Введение

Техника характеризации полупроводниковых материалов и устройств. Профилирование емкости-напряжения (или C–V профилирование, иногда CV-профилирование) — это метод характеризации полупроводниковых материалов и устройств. Приложенное напряжение изменяется, а емкость измеряется и отображается в виде графика зависимости от напряжения. В данной технике используется металл-полупроводниковый переход (барьер Шоттки), p–n переход или MOSFET для создания обедненной области — области, лишенной проводящих электронов и дырок, но которая может содержать ионизированные доноры и электрически активные дефекты или ловушки. Обедненная область с ионизированными зарядами внутри ведет себя как конденсатор. Изменяя напряжение, приложенное к переходу, можно изменять ширину обедненной области. Зависимость ширины обедненной области от приложенного напряжения предоставляет информацию о внутренних характеристиках полупроводника, таких как его профиль легирования и плотность электрически активных дефектов. Измерения могут проводиться в режиме постоянного тока или с использованием как постоянного, так и малого сигнала переменного тока (метод проводимости), либо с использованием большого сигнала переходного напряжения.

Применение

Многие исследователи используют измерения ёмкостно-вольтамперных характеристик (C–V) для определения параметров полупроводников, особенно в структурах MOSCAP и MOSFET. Однако измерения C–V также широко используются для характеристики других типов полупроводниковых устройств и технологий, включая биполярные транзисторы, JFET, соединения на основе III–V, фотоэлектрические элементы, MEMS-устройства, дисплеи на органических тонкоплёночных транзисторах (TFT), фотодиоды и углеродные нанотрубки (CNTs). Фундаментальный характер этих измерений делает их применимыми к широкому спектру исследовательских задач и дисциплин. Например, исследователи используют их в университетских и промышленных лабораториях для оценки новых процессов, материалов, устройств и схем. Эти измерения чрезвычайно ценны для инженеров по повышению качества продукции и выхода годных, отвечающих за улучшение процессов и характеристик устройств. Инженеры по надёжности также используют эти измерения для квалификации поставщиков используемых материалов, контроля параметров процессов и анализа механизмов отказов. Множество параметров полупроводниковых устройств и материалов можно получить из измерений C–V с использованием соответствующих методологий, приборов и программного обеспечения. Эта информация используется на протяжении всей цепочки производства полупроводников, начиная с оценки эпитаксиально выращенных кристаллов, включая такие параметры, как средняя концентрация примесей, профили примесей и время жизни носителей заряда. Измерения C–V могут выявить толщину оксида, заряды в оксиде, загрязнение подвижными ионами и плотность поверхностных ловушек в технологических процессах изготовления пластин. Профиль C–V, сгенерированный на платформе nanoHUB для массивных MOSFET с различной толщиной оксида. Обратите внимание, что красная кривая указывает на низкую частоту, а синяя кривая иллюстрирует высокочастотный профиль C–V. Особое внимание следует уделить сдвигу порогового напряжения при различной толщине оксида. Эти измерения остаются важными после выполнения других технологических этапов, включая литографию, травление, очистку, осаждение диэлектриков и поликремния, а также металлизацию. После полной сборки устройств профилирование C–V часто используется для характеристики пороговых напряжений и других параметров при испытаниях на надёжность и базовых испытаниях устройств, а также для моделирования характеристик устройств. Измерения C–V проводятся с использованием ёмкостно-вольтамперных измерителей электронных приборов. Они используются для анализа профилей легирования полупроводниковых устройств по полученным графикам C–V.

Характеристики CV металлической оксидной полупроводниковой структуры

Металл-оксид-полупроводниковая структура является критически важной частью MOSFET, управляя высотой потенциального барьера в канале посредством диэлектрика затвора. Работа n-канального MOSFET может быть разделена на три области, представленные ниже и соответствующие правой фигуре.

Утопительный эффект

Когда к металлу прикладывается небольшое положительное напряжение смещения, верх валентной зоны удаляется от уровня Ферми, а дырки из объема полупроводника отталкиваются от затвора, что приводит к низкой концентрации носителей заряда и, следовательно, к низкой ёмкости (впадина в середине рисунка справа).

Инверсия

При еще большем напряжении на затворе, вблизи поверхности полупроводника нижняя граница зоны проводимости приближается к уровню Ферми, что приводит к заполнению поверхности электронами, формируя инверсионный слой или n-канал на границе между полупроводником и диэлектриком. Это вызывает увеличение емкости, как показано в правой части рисунка.

Накопление

При подаче отрицательного напряжения на затвор-исток (положительного напряжения на исток-затвор) формируется p-канал на поверхности n-области, аналогично случаю с n-каналом, но с противоположной полярностью зарядов и напряжений. Увеличение плотности дырок соответствует увеличению ёмкости, показанной в левой части рисунка справа.