Профилирование емкости и напряжения (или профилирование C–V , иногда профилирование CV ) — это метод характеризации полупроводниковых материалов и устройств. Приложенное напряжение изменяется, а емкость измеряется и строится как функция напряжения. Метод использует переход металл - полупроводник ( барьер Шоттки ) или p–n-переход [1] или МОП-транзистор для создания области обеднения , области, которая свободна от проводящих электронов и дырок , но может содержать ионизированные доноры и электрически активные дефекты или ловушки . Область обеднения с ее ионизированными зарядами внутри ведет себя как конденсатор. Изменяя напряжение, приложенное к переходу, можно изменять ширину обеднения . Зависимость ширины обеднения от приложенного напряжения дает информацию о внутренних характеристиках полупроводника, таких как его профиль легирования и плотности электрически активных дефектов . [2] , [3] Измерения могут проводиться на постоянном токе или с использованием как постоянного тока, так и слабого переменного сигнала ( метод проводимости [3] , [4] ), или с использованием сильного переходного напряжения . [5]
Многие исследователи используют вольт-емкостное тестирование (C–V) для определения параметров полупроводников, особенно в структурах MOSCAP и MOSFET. Однако измерения C–V также широко используются для характеристики других типов полупроводниковых приборов и технологий, включая биполярные транзисторы, JFET, устройства на основе соединений III–V, фотоэлектрические элементы, устройства MEMS, дисплеи на органических тонкопленочных транзисторах (TFT), фотодиоды и углеродные нанотрубки (CNT).
Фундаментальная природа этих измерений делает их применимыми к широкому спектру исследовательских задач и дисциплин. Например, исследователи используют их в лабораториях университетов и производителей полупроводников для оценки новых процессов, материалов, устройств и схем. Эти измерения чрезвычайно ценны для инженеров по улучшению продукции и производительности, которые отвечают за улучшение процессов и производительности устройств. Инженеры по надежности также используют эти измерения для квалификации поставщиков используемых ими материалов, для мониторинга параметров процесса и анализа механизмов отказа.
Множество параметров полупроводниковых устройств и материалов можно получить из измерений C–V с помощью соответствующих методик, приборов и программного обеспечения. Эта информация используется на протяжении всей цепочки производства полупроводников и начинается с оценки эпитаксиально выращенных кристаллов, включая такие параметры, как средняя концентрация легирования, профили легирования и время жизни носителей.
Измерения C–V могут выявить толщину оксида, заряды оксида, загрязнение подвижными ионами и плотность интерфейсных ловушек в процессах обработки пластин. Профиль AC–V, созданный на nanoHUB для объемного МОП-транзистора с различной толщиной оксида. Обратите внимание, что красная кривая указывает на низкую частоту, тогда как синяя кривая иллюстрирует высокочастотный профиль C–V. Обратите особое внимание на сдвиг порогового напряжения при различной толщине оксида.
Эти измерения продолжают быть важными после выполнения других этапов процесса, включая литографию, травление, очистку, осаждение диэлектрика и поликремния, металлизацию и т. д. После того, как устройства полностью изготовлены, профилирование C–V часто используется для характеристики пороговых напряжений и других параметров во время испытаний надежности и базовых испытаний устройств, а также для моделирования производительности устройств.
Измерения C–V проводятся с помощью вольт-емкостных измерителей Electronic Instrumentation. Они используются для анализа профилей легирования полупроводниковых приборов по полученным графикам C–V.
Структура металл-оксид-полупроводник является важнейшей частью МОП-транзистора , контролируя высоту потенциального барьера в канале через оксид затвора.
Работу n - канального МОП-транзистора можно разделить на три области, показанные ниже и соответствующие правому рисунку.
При приложении к металлу небольшого положительного напряжения смещения край валентной зоны смещается далеко от уровня Ферми , а дырки из тела удаляются от затвора, что приводит к низкой плотности носителей заряда, поэтому емкость мала (долина в середине рисунка справа).
При еще большем смещении затвора, вблизи поверхности полупроводника, край зоны проводимости приближается к уровню Ферми, заполняя поверхность электронами в инверсионном слое или n-канале на границе между полупроводником и оксидом. Это приводит к увеличению емкости, как показано в правой части правого рисунка.
При приложении отрицательного напряжения затвор-исток (положительного напряжения исток-затвор) на поверхности n -области создается p -канал , аналогичный случаю n -канала, но с противоположными полярностями зарядов и напряжений. Увеличение плотности дырок соответствует увеличению емкости, показанному в левой части правого рисунка.