半导体C-V测量基础

通用测试

　　电容-电压（C-V）测试广泛用于测量半导体参数，尤其是MOSCAP和MOSFET结构。此外，利用C-V测量还可以对其他类型的半导体器件和工艺进行特征分析，包括双极结型晶体管（BJT）、JFET、III-V族化合物器件、光伏电池、MEMS器件、有机TFT显示器、光电二极管、碳纳米管（CNT）和多种其他半导体器件。

　　这类测量的基本特征非常适用于各种应用和培训。大学的研究实验室和半导体厂商利用这类测量评测新材料、新工艺、新器件和新电路。C-V测量对于产品和良率增强工程师也是极其重要的，他们负责提高工艺和器件的性能。可靠性工程师利用这类测量评估材料供货，监测工艺参数，分析失效机制。

　　采用一定的方法、仪器和软件，可以得到多种半导体器件和材料的参数。从评测外延生长的多晶开始，这些信息在整个生产链中都会用到，包括诸如平均掺杂浓度、掺杂分布和载流子寿命等参数。在圆片工艺中，C-V测量可用于分析栅氧厚度、栅氧电荷、游离子（杂质）和界面阱密度。在后续的工艺步骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、电介质和多晶硅沉积、金属化等。当在圆片上完全制造出器件之后，在可靠性和基本器件测试过程中可以利用C-V测量对阈值电压和其他一些参数进行特征分析，对器件性能进行建模。

半导体电容的物理特性

　　MOSCAP结构是在半导体制造过程中形成的一种基本器件结构（如图1所示）。尽管这类器件可以用于真实电路中，但是人们通常将其作为一种测试结构集成在制造工艺中。由于这种结构比较简单而且制造过程容易控制，因此它们是评测底层工艺的一种方便的方法。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　金属

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　二氧化硅 电容计（交流信号）P型

　　　　　　　　　　　　　　　　　图1. P型衬底上形成的MOSCAP结构的C-V测量电路

　　图1中的金属/多晶层是电容的一极，二氧化硅是绝缘层。由于绝缘层下面的衬底是一种半导体材料，因此它本身并不是电容的另一极。实际上，其中的多数载流子是电容的另一极。物理上而言，电容C可以通过下列公式中的变量计算出来：

　　C = A (κ/d), 其中

　　A是电容的面积，

　　κ是绝缘体的介电常数

　　d是两极的间距

　　因此，A 和 κ越大，绝缘体厚度越薄，电容值就越高。通常而言，半导体电容的大小范围从几纳法到几皮法，甚至更小。

　　进行C-V测量时要在电容的两极加载直流偏压同时利用一个交流信号进行测量（如图1所示）。通常情况下，这类测量使用的交流频率范围从10kHz到10MHz。所加载的偏压作为直流电压扫描驱动MOSCAP结构从累积区进入耗尽区，然后进入反型区（如图2所示）。

　　　　　　　　　　　　　　　　图2. C-V测试中获得的MOSCAP结构的直流偏压扫描

　　强大的直流偏压导致衬底中的多数载流子在绝缘层界面附近累积。由于它们无法穿透绝缘层，因此当电荷积累在界面附近（即d为最小值）时电容在累积区达到最大值。如图1所示。从C-V累积测量可以得到的一个基本参数就是二氧化硅的厚度tox。

　　当偏压降低时，多数载流子从氧化层界面被排斥开，耗尽区形成。当偏压反相时，电荷载流子远离氧化层达到最大距离，电容达到最小值（即d为最大值）。根据这时的反型区电容，可以推算出多数载流子的数量。这一基本原理同样适用于MOSFET晶体管，只是它们的物理结构和掺杂更加复杂。

　　在偏压扫过这三个区的过程中还可以得到多种其他参数，如图2所示。利用不同的交流信号频率可以得到其他细节信息。低频可以揭示所谓的准静态特征，而高频测试则可以表现出动态性能。这两类C-V测试通常都是需要的。

基本测试配置

　　图3给出了基本C-V测量配置的框图。由于C-V测量实际上是在交流频率下进行的，因此待测器件（DUT）的电容可以根据下列公式计算得到：

　　CDUT = IDUT / 2πfVac，其中

　　IDUT是流过DUT的交流电流幅值，

　　f是测试频率，

　　Vac是测得的交流电压的幅值和相角。

　　换而言之，这种测试通过加载交流电压然后测量产生的交流电流、交流电压和它们之间的阻抗相角，最终测出DUT的交流阻抗。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　交流源

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　交流伏特计

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　DUT电流

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　交流安培计

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3. C-V测量的基本测试配置

　　这些测量考虑了与电容相关的串联与并联电阻，以及耗散因子（漏流）。图4给出了这类测量可以测出的主要电路变量。

z, theta：阻抗