聶 凱

(安徽工商職業(yè)學院 應用工程學院，安徽 合肥 231131)

給具有MOS(Metal-Oxide-Semiconductor金屬氧化物半導體)結(jié)構(gòu)的器件外加電壓，因結(jié)構(gòu)的特殊性，其中會產(chǎn)生一定的寄生電容[1]。我們把這種電容量隨外加電壓變化的曲線稱之為C-V特性曲線(簡稱C-V特性)。借助于C-V測量技術(shù)人們從中獲取了有關(guān)器件和材料特征的重要數(shù)據(jù)，它是我們分析與測試半導體器件特征特性的基礎(chǔ)。通過分析測量結(jié)果可輔助工程技術(shù)人員將工藝參數(shù)的檢測，失效機理的分析以及進一步優(yōu)化器件工藝和性能等作為判斷、參考和借鑒的依據(jù)[2]。

1 技術(shù)原理

電容—電壓測量技術(shù)一般是在交流環(huán)境下進行。然而，有一些電容測量應用軟件環(huán)境中需要在直流條件下實施，即它們是在一個測試頻率很低，幾乎是直流的條件下操作[3]。故其被稱為準靜態(tài)C-V(Quasistatic C-V，以下簡稱QSCV)測量，這種測量通常是以提供一個直流電壓來測量相應產(chǎn)生的電流或電荷[4]。對于QSCV常使用的測量技術(shù)方法有反饋電荷法和線性漸變法。而基于4200A-SCS參數(shù)分析器則可采用新的測量方法：斜率法。該測量方法是基于兩個分別帶有前端放大功能的源測量單元4200-SMUs(Source Measure Units)，在測量電路中，源測量單元提供源電流先對被測設(shè)備進行充電，再測量出電壓、時間以及放電電流之間的對應關(guān)系。之所以要進行前端放大，是因為這個測試所搭建環(huán)境涉及到的激勵源電流和要測量的電流大小都處于皮安數(shù)量級，即電流很小很細微，因此，前端放大是必需的。

2 技術(shù)實現(xiàn)

2.1 斜率法

圖1為使用斜率法對DUT(被測設(shè)備Device Under Test的簡稱)進行電荷容量測量的接線圖。由圖1可以看出，電路組成中需要兩個帶有前端放大功能的源測量單元隨機連接至被測設(shè)備兩端。需要特別說明的是，斜率法適用范圍也是有限的，即被測設(shè)備的電容量應介于1pF到400pF之間。

圖1 基于SMUs的斜率法DUT電荷容量測量接線圖

斜率法大致原理是這樣的，通過利用一個源測量單元(如圖1中的SMU1所示：ForceSMU，以下簡稱激勵單元)提供的激勵電流給被測設(shè)備加一特定直流充電電壓。一旦被測設(shè)備被充以電流，就會產(chǎn)生一個與充電電流極性(或方向)相反的對被測設(shè)備進行放電的電流，通過該放電電流，激勵單元測量得到一個基于時域的電壓；第二個SMU(如圖1中的SMU2所示：MeasureSMU，以下簡稱測量單元)負責測量該放電電流。依據(jù)被測量到的電壓(U)、電流(I)、時間(t)值、被測設(shè)備電容大小(C)就可根據(jù)電壓與時間之間關(guān)系的導出：

(1)

(2)

2.2 測試

2.2.1 給設(shè)備充電：由SMU1對DUT實施100pA的預充電，直至電壓恒定。該電壓值一般是用戶自定義的，稱為啟動電壓VStart。預充電電流的極性與啟動電壓VStart一致，當預充電電流不足以激勵被測設(shè)備達到啟動電壓值VStart時，會生成一個超時錯誤提醒。

2.2.2 加偏置電壓：掃描前在用戶自定義時間里給被測設(shè)備加偏置電壓到啟動電壓VStart。

2.2.3 產(chǎn)生的感應電流向被測設(shè)備放電：在既定時間內(nèi)一旦被測設(shè)備被加以偏置電壓至啟動電壓VStart，感應電流即會向被測設(shè)備放電。從方向上來講，感應電流與預充電電流二者是反向的。感應電流值為：

Iramp=CVal×RampRate

(3)

其中：CVal為用戶輸入的預估電容值，單位：法拉(F)；

RampRate為用戶輸入激勵電壓的斜率(dU/dt)，單位：V/s。

2.2.4 同時觸發(fā)兩源測量單元測量參數(shù)：激勵單元測量電壓(U1，U2，U3…Un)和時間(T1，T2，T3…Tn)。測量單元測量電流(I1，I2，I3…In)。在感應電流未達到激勵電流大小(二者極性相反)之前完成電壓、時間和電流測量。

2.2.5 計算電壓、時間和電容輸出值：參數(shù)Uout、Tout和Cout將被實時提取并呈現(xiàn)在圖表中。它們的計算方法如下：

(4)

