SiO2中的固定电荷面密度
C(V?VFB2) (cm?2) （12） Qfc??oxmSAq改变偏压极性，作正BT处理。加热的温度和时间与负BT相同。正BT处理后，测量高频C-V特性，得到图3中的曲线3。由于这时可动电荷已基本上全部集中到Si?SiO2界面处，所以VFB3中包含了QI和Qfc的影响。根据式（9）和式（11）
VFB2??AqQfc?VmS （11）
Qox?QI?Qfc
VFB3AqQIAqQfcAqQI????VmS???VFB2 （13）
CoxCoxCox令?VFB?VFB2?VFB3，由式（13）可确定可动电荷面密度
Cox?VFB (cm?2) （14） Aq本实验所用仪器设备主要包括三部分:测试台(包括样品台、探针、升温和控温装置等)、高频（1MHz或更高）C-V测试仪和X-Y函数记录仪。实验装置如图4所示。
QI?