准静态C_V法测量硅表面态密度分布及数据处理.pdf

准静态 C V 测量硅表面态密度分布和数据处理 钱敏1 刘蓓1 辛煜2 11 苏州大学 电子信息学院 微电子系 江苏 苏州 215021 21 苏州大学 物理科学与技术学院 江苏 苏州 215006 摘要 半导体材料研究表面态问题 集成电路工艺研究中的一个重要问题 研究了禁带中表面态的分布规律 微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积 ECR CVD 方法在 p 低介电常数绝缘介质沉积在型硅衬底上MOS 结构 样品高频 和准静态 C V 测试 基于给出表面态分析计算的原理 用 C 语言编写数值积分程序 数据处理分析集数据 计算表面态密度分布 给出分布曲线 结果表明 该 样品 p Si 材料禁带中表面态连续分布广泛 两个峰值出现在靠近价带的一侧 关键词 C V 测试 表面态分布 数据处理 数值积分 中图分类号 TM23 TN304 文献标识码 A 文章编号 1003 353X 2007 07 0577 04 Determination of the Surface State Distribution of Si Based on Quas i Static C V Test and Its Data Processing QIAN Min1 LIU Bei1 XIN Yu2 1 Department o f Microelectronics School o f Electronics 21School of Physics surface state distribution data processing digital integral calculus 1 引言 许多半导体器件的特性和半导体的表面性质 密切的联系 如 MOS 器件 CCD 和表面发光器件 等 制造半导体器件和集成电路时，表面态的影响是 需要注意的重要问题 1 例如，半导体的表面态对晶体 管道和集成电路的参数和稳定性有很大的影响 表面 态度密度随晶体的方向而变化 对于硅晶体 表面态密度 大小按 111 110 100 的顺序而变 故在制造 MOS 器件时 为了减少表面态的影响 通常选用 晶向硅单晶 因此 对半导体 研究表面现象 提高设备性能 探索新型器 一切都有积极意义 本文准备了MOS 结构样品 测试和分析了禁带中表面态的分布 2 样品制备及测试 微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积方 法在p Si 衬底上沉积 SiOCH 多孔低介电常数膜 前 技术专栏 Technology Column July 2007Semiconductor Technology Vol132 No17 577 驱气体为 SiH4 稀释气体为 Ar 和 N2O 流量比为 15B2 气压112Pa 衬底温度为 100 e 金属层为真 铝膜空气蒸发 试验薄膜厚度ET350台阶仪 用Agilent 4194A 该测量了阻抗分析仪MOS结构的 高频 C V 曲线 测试条件 在叠加 500 mV 的 1 MHz 在信号条件下 电压扫描 获得该MOS 结构在该 电压下相应的电容值 准静态 C V 超低频信号的曲线 发生器将信号加载到MOS结构 放大器放大输出信号 记录仪收集到一定偏压下的输出电压后 经标准 电容校准后得到 C V 曲线 电压变化率为 100 mV s 通过MOS 结构的位移电流在pA 量级 3 表面态测试分析原理 Si 未成键电子的表面 悬挂键 会在 Si 的 表面能级引入禁带 相应的电子状态称为表面 态 这些额外的表面水平可以吸收或释放电子 从而呈现 受主表面态0 或 施主表面态0 2 3 施 主表面态是指占用时呈电中性 撤空时带正电的电 子态 主表面态是指占用时带负电 撤空时呈电 中性电子态 究竟是属于 受主表面态0 还是 施主表面态0 与体内电子填充水平有关 电子交换发生在表面和体内 该过程由表面态能带的 决定费密能水平和体内费密能水平的相对高度 