高性能MOS結(jié)構(gòu)高頻CV特性測(cè)試儀的研制

付強(qiáng)++劉曉為++王蔚++張宇峰++王喜蓮

摘 要：高頻CV特性測(cè)試儀，屬于半導(dǎo)體器件特性測(cè)量領(lǐng)域。為解決目前市面上C-V特性測(cè)試儀低分辨率、低線性度的問(wèn)題，本測(cè)試儀采用高頻調(diào)制原理抑制低頻噪聲，采用平方率檢波原理實(shí)現(xiàn)低失真電容測(cè)量。該儀器基于高性能單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立人機(jī)交互和聯(lián)機(jī)測(cè)試等多種測(cè)量模式。儀器包括電源模塊、人機(jī)交互模塊、USB通訊模塊、單片機(jī)控制模塊、高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、平方率檢波模塊和電容檢測(cè)放大模塊；待測(cè)電容Cx兩端信號(hào)被電容檢測(cè)放大模塊放大處理后，輸出含有正弦波的信號(hào)，信號(hào)幅值反應(yīng)電容值的大小，平方率檢波模塊輸出直流分量，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)作為待測(cè)電容Cx的電容值的取值結(jié)果送到單片機(jī)控制模塊中，該值可在人機(jī)交互模塊上顯示，也可以通過(guò)USB通訊模塊上傳至電腦中。

關(guān)鍵詞：高頻CV特性 半導(dǎo)體器件 人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TN386.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0148-03

電容—電壓（C-V）特性儀被廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試領(lǐng)域，高校的實(shí)驗(yàn)室和半導(dǎo)體制造廠商利用這類測(cè)試結(jié)果來(lái)評(píng)估新材料、新工藝以及新電路的性能。目前高頻C-V特性測(cè)試儀正在向高分辨率和大量程的方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)C-V特性測(cè)量方法采用將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字化，其數(shù)字化對(duì)A/D的要求較高，很難達(dá)到理想的線性度。在其他的C-V特性測(cè)量方法中，將電容信號(hào)耦合至交流信號(hào)的幅值之中，由于各個(gè)器件所引入的非線性，系統(tǒng)整體的線性度將不可控。所以一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又具有高分辨率、高線性度以及大量程的半導(dǎo)體C-V電容測(cè)量系統(tǒng)能夠大大提高儀器的性能[2]。

1 高頻CV特性測(cè)試原理

MOS結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，充電電荷在半導(dǎo)體表面形成的空間電荷區(qū)（微米量級(jí)），半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的厚度隨外加偏壓VG而改變，所以MOS電容C是微分電容[3]。

（1）

式中：QG是金屬電極上的電荷面密度；A是電極面積。

（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）等效電路 （c）p-SiMOS理想C-V曲線

圖1 MOS結(jié)構(gòu)及其C-V特性

理想情形下偏壓VG一部分降在SiO2上，記為Vo；一部分降在半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)[4]，記為Vs。半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電荷QG和金屬電極上的電荷Qs數(shù)量相等、符號(hào)相反，有：

（2）

式（2）表明MOS電容是C0和Cs串聯(lián)而成，其等效電路為圖1（b）所示。其中Co是以SiO2為介質(zhì)的氧化層電容，它的數(shù)值不隨VG改變，Cs是半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電容，其數(shù)值隨VG改變。因此，有：

（3）

（4）

式中：ε0=8.86×10-12F/m、εr0=3.9×10-12F/m分別為真空介電常數(shù)和二氧化硅相對(duì)介電常數(shù)。

P型硅的理想MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性曲線如圖1（c）所示，V軸表示外加偏壓，C軸是電容值。最大電容Cmax≈Co，最小電容Cmin和最大電容Cmax之間有如下關(guān)系：

（5）

式中：N為Si襯底參雜濃度；εrs=11.7×10-12F/m，為半導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)；KT（室溫）=0.0259eV；q=1.6×10-19C，為電子荷電；ni=1.45×1010cm-3，為Si本征載流子濃度。

