- 半導體電容的物理特性
- 基本測試配置框圖
- 緊密集成的源-測量單元、數字示波器和C-V表
- 方便集成其他外部?jì)x器
- 基于探針的高分辨率和高精度測量
- 測試配置和庫易于修改
通用測試
電容-電壓（C-V）測試廣泛用于測量半導體參數，尤其是MOSCAP和MOSFET結構。此外，利用C-V測量還可以對其他類(lèi)型的半導體器件和工藝進(jìn)行特征分析，包括雙極結型晶體管（BJT）、JFET、III-V族化合物器件、光伏電池、MEMS器件、有機TFT顯示器、光電二極管、碳納米管（CNT）和多種其他半導體器件。
這類(lèi)測量的基本特征非常適用于各種應用和培訓。大學(xué)的研究實(shí)驗室和半導體廠(chǎng)商利用這類(lèi)測量評測新材料、新工藝、新器件和新電路。C-V測量對于產(chǎn)品和良率增強工程師也是極其重要的，他們負責提高工藝和器件的性能?？煽啃怨こ處熇眠@類(lèi)測量評估材料供貨，監測工藝參數，分析失效機制。
采用一定的方法、儀器和軟件，可以得到多種半導體器件和材料的參數。從評測外延生長(cháng)的多晶開(kāi)始，這些信息在整個(gè)生產(chǎn)鏈中都會(huì )用到，包括諸如平均摻雜濃度、摻雜分布和載流子壽命等參數。在圓片工藝中，C-V測量可用于分析柵氧厚度、柵氧電荷、游離子（雜質(zhì)）和界面阱密度。在后續的工藝步驟中也會(huì )用到這類(lèi)測量，例如光刻、刻蝕、清洗、電介質(zhì)和多晶硅沉積、金屬化等。當在圓片上完全制造出器件之后，在可靠性和基本器件測試過(guò)程中可以利用C-V測量對閾值電壓和其他一些參數進(jìn)行特征分析，對器件性能進(jìn)行建模。
半導體電容的物理特性
MOSCAP結構是在半導體制造過(guò)程中形成的一種基本器件結構（如圖1所示）。盡管這類(lèi)器件可以用于真實(shí)電路中，但是人們通常將其作為一種測試結構集成在制造工藝中。由于這種結構比較簡(jiǎn)單而且制造過(guò)程容易控制，因此它們是評測底層工藝的一種方便的方法。
金屬二氧化硅電容計（交流信號）P型
圖1.P型襯底上形成的MOSCAP結構的C-V測量電路
圖1中的金屬/多晶層是電容的一極，二氧化硅是絕緣層。由于絕緣層下面的襯底是一種半導體材料，因此它本身并不是電容的另一極。實(shí)際上，其中的多數載流子是電容的另一極。物理上而言，電容C可以通過(guò)下列公式中的變量計算出來(lái)：
C=A(κ/d),其中
A是電容的面積，
κ是絕緣體的介電常數
d是兩極的間距
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因此，A和κ越大，絕緣體厚度越薄，電容值就越高。通常而言，半導體電容的大小范圍從幾納法到幾皮法，甚至更小。
進(jìn)行C-V測量時(shí)要在電容的兩極加載直流偏壓同時(shí)利用一個(gè)交流信號進(jìn)行測量（如圖1所示）。通常情況下，這類(lèi)測量使用的交流頻率范圍從10kHz到10MHz。所加載的偏壓作為直流電壓掃描驅動(dòng)MOSCAP結構從累積區進(jìn)入耗盡區，然后進(jìn)入反型區（如圖2所示）。
圖2.C-V測試中獲得的MOSCAP結構的直流偏壓掃描
強大的直流偏壓導致襯底中的多數載流子在絕緣層界面附近累積。由于它們無(wú)法穿透絕緣層，因此當電荷積累在界面附近（即d為最小值）時(shí)電容在累積區達到最大值。如圖1所示。從C-V累積測量可以得到的一個(gè)基本參數就是二氧化硅的厚度tox。
當偏壓降低時(shí)，多數載流子從氧化層界面被排斥開(kāi)，耗盡區形成。當偏壓反相時(shí)，電荷載流子遠離氧化層達到最大距離，電容達到最小值（即d為最大值）。根據這時(shí)的反型區電容，可以推算出多數載流子的數量。這一基本原理同樣適用于MOSFET晶體管，只是它們的物理結構和摻雜更加復雜。
在偏壓掃過(guò)這三個(gè)區的過(guò)程中還可以得到多種其他參數，如圖2所示。利用不同的交流信號頻率可以得到其他細節信息。低頻可以揭示所謂的準靜態(tài)特征，而高頻測試則可以表現出動(dòng)態(tài)性能。這兩類(lèi)C-V測試通常都是需要的。
基本測試配置
圖3給出了基本C-V測量配置的框圖。由于C-V測量實(shí)際上是在交流頻率下進(jìn)行的，因此待測器件（DUT）的電容可以根據下列公式計算得到：
CDUT=IDUT/2πfVac，其中
IDUT是流過(guò)DUT的交流電流幅值，
f是測試頻率，
Vac是測得的交流電壓的幅值和相角。
換而言之，這種測試通過(guò)加載交流電壓然后測量產(chǎn)生的交流電流、交流電壓和它們之間的阻抗相角，最終測出DUT的交流阻抗。
交流源
交流伏特計
DUT電流
交流安培計
圖3.C-V測量的基本測試配置
這些測量考慮了與電容相關(guān)的串聯(lián)與并聯(lián)電阻，以及耗散因子（漏流）。圖4給出了這類(lèi)測量可以測出的主要電路變量。