平衡 两者应保持平衡 通常 p Si 表面容易失去 电子与体内交换 表现为施主表面态 靠近价 带分布 n Si 体内容易获得电子表面态 表现 受主表面态 靠近导带分布 图 1 所示为 MOS 反偏时结构可以带结构 p Si 衬底 图 1 MOS 能带结和表面费密能级结构 加上外加电压 MOS 结构上时 Si 能带附 增加的表面势发生变化 表面处的 EFS相对于 EC或 EV发生了变化 表面电子能级填充水平表示 生了变化 实现化学势平衡 体内和表面态之间 电子交换发生 时间常数比较大 通常是准静态的 该过程发生在电压扫描时 也就是说，表面充电发生了 放电 等价于一个表面态电容 CSS 高频扫描时 充放电表面发生为时已晚 没有等价表面电容 根据其物理含义 定义如下 CSS dQSS d 7SS 1 由于表面态可以反映为等价宏观表面电容器 然后它提供了一种研究表面态的方法 首先 如 如何获得表面态能级的位置？ 由图 1 所示 各参量存 在如下关系 EC ES 1 2 Eg Ei EF q 7S 2 式中 7S为表面势 Eg为禁带宽度 Ei为本征 费密能级 EF为体 Si 的费密能级 因为费密能级 标志着填充能级的水平 因此，对费密能级的研究恰到好处 恰恰反映了表面能级的相关情况 表面能级可用于这里 ES取代 EFS 与一定的衬底混合浓度相比 NA 等式 右前两项是定值 从式 2 可以看出 ES只与 表面势能 q7S有关 调整外加电压变化 7S 从而 表面态的能级位置可以获得 那么如何获得表面态呢？ 能级面密度 该测试系统在高频和准静态下等效 电路如图2 所示 由此得到表达式 3 4 图 2 测试等效电路 高频时 1 CHF 1 COX 1 CSC 3 低频时 1 CHF 1 COX 1 CSC CSS 4 式中 CSC是半导体耗尽层电容 COX是绝缘层电容 CSS 是表面态等效电容 联立式 3 4 消去 CSC得到 CSS COX 1 COX CLF 1 1 COX CHF 1 5 NSS表面态能水平在单位面积单位能量间隔内 钱敏 等 准静态 C V 测量硅表面态密度分布和数据处理 578 半导体技术第一 32 卷第 7 期2007 年 7 月 数 当表面变化时 d 7S时 单位面积内的表面态 电荷数的变化为 dQSS qNSSd q 7S 所以有 NSS dQSS q2d 7SS CSS q2 6 即由 CSS可以求得 NSS 结合式 2 6 可以确 定NSS与 ES的关系 获得表面能量分布关系 4 参数分析原理 从以上原理分析可以看出 获得表面能量 量分布关系 表面势必须知道 7S 问题的关键是如此 何从 C V 不同外加偏压下确定曲线上的曲线 7S 下面 进行讨论 如图 3 所示 图 3 从 C V 确定曲线上的表面势 7S 外加偏压 V 于该MOS 结构上 则有 V VOX 7S 7 金属板上的电荷是 QM 低频时 CLF dQM dV COX dQM dVOX COXdVOX CLFdV 8 将式 7 代入式 8 得到 d 7S 1 CLF V COX dV 9 对式 9 积分得 7S Q V Va 1 CLF V COX dV 从而确定表面势 该公式的积分项为图3 中右斜阴 网格阴影网格阴影部分的面积 关键是如何获得积分 数 根据平带电压的定义 7S VFB 0 有 0 Q VFB Va 1 CLF V COX dV 所以有 Q VFB Va 1 CLF V COX dV 该积分对应网格阴影部分的面积 以上积分在 实验数据处理时，数值积分 从以上分析可以看出 表面态能级位置可通过 确定过值积分 从而确定表面态的分布 5 数据分析与编程 在实验中收集的高频和低频 C V 曲线如图 4 所示 高频时 由于 MOS 电子产生在表面反型层中 生与复合跟不上高频信号的变化 它没有总电容 贡献 所以电容趋于最小并达到恒定 由图 4 可以 明显看到 图 4 高频和低频实验测量 C V 曲线 实验测得该MOS 低介电常数层的绝对电 容值 C0 COX 为 7714 pF 台阶仪测得膜厚为 269 nm 圆铝电极的直径为1mm 