通過(guò)測(cè)試曲線Cmax，根據(jù)公式（3）可以計(jì)算出d0，代入公式（5）即可計(jì)算N。

2 測(cè)試儀研制

本文提出一種新的檢測(cè)技術(shù)，采用高頻載波方式，將電容耦合與測(cè)試電路之中，該正弦信號(hào)的幅值之經(jīng)過(guò)放大、平方率檢波得到對(duì)應(yīng)電容值，經(jīng)過(guò)A/D采樣，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后得到數(shù)字化的電容值輸出，整機(jī)原理框圖如圖2所示。本高頻CV特性測(cè)試儀包括電源模塊、人機(jī)交互模塊、USB通訊模塊、單片機(jī)控制模塊、高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、平方率檢波模塊和電容檢測(cè)放大模塊[5、6]。

本高頻CV特性測(cè)試儀采用了容抗放大器電路將電容大小耦合到信號(hào)的幅值之中，再通過(guò)平方率檢波留下直流分量，最后將直流分量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、高精度地將電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。由于采用了阻抗比例檢測(cè)的電容放大檢測(cè)模塊和平方率檢波模塊，使整個(gè)系統(tǒng)在1～1000pF的量程內(nèi)有較高的線性度和分辨率。

電源模塊為人機(jī)交互模塊、USB通訊模塊、單片機(jī)控制模塊和高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊提供+5V電源；為平方率檢波模塊提供±5V電源和±15V電源；為電容檢測(cè)放大模塊提供±15V電源。

單片機(jī)控制模塊控制高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生1MHz正弦負(fù)載波給電容檢測(cè)放大模塊，單片機(jī)控制模塊給電容檢測(cè)放大模塊提供實(shí)驗(yàn)加載電壓，變換不同值獲取其電容，以便于得到C-V特性曲線；采集待測(cè)電容Cx兩端信號(hào)被電容檢測(cè)放大模塊放大處理后，輸出含有正弦波的信號(hào)，待測(cè)電容Cx的電容值的大小耦合到信號(hào)的幅值之中，正弦波的幅值代表了待測(cè)電容Cx的電容值的大小；電容檢測(cè)放大模塊輸出的信號(hào)送至平方率檢波模塊中，平方率檢波模塊留下直流分量，最后將直流分量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并作為待測(cè)電容Cx的電容值的取值結(jié)果送到單片機(jī)控制模塊中，該值可在人機(jī)交互模塊上顯示，也可以通過(guò)USB通訊模塊上傳至電腦中。

圖3所示為電容檢測(cè)放大模塊的具體電路。電容檢測(cè)放大模塊包括運(yùn)放U1、運(yùn)放U2、運(yùn)放U3、運(yùn)放U4、滑動(dòng)變阻器R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、滑動(dòng)變阻器R7、電阻R8、電阻R9、電容C1和電容C2；滑動(dòng)變阻器R1的一端連接高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊104的高頻信號(hào)輸出端VIM；電阻R2的一端連接單片機(jī)控制模塊的實(shí)驗(yàn)加載電壓輸出端VDC，滑動(dòng)變阻器R1的另一端和電阻R2的另一端同時(shí)連接運(yùn)放U1的反相輸入端；運(yùn)放U1的同相輸入端通過(guò)電阻R3接地，運(yùn)放U1的反相輸入端和輸出端之間并聯(lián)電阻R4，運(yùn)放U1的輸出端連接同軸線端子P1并接地；運(yùn)放U2的反相輸入端同時(shí)連接電容C2的一端、電阻R6的一端和同軸線端子P2，并接地；運(yùn)放U2的同相輸入端同時(shí)連接電容C1的一端和電阻R5的一端，電阻R5的另一端和電容C1的另一端同時(shí)接地；運(yùn)放U5的輸出端同時(shí)連接電阻R6的另一端、電容C2的另一端和滑動(dòng)變阻器R7的一端，滑動(dòng)變阻器R7的另一端連接運(yùn)放U3的反相輸入端，運(yùn)放U3的同相輸入端通過(guò)電阻R8接地，運(yùn)放U3的輸出端連接運(yùn)放U4的同相輸入端，電阻R9并聯(lián)在運(yùn)放U3的反相輸入端和輸出端之間；運(yùn)放U4的反相輸入端和輸出端之間短接，且運(yùn)放U4的輸出端作為電容檢測(cè)放大模塊的輸出端；同軸線端子P1和同軸線端子P2分別連接待測(cè)電容Cx的兩端。電容放大檢測(cè)模塊的輸出正弦波的幅值即耦合了待測(cè)電容Cx的大小。endprint