[page]z,theta：阻抗與相角
R+jX：電阻與電抗
Cp-Gp：并聯(lián)電容與電導
Cs-Rs：串聯(lián)電容與電阻
其中：Z=阻抗
D=耗散因子
θ=相角
R=電阻
X=電抗
G=電導
圖4.C-V測量得到的主要電氣變量
成功C-V測量的挑戰
C-V測試配置的框圖雖然看上去非常簡(jiǎn)單，但是這種測試卻具有一定的挑戰。一般而言，測試人員在下面幾個(gè)方面會(huì )遇到麻煩：
•低電容測量（皮法和更小的值）
•C-V測試儀器與圓片器件的連接
•漏電容（高D）的測量
•利用硬件和軟件采集數據
•參數提取
克服這些挑戰需要仔細注意所用的技術(shù)以及合適的硬件和軟件。
低電容測量。如果C較小，那么DUT的交流響應電流就較低，難以測量。但是，在較高的頻率下，DUT阻抗將減小，從而電流會(huì )增大，比較容易測量。半導體電容通常非常低（低于1pF），低于很多LCR表的測量范圍。即使那些聲稱(chēng)能夠測量這些小電容值的測試儀可能也會(huì )由于說(shuō)明書(shū)晦澀難懂而很難判斷最終的測量精度。如果無(wú)法明確給出測試儀整個(gè)量程的精度，那么用戶(hù)需要因此而咨詢(xún)制造商。
高D（漏）電容。半導體電容除了C值較低之外，還具有泄漏的特點(diǎn)。當與電容并聯(lián)的等價(jià)電阻太低時(shí)就會(huì )出現這種情況。這會(huì )導致電阻性阻抗超過(guò)電容性阻抗，C值被噪聲所淹沒(méi)。對于具有超薄柵氧層的器件，D的值可能大于5。一般而言，隨著(zhù)D的增大，電容測量的精度迅速下降，因此高D是實(shí)際使用電容計的一個(gè)限制因素。同樣，較高的頻率有助于解決這一問(wèn)題。在較高的頻率下，電容性阻抗較低，使得電容電流較高，更容易進(jìn)行測量。
C-V測量的互連。大多數測試環(huán)境下，DUT都是圓片上的一個(gè)測試結構：它通過(guò)探測器、探針卡適配器和開(kāi)關(guān)矩陣連接C-V測試儀。即使沒(méi)有開(kāi)關(guān)，仍然也會(huì )使用探測器和大量的連線(xiàn)。在較高的頻率下，必須采用特殊的校正和補償技術(shù)。通常情況下，這是通過(guò)組合使用開(kāi)路、短路或者校準器件來(lái)實(shí)現的。由于硬件、布線(xiàn)和補償技術(shù)非常復雜，因此經(jīng)常與C-V測試應用工程師進(jìn)行交流是一個(gè)好的辦法。他們擅長(cháng)使用各種探測系統，克服各種互連問(wèn)題。
獲取有用的數據。除了上述的精度問(wèn)題，C-V數據采集中實(shí)際需要考慮的因素包括測試變量的儀器量程，參數提取軟件的多功能性和硬件的易用性。一般而言，C-V測試已僅限于約30V和10mA直流偏壓。但是，很多應用，例如LDMOS結構的特征分析、低k夾層電介質(zhì)、MEMS器件、有機TFT顯示器和光電二極管，需要在較高的電壓或電流下進(jìn)行測試。對于這些應用，需要單獨的高壓直流電源和電容計；高達400V的差分直流偏壓（0到±400V）和高達300mA的電流輸出是非常有用的。在C-V測試儀的HI和LO端加載差分直流偏壓能夠更靈活地控制DUT內的電場(chǎng)，這對于新型器件的研究和建模是非常有用的，例如納米級元件。
儀用軟件應該包括無(wú)需用戶(hù)編程可直接使用的測試例程。這些應該適用于大多數廣泛使用的器件工藝和測試技術(shù)，即本文前三段中提及的有關(guān)內容。有些研究者可能會(huì )對一些不常見(jiàn)的測試感興趣，例如對MIM（金屬-絕緣體-金屬）型電容進(jìn)行C-V和C-f掃描，測量圓片上的互連小電容，或者對雙端納米器件進(jìn)行C-V掃描。利用自動(dòng)繪圖功能能夠方便的實(shí)現參數提?。ɡ?，如圖5所示）。
圖5.利用吉時(shí)利4200-SCS進(jìn)行參數提取的實(shí)例表現了半導體的摻雜特征（左邊的藍線(xiàn)），它與1/C2與Vg的關(guān)系呈倒數關(guān)系（紅線(xiàn)）。右圖給出了摻雜分布，即每立方厘米的載流子數與襯底深度的函數關(guān)系。
通常，人們都希望工程技術(shù)人員和研究人員在幾乎沒(méi)有任何儀器使用經(jīng)驗或培訓的情況下就能夠進(jìn)行C-V測量。具有直觀(guān)用戶(hù)界面和簡(jiǎn)單易用特征的測試系統使得這一點(diǎn)成為現實(shí)。其中包括簡(jiǎn)單的測試配置、序列控制和數據分析。否則，用戶(hù)在掌握系統方面就要比采集和使用數據花費更多的時(shí)間。對測試系統其它考慮因素包括：
•緊密集成的源-測量單元、數字示波器和C-V表
•方便集成其他外部?jì)x器
•基于探針的高分辨率和高精度測量（直流偏壓低至毫伏級，電容測量低至飛法級）
•測試配置和庫易于修改
•提供檢測/故障診斷工具幫助用戶(hù)確定系統是否正常工作