根据电容表达式 COX E0Ers dOX S 10 低介电常数材料的相对介电常数可以确定 3101 根据相关半导体理论知识 高频时最小电容表 达式为 Cmin C0 1 1 2Er0 qErsd0 ErsEr0k0T NA In NA ni 1 2 11 式中 未知数为 NA 编程程序求解超过方程 可以确定该 p Si 衬底的平均掺杂浓度为NA 916 1015cm 3 假设混合均匀 通过平带电容的表达式 CFB C0 1 1 Er0 Ers ErsEr0k0T q2NAd20 1 2 12 得到相对平带电容的计算 019620 从而可以从 C V 确定曲线上平带电压的大小 VFB 0184 V 对 应第52 个测试点 以下是计算表面态分布的数值分析程序 C 语言 实验总共收集数据点 201 个 将所有原始 钱敏 等 准静态 C V 测量硅表面态密度分布和数据处理 July 2007Semiconductor Technology Vol132 No17 579 电容数据对 COX归一化处理 include stdio h0 void main M表面态计算程序 double v 201 ch 201 cl 201 vfb va s delt psi nss int i j k FILE fp fp fopen mycv txt0 r0 M打开原始数据 放入数组 for i 1 i 201 i i 1 fscanf fp f f f0 fclose fp vfb 0184 M第 52 个点 va v 1 s 0 M计算 Delta 数值积分 for k 1 k 51 k k 1 s s cl k cl k 1 v k 1 v k 2 delt s va vfb fp fopen surface txt0 w0 M输出表面态 数据 s 0 M数值积分 for j 1 j 0 psi 01925 v j 1 va s delt M表 面态能级 else psi 01925 v j 1 va s delt psi 1112 psi M变换成离价带的距离 nss 611 1e10 cl j 1 cl j ch j 1 ch j M表面表面密度 fprintf fp f f0 psi nss fclose fp 计算表面态数据后，计算表面态数据 用 excel 如图所示 5 所示 图 5 计算表面态分布 6 结论 表面态是半导体研究中一个非常重要的课题 本文对准备SiOCH 多孔低介电常数MOS 结构进行 了 C V 测试 计算数值积分分析程序 表面态 在Si 禁带分布广泛。 在价带以上 0121 eV 和0143 eV 有两个峰值 存在两个峰值 可能 与氧化过程中引入的杂质有关 也有可能在衬底里 杂质的外扩散有关 表面态密度值为 1 1012 115 10 13 eV 1cm 2 比理论值 1015小 这是因为硅表面 氧化膜存在后 大多数表面悬挂键被氧气饱和 表面态密度大大降低 4 实验中增加的偏压为 2 215 V 变化 所测得 的表面态的分布在价带以上 0121 0143 eV 变化 而 不在整个能带范围内变化 这是因为表面费密能 很难在大范围内改变级别 测量表面位置靠近导线 可使用带的分布n Si 来进行测试分析 参考文献 1 刘恩科 朱秉升 半导体物理学 M 西安 西安交通大 学出版社 1998 2 孙恒慧 包宗明 半导体物理实验 M 北京 高等教育 出版社 1985 3 孙以材 半导体测试技术 M 北京 冶金工业出版社 1984 4 刘新福 杜台平 半导体测试技术原理与应用 M 北 京 冶金工业出版社 2006 收稿日期 2006 12 01 作者简介 钱 敏 1970 男 苏州人 硕士 副教授 目前主要从事半导 体器件 集成电路设计 可编程器件和嵌入式系统等方面的研究 钱敏 等 准静态 C V 法测量硅表面态密度分布及数据处理 580 半导体技术第 32 卷第 7 期2007 年 7 月

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