KIA MOS管

使用C-V曲線查Case

隨著半導(dǎo)體制程越來(lái)越復(fù)雜，我們最關(guān)鍵的參數(shù)Vt的控制越來(lái)越重要，有的時(shí)候我們的Vt如果單純是襯底濃度影響我們自然可以通過(guò)長(zhǎng)溝和短溝以及NMOS和PMOS是否同時(shí)變動(dòng)來(lái)確定是否是GOX還是Vt_IMP的問(wèn)題，其實(shí)這也是一種correlation它其實(shí)是一種邏輯思考方式，只是他是基于理論的。

本文來(lái)討論下MOS的C-V曲線與襯底濃度以及GOX特性的關(guān)系，這樣大家既可以用它來(lái)評(píng)估GOX特性，也可以用C-V曲線來(lái)判定Vt 的Case是由于什么造成的，其實(shí)同時(shí)也是為了介紹這個(gè)MOS晶體管的柵極結(jié)構(gòu)的C-V特性，既有助于我們理解這個(gè)理論，又可以用實(shí)際案例來(lái)驗(yàn)證。

講到MOS電容，他的結(jié)構(gòu)就是Gate-Oxide-Semiconductor的夾心電容結(jié)構(gòu)，其實(shí)就是高中物理講的平板電容結(jié)構(gòu)。而我們實(shí)際的平板電容的C-V特性下的電容式恒定值，因?yàn)殡娙莨礁咚傥覀冸娙葜缓徒殡姵?shù)以及厚度和面積相關(guān)，所以和電壓無(wú)關(guān)。不過(guò)MOS結(jié)構(gòu)的電容會(huì)隨著電壓的變化而變化。

MOS-Cap的電容結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，忽略源漏極就只剩下Gate-Oxide-Semiconductor(Well)了。所以叫MOS，也叫MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)。

介紹這樣的MOS-C的結(jié)構(gòu)之前，先介紹一個(gè)概念平帶電壓(Vfb, Flat-Band Voltage)。當(dāng)柵極無(wú)偏壓時(shí)候，理想情況下金屬功函數(shù)qΦm與半導(dǎo)體功函數(shù)qΦs的能量差應(yīng)該為零，也就是金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)差qΦms等于零。也就是說(shuō)零偏壓下，能帶是平的所以叫做平帶。而在柵極接正電壓或負(fù)電壓，則半導(dǎo)體一邊的能帶會(huì)受到下拉或上移影響而彎曲。

下面我們以PWELL (NMOS-C)為例，先討論這樣的MIS結(jié)構(gòu)下的三種特性：

1)當(dāng)柵極偏壓(Vg)小于0V時(shí)候，此時(shí)溝道由于電場(chǎng)感應(yīng)出多子空穴堆積在表面，故稱之為積累區(qū)(Accumulation)。

2)當(dāng)Vg>0時(shí)，此時(shí)溝道開(kāi)始感生出電子，先消耗掉原來(lái)Pwell的空穴，所以稱之為耗盡區(qū)(Depletion)。

3)當(dāng)Vg進(jìn)一步增大, Vg>>0V時(shí)，溝道已經(jīng)產(chǎn)生過(guò)量的電子反型出N型。此時(shí)為反型區(qū)(Inversion)，而溝道深度就是我們的反型區(qū)寬度。

所以根據(jù)上面的介紹，我們介紹各自的電容特性，并且畫(huà)出Poly-Oxide-PWELL (NMOS-C)的電容-電壓(C-V)特性曲線如下圖：

1)在積累區(qū)，由于襯底是PWELL，而積累的也是P-type，所以下電極只是導(dǎo)電特性變好，所以所有的柵極電壓全部加在GOX上，所以此時(shí)電容最大。

2)在耗盡區(qū)，隨著柵極電壓從積累區(qū)逐漸開(kāi)始增大，溝道逐漸開(kāi)始產(chǎn)生耗盡區(qū)，所以此時(shí)電壓是加在GOX和耗盡區(qū)連個(gè)串聯(lián)的電容上面，所以電容逐漸開(kāi)始減小。

3)在反型區(qū)，也就是Vg大于開(kāi)啟電壓時(shí)，此時(shí)耗盡區(qū)寬度達(dá)到最大值，所以進(jìn)入強(qiáng)反型，這個(gè)時(shí)候的電容達(dá)到最小值。

當(dāng)然還有個(gè)不容忽略的問(wèn)題是我們的測(cè)試電壓的頻率，當(dāng)頻率較低時(shí)，載流子的速度可以跟的上電壓頻率的變化，所以此時(shí)的反型區(qū)是被充電的最終還是達(dá)到GOX的厚度。

而如果是高頻，載流子速度根本趕不上反型區(qū)充電速度，所以只能保持在低電容狀態(tài)。而實(shí)際上這個(gè)反型區(qū)寬度與襯底濃度是有很大關(guān)系的(這個(gè)可能用Vt與襯底濃度的關(guān)系來(lái)理解，所以完全可以通過(guò)反型區(qū)高頻電容特性來(lái)判斷襯底濃度的變化~)