Tout=T2

(5)

(6)

2.3 軟件環(huán)境參數(shù)設(shè)置、測試執(zhí)行

Clarius軟件環(huán)境下，QSCVulib用戶庫中包含一個用戶模塊meas_qscv，在工程內(nèi)部，其可以作為一個自定義測試打開。

2.3.1 meas_qscv用戶模塊參數(shù)設(shè)置。使用meas_qscv用戶模塊創(chuàng)建測試后，需要對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，具體如下。

ForceSMU：激勵單元，其產(chǎn)生激勵電流到被測設(shè)備并測量基于時域的電壓。這個源測量單元必須有一個前端放大器，因為它將提供皮安數(shù)量級電流。

MeasureSMU：測量單元，其將測量電路中產(chǎn)生的電流。與激勵單元類似，這個源測量單元也必須有一個前端放大器，因為它將測量皮安數(shù)量級電流。

VStart：C-V掃描時對應的啟動和結(jié)束電壓。C-V掃描區(qū)間總是在0V左右進行。

CVal：電容值。該值需要預估，應盡量接近DUT的電荷容量。這個值往往決定了給被測設(shè)備充電的源流大小。

RampRate：用戶輸入激勵電壓的斜率(dU/dt)，單位：V/s。如果斜率過大，在掃描過程中很難得到足夠的數(shù)據(jù)點。同樣，如果斜率過小，數(shù)據(jù)點讀數(shù)又可能因有干擾而不夠精確。要想找出關(guān)于電壓斜率的最佳設(shè)置，多做些試驗是絕對有必要的。

PreSoakTime：開始進行C-V掃描操作之前，短時間內(nèi)給被測設(shè)備加以啟動電壓需要的時長。具體來說就是要有充足的時間給被測設(shè)備充電并達到平衡。

TimeOut：測試模塊時間用完前，允許給被測設(shè)備充電至啟動電壓值的時間。在某些情況下，例如當設(shè)備短路時，設(shè)備可能因短路而未達到VStart電壓；這個參數(shù)使測試模塊自動停止并生成錯誤消息。默認情況下，設(shè)置為10秒。

2.3.2 測試執(zhí)行

在工程中，打開meas_qscv用戶模塊可通過預先定義的應用測試來完成。在屏幕的左上角選擇Configure，在彈出窗口中的右窗格選擇QSCVulib用戶庫和meas_qscv用戶模塊。然后基于具體應用輸入適當?shù)牡闹?。實際上，在Clarius環(huán)境中，使用meas_qscv用戶模塊對被測設(shè)備進行準靜態(tài)C-V測量的測試已經(jīng)被創(chuàng)建在庫中。具體操作是，在屏幕的左上角選擇Select，從測試或項目庫中任意選擇一個，在搜索欄中輸入qscv并選擇搜索。qscv測試或項目將自動出現(xiàn)在中心窗格中。

基于斜率法的QSCV測量的工程目錄結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 斜率法QSCV測量的工程目錄

由圖2可看出，該項目包含一個名為ramprate-cvsweep的測試，用在MOSFET器件(被測設(shè)備)上進行測量。圖3是測試參數(shù)進行設(shè)置配置。

圖3 ramprate-cvsweep test參數(shù)配置

該測試中，SMU1(激勵單元)和SMU2(測量單元)是用來進行C-V測量的重要組成單元。其中，啟動電壓值設(shè)置為4V，即SMU將產(chǎn)生一個從-4V到+4V的電壓；近似電容值被估為10pF，作為CVal參數(shù)輸入。這個CVal電容值將用于確定電流變化率。如果該電容值被估的過低(例如，1E-12(1pF)而不是10E-12(10pF))，則電容測量中將不可避免出現(xiàn)因噪聲帶來的誤差；RampRate的值設(shè)置為0.7V/s。

根據(jù)被測參數(shù)中的電壓值，通過Clarius軟件計算出被測設(shè)備電容量，并在4200A-SCS參數(shù)分析器中顯示出電容-電壓(C-V)特性曲線。

其中，CVal電容值將用于確定電流變化率。如果該電容值被估的過低(例如，1E-12(1pF)而不是10E-12(10pF))，則電容測量中將不可避免出現(xiàn)因噪聲帶來的誤差。

RampRate的值設(shè)置為0.7V/s。在這種情況下，如果電壓變化率在1V/s，則會生成一條相對稍微平緩的曲線，但是獲取的有效數(shù)據(jù)點也相應會少一些；如果電壓變化率為0.1V/s，可以得到較多數(shù)據(jù)點，但噪音干擾也隨之明顯增強。因此，為了確定最佳方案，我們需要對正在測試的特定設(shè)備的參數(shù)設(shè)置進行多次試驗。