圖4所示為平方率檢波模塊的具體電路圖。平方率檢波模塊包括模擬乘法器U5、運(yùn)放U6、運(yùn)放U7、穩(wěn)壓二極管D1、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、滑動(dòng)變阻器R17、電阻R18、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7和電容C8。模擬乘法器U5的兩個(gè)輸入端同時(shí)作為平方率檢波模塊105的輸入端，模擬乘法器U5的輸出端連接電阻R10的一端，電阻R10的另一端同時(shí)連接電容C3的一端和電阻R11的一端，電容C3的另一端接地；電阻R11的另一端同時(shí)連接電容C4的一端和電阻R12的一端，電容C4的另一端接地；電阻R12的另一端同時(shí)連接電阻R13的一端、電容C5的一端和電容C6的一端，電容C5的另一端接地；電阻R13的另一端同時(shí)連接電容C7的一端和運(yùn)放U6的同相輸入端，電容C7的另一端接地；電容C6的另一端同時(shí)連接電阻R14的一端、運(yùn)放U6的輸出端和電阻R15的一端，電阻R14的另一端連接運(yùn)放U6的反相輸入端；電阻R15的另一端連接運(yùn)放U7的同相輸入端，運(yùn)放U7的反相輸入端同時(shí)連接電阻R16的一端和滑動(dòng)變阻器R17的一端，電阻R16的另一端接地；滑動(dòng)變阻器R17的另一端同時(shí)連接運(yùn)放U7的輸出端和電阻R18的一端，電阻R18的另一端同時(shí)連接穩(wěn)壓二極管D1的陰極和電容C8的一端，穩(wěn)壓二極管D1的陽(yáng)極和電容C8的另一端同時(shí)接地，電阻R18、穩(wěn)壓二極管D1和電容C8的公共節(jié)點(diǎn)作為平方率檢波模塊的輸出端。

平方率檢波模塊中模擬乘法器U5的輸出信號(hào)中的幅值K中包含了待測(cè)電容Cx的值，最后輸出直流信號(hào)大小為單片機(jī)A/D采樣合適的電壓值。

綜上，本文提出的高頻CV特性測(cè)試儀采用了阻抗比例檢測(cè)的電容放大檢測(cè)模塊和平方率檢波模塊，使整個(gè)系統(tǒng)在1～1000pF的量程內(nèi)有較高的線性度和分辨率。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

高頻C-V特性測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，系統(tǒng)包括具有偏壓、加熱控溫裝置、顯微系統(tǒng)的多功能探針臺(tái)，高頻CV特性測(cè)試儀以及上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境如圖6所示。

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟

（1）準(zhǔn)備：如圖6所示，連接探針臺(tái)、C-V特性測(cè)試儀及計(jì)算機(jī)。開計(jì)算機(jī)進(jìn)入C-V測(cè)試狀態(tài)。

（2）測(cè)量：將樣片放在探針臺(tái)上接好，進(jìn)行測(cè)試，打印測(cè)試結(jié)果；在顯微鏡下測(cè)量被測(cè)MOS結(jié)構(gòu)Al電極直徑。

按照以上步驟得到的高頻C-V特性測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由C-V曲線1確定MOS結(jié)構(gòu)芯片襯底摻雜類型。利用公式（3）和（5）計(jì)算二氧化硅層厚度d0，及襯底摻雜濃度N。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為了解決目前半導(dǎo)體CV特性測(cè)試儀的低分辨率、低線性度的問(wèn)題，采用高頻調(diào)制方法抑制系統(tǒng)低頻噪聲，采用平方率檢波原理實(shí)現(xiàn)低失真電容測(cè)量。同時(shí)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出與獨(dú)立人機(jī)交互和聯(lián)機(jī)測(cè)試等多種測(cè)量模式，拓寬了該儀器的使用環(huán)境要求。本儀器實(shí)現(xiàn)了1～1000pF的量程內(nèi)有較高的線性度和分辨率，適合高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基礎(chǔ)科研工作開展，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

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