當(dāng)然，上面講的都是理論情況，也就是平帶為零的情況。而實(shí)際上平帶不可能為零，因?yàn)槲覀兊慕饘倥c半導(dǎo)體功函數(shù)是有差的，而且氧化層本身也會(huì)有電荷。

所以實(shí)際下半導(dǎo)體的能帶是默認(rèn)已經(jīng)彎曲的，所以我們一直有個(gè)平帶電壓測(cè)試就是使得金屬與半導(dǎo)體的能帶由彎曲還原到平帶狀態(tài)下的電壓就叫做平帶電壓(Vfb)，也是我們?cè)u(píng)估柵極氧化層的重要指標(biāo)。

通常柵氧中，氧化層缺陷是影響它電性的主要因素，而這些缺陷主要來(lái)自以下四種：

1) 界面陷阱電荷(Qit: Interface Trapped Charge)，它主要位于Si與SiO的界面處，主要由于氧化過(guò)程中未找到氧鍵的Si的懸掛鍵，它可以俘獲電子或空洞，所以可以帶正電或負(fù)電。

可以通過(guò)適當(dāng)?shù)幕鼗?Anneal)或者Alloy來(lái)降低硅懸掛鍵的濃度，或者選用<100>晶向的硅片(知道為啥CMOS用<100>的了吧)。

在C-V特性曲線上，高頻電容與施加電壓有關(guān)，Qit對(duì)高頻信號(hào)不做回應(yīng)所以不會(huì)改變，它只會(huì)對(duì)多余電荷的補(bǔ)充和消耗做出響應(yīng)(dVg/dt)，所以在耗盡區(qū)扭曲。

2) 氧化層固定電荷(Fixed Oxide Charge, Qf)。主要分布在距離Si/SiO2界面約2nm內(nèi)，主要由于氧化過(guò)程或結(jié)束后回火條件不合理導(dǎo)致部分硅沒(méi)有完全氧化產(chǎn)生硅正離子，由于這樣的正離子電荷存在，所以會(huì)導(dǎo)致C-V曲線里面平帶電壓的位移。

3) 氧化層陷阱電荷(Oxide Trapped Charge, Qot)。它主要是由于離子輻射、FN隧穿、或者熱載流子效應(yīng)造成的缺陷捕獲電子或空穴，故氧化層陷阱電荷既可以是正的也可以是負(fù)的還可以是電中性的。

主要與氧化層品質(zhì)有關(guān)，通常可以通過(guò)回火來(lái)消除俘獲電荷使其變成電中性(Neutual Trap)。由于捕獲電荷會(huì)由于初始加的電壓為正或?yàn)樨?fù)導(dǎo)致不同，所以可以根據(jù)高頻C-V曲線的正向掃描以及反向掃描的C-V的曲線來(lái)看是否含有Qot。

這種由于初始電壓不同造成的俘獲載流子的不同回路稱之為遲滯現(xiàn)象(Hysteresis Effect)。我們可以據(jù)此來(lái)判斷氧化層捕獲的電荷型態(tài)以及數(shù)量。

4) 可移動(dòng)離子電荷(Qm, Mobile ionic Charge)。主要來(lái)自人體或純水中的堿金屬離子(Na+, K+)，或者濕氧水汽里面的H+進(jìn)入氧化層，或者是氧化層中缺少氧而造成O++氧空位。這個(gè)東西主要是影響平帶電壓(Vfb)。

以上講的是GOX的電荷對(duì)C-V曲線的影響，當(dāng)然影響C-V曲線的因素還有以下方面。

1) 頻率：我們之前將高頻由于載流子來(lái)不及響應(yīng)，所以keep在最低了，而低頻在反型區(qū)電容也是最大值，所以頻率越低，反型區(qū)越向上平移。(當(dāng)然實(shí)際case過(guò)程中，我們都是fix 頻率比如100MHZ去測(cè)量的)。

2) 襯底濃度：這個(gè)主要是跟反型區(qū)寬度決定的，襯底濃度越高，越難反型，所以反型區(qū)寬度越窄，所以電容變大，所以電容曲線也向上移動(dòng)。

再講一個(gè)深耗盡(Deep Depletion)的概念，這個(gè)主要跟測(cè)試方法相關(guān)的。如果我們柵極電壓慢慢往上掃描，如果掃描速度過(guò)快，則反型層還來(lái)不及反型并達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這就是我們說(shuō)的深耗盡，這種情況下耗盡區(qū)寬度會(huì)持續(xù)增加，而導(dǎo)致電容進(jìn)一步降低。所以可以嘗試減小掃描step，并優(yōu)化Hold/wait time。

原文標(biāo)題：使用C-V曲線查Case

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審核編輯：湯梓紅