一旦被測設(shè)備DUT(本文選用N溝道MOS管的柵極和源極間外加電壓UGS下產(chǎn)生寄生電容CGS作為測量對象)連接到兩個源測量單元，預期輸入?yún)?shù)的測試便被創(chuàng)建并執(zhí)行C-V掃描。掃描結(jié)果顯示如圖4所示。

圖4 MOSFET器件QSCV曲線圖

從掃描結(jié)果(C-V曲線)看，NMOS管柵源所加線性電壓(-4V-+4V)，這個工作區(qū)間電壓的作用下，柵源間寄生電容的大小基本以UGS=0V為基準點附近隨著柵源間負電壓或正電壓絕對值的增大而增大，此外，特性曲線上表現(xiàn)出界面態(tài)現(xiàn)象，即Si與SiO2交界處的一些連續(xù)或分立的電子能帶或能級在短時間內(nèi)與襯底半導體發(fā)生電荷交換[5]，而對于理想的MOS結(jié)構(gòu)，由于把其氧化層看作完全絕緣，氧化層中不存在任何電荷，金屬與半導體的接觸電勢差也忽略了，因此氧化層與半導體界面上不會出現(xiàn)界面態(tài)[6]。理想化的MOS結(jié)構(gòu)QSCV特性曲線如下頁圖5所示。由此我們可以得出，在將MOS管的S極、D極以及基片(襯底)均接地時，此時可以將NMOS管看成一個兩端器件，且在不同的柵源電壓下寄生出不同的電容值(MOS管此時可作可變電容使用)，掃描結(jié)果反過來也有助于工程技術(shù)人員優(yōu)化MOS管的制作工藝、參數(shù)和性能：MOS管的導電類型及其摻雜濃度、SiO2-Si系統(tǒng)中的電荷密度等決定了寄生電容量和外加電壓的關(guān)系[7]。將實際測量到的MOS結(jié)構(gòu)的C-V曲線與理想的進行對比，可優(yōu)化dox(氧化硅層厚度)、N(基片襯底摻雜濃度)、QI(氧化層中可動電荷面密度)和Qfc(固定電荷面密度)等參數(shù)[8]。

圖5 理想MOS電容的QSCV特性曲線

3 測量中存在的問題及優(yōu)化建議

在meas_qscv模塊中對測量值影響最大的需要設(shè)置的參數(shù)是CVal和RampRate。CVal為被測裝置的近似值。如果輸入值大于設(shè)備的實際值，那么RampRate會更大，數(shù)據(jù)點也會更少。反之，如果輸入的電容值小于器件實際電容量、RampRate會更小，曲線上會有更多的數(shù)據(jù)點。在確保曲線穩(wěn)定的前提下，通常采用最大RampRate方式。然而，不可回避的問題是，掃描到的數(shù)據(jù)點不足，這也是斜率過大所帶來的測試短板。

可嘗試以下方法進行測量的進一步優(yōu)化。

3.1 在測試裝置中通過拖出探頭或電路開路情況下用meas_qscv模塊進行C-V特性曲線掃描。為了扣除電纜和探頭的偏移量影響，可使用公式取讀數(shù)平均值，測量結(jié)果減去平均偏移量。

3.2 在公式中可以使用移動平均值函數(shù)(MAVG)，降低曲線中的噪聲電平?？稍囍萌齻€讀數(shù)的移動平均，看看是否有所改善。需要注意的是，不宜將移動平均值設(shè)置得太大，否則會丟失C-V曲線該有的形狀[9]。

3.3 使用配備有三軸電纜的4200A-SCS，其具有良好的屏蔽和可監(jiān)視等優(yōu)點。為減少噪音靜電干擾，確保被測設(shè)備屏蔽，一般將其放置在金屬外殼中，并通過屏蔽端子將其連接到4200A-SCS的Force LO端子上。

對于MOS結(jié)構(gòu)的QSCV測量，我們需要使用各種技術(shù)來實現(xiàn)優(yōu)化測量精度，這些技術(shù)包括實施低電流試驗測量和在軟件中選擇適當?shù)膮?shù)設(shè)置[10]。利用斜率法使用配置有前端放大功能的4200-SMUs可以完成被測設(shè)備的準靜態(tài)C-V測量，該技術(shù)在Clarius軟件QSCV_uslib用戶庫中meas_qscv模塊里被應用。斜率法進行準靜態(tài)C-V測量時，由于涉及到激勵端和測量端都是皮安級電流，因此，采用低電平測量技術(shù)并選擇軟件中適當?shù)膮?shù)設(shè)置將能確保更佳的測量結(jié)果，工程技術(shù)人員借助于實際測量與理想化數(shù)據(jù)進行對比，對優(yōu)化MOS器件工藝和性能，對工藝參數(shù)的檢測，失效機理的分析等也都有著重要的參考與借鑒作用[11]。