半導體C-V測量入門(1)

電容-電壓（C-V）測試廣泛用于測量半導體器件，尤其是MOSCAP和MOSFET結構的參數。但是，通過C-V測量還能夠對很多其他類型的半導體器件和工藝進行特征分析，包括雙極結型晶體管（BJT）、JFET、III-V族化合物器件、光電電池、MEMS器件、有機TFT顯示器、光電二極管、碳納米管（CNT）等。

這類測量的基本特征對于很多應用和培訓都是十分有用的。大學實驗室和半導體制造商通過這類測量可以評估新材料、工藝、器件和電路。C-V測量對于從事產品與良率改進工作的工程技術人員也是極其重要的，他們要負責改進工藝和器件的性能。可靠性工程師通過這類測量檢驗材料供應商的產品是否合格，監測工藝參數，分析器件的失效機制。

采用適當的方法、儀器和軟件，我們可以測得很多半導體器件和材料的參數。從評估外延多晶的生長開始，這些信息在整個生產鏈中都會用到，包括平均摻雜濃度、摻雜分布、載流子壽命等參數。在圓片工藝中，通過C-V測量可以確定柵氧厚度、柵氧電荷、游離子（雜質）和界面阱密度。在另外一些工藝步驟之后還會用到這類測量，例如光刻、蝕刻、清洗、電介質與多晶硅沉積、金屬化。在圓片上完成整個器件制造工藝之后，還要在可靠性與基本器件測試階段通過C-V測量對閾值電壓和其他一些參數進行特征分析，對器件的性能進行建模。

半導體電容的物理特性
MOSCAP結構是半導體制造過程中的一種基本器件形態（如圖1所示）。雖然這類器件可以用于真正的電路中，但是一般將它們作為一種測試結構集成到制造工藝中。由于它們的結構簡單，制造過程容易控制，因此是一種十分方便的評估底層工藝的方法。

圖1. 在P型襯底上構成的MOSCAP結構的C-V測量電路

圖1中的金屬/多晶硅層是電容的一極，二氧化硅是絕緣體。由于絕緣層下面的襯底是半導體材料，因此它本身并不是電容的另一極。實際上，多數電荷載流子是電容的另一極。從物理上來看，電容C取決于下列公式中的各個變量：

C = A (κ/d)，其中

A是電容的面積， κ是絕緣體的介電常數， d是電容兩極之間的間距。

因此，參數A 和κ越大，絕緣體的厚度越薄，電容的值就越大。一般而言，半導體電容值的量級為納法到皮法，或者更小。

進行C-V測量時，通常在電容兩端施加直流偏壓，同時利用一個交流信號進行測量（如圖1所示）。一般地，這類測量中使用的交流信號頻率在10KHz到10MHz之間。所加載的直流偏壓用作直流電壓掃描，驅動MOSCAP結構從累積區進入耗盡區，然后進入反型區（如圖2所示）。

圖2. 在C-V測試中獲取的MOSCAP結構直流偏壓掃描結果

較強的直流偏壓會導致襯底中的多數載流子聚積在絕緣層的界面附近。由于它們無法穿越絕緣層，因此隨著電荷在界面附近不斷聚積，累積區中的電容達到最大值（即參數d達到最小值）。如圖1所示。從C-V累積測量中可以得到的一個基本參數是二氧化硅的厚度tox。

隨著偏壓的降低，多數載流子被從柵氧界面上排斥走，從而形成了耗盡區。當偏壓反相時，電荷載流子偏離氧化層的距離最大，電容達到最小值（即d達到最大值）。根據這一反型區電容，我們可以確定多數載流子的數量。MOSFET晶體管也具有類似的基本原理，只是它們的物理結構和摻雜情況更加復雜。

在將直流偏壓掃過圖2中三個區的過程中，我們還可以得到很多其他參數。采用不同的交流信號頻率可以反映更多的詳細信息。低頻測試可以反映所謂的準靜態特征，而高頻測試則可以表征晶體管的動態性能。這兩類C-V測試都是經常會用到的。