C-V measurement

소개글

C-V measurement에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. MOS fundamentals
1.1 Ideal MOS structure
1.2 Effect of an applied bias
1.3 Capacitance-voltage characteristics
1.3.1 Qualitative theory
1.3.2 C-V curve에 영향을 미치는 인자들
1.3.3 Deep depletion

2. Non-ideal MOS capacitors
2.1 Metal-semiconductor workfunction difference
2.2 Oxide charge
2.2.1 General information
2.2.2 Mobile ions
2.2.3 Fixed charge
2.2.4 Interfacial traps
2.2.5 Oxide trapped charge

3. C-V measurement and main uses of C-V curve
3.1 C-V curve의 장단점
3.2 Criteria for impedance measurement
3.2.1 Basic equipments for impedance measurement
3.2.2 Measurement functions of 4192A
3.2.3 Measurement range
3.2.4 Impedance measurement
3.2.5 Internal dc bias
3.3 C-V 측정장비
3.4 C-V 측정으로 알 수 있는 parameter

본문내용

accuracy
LEFT | Z RIGHT |
, R, X
1 ∼1M
0.15%
LEFT | Y RIGHT |
, G, B
10 S∼10S
0.15%
theta
-180 180
0.08
② L-D·Q, C-D·Q Measurement
parameters
measurement range
basic accuracy
L
0.01nH∼100H
0.27%
C
0.1fF∼199mF
0.15%
D(1/Q)
0.0001∼19.999
0.001(C-measurement)
0.003(L-measurement)
3.3.5 Internal dc bias
① Voltage range : -35V∼+35V, 10mV step
② Setting accuracy(23 5 C) : 0.5% of setting +5mV
③ Bias control : spot and swept, using front panel controls or HP-IB
3.3 C-V 측정 장비
모델명 4192A LF(5Hz∼13MHz) Impedance Analyzer로 C-V를 측정할 수 있는데, 이 장치의 전면부는 <그림30>과 같다.
<그림30> 4192A front panel features
3.4 C-V 측정으로 알 수 있는 parameter
한 번의 측정으로 여러 가지 parameter를 구할 수 있는데, 구할 수 있는 parameter와 구하는 방법은 다음과 같다.
① 반도체의 doping type
C-V curve의 모양으로 n-type인지 p-type인지 알 수 있다. 즉, high frequency일 때 p-type은 전압이 증가할 때 C값이 감소하고, n-type은 전압이 증가할 때 C값이 증가한다.
<그림31> n-type의 경우 C-V curve
<그림32> p-type의 경우 C-V curve
② doping concentration
C-V curve에서 accumulation에서의 C값과 inversion(high frequency)에서의 C값으로부터 doping concentration을 구할 수 있다. 즉, 식 (5)에서 depletion width
W_T
를 구해서 식 (16)으로부터 doping concentration
N_A
를 구할 수 있다.
C_inv = { C_o C_s} over {C_o +C_s } = { C_o} over {1+ { K_o W_T} over { K_s x_o} }
(5)
W= LEFT ( {2 epsilon _s } over {qN_A } phi_s RIGHT )^1/2
(16)
보통은 미리 계산하여 그려놓은 <그림33>을 이용하게 되는데, 예를 들어서 5 m의 Si위에 950 의 oxide층이 입혀진 경우에
C_min /C_o =0.49
가 실험에서 얻어졌다면 <그림33>에서
alpha APPROX 16
이 나온다.
alpha =log_10 N
이므로
N SIMEQ 10^16 (cm^-3 )
이 얻어진다.
<그림33> Normalized MOS capacitance vs.
그러나 이 방법은 반도체의 두께가 최대 depletion width보다 작을 경우는 유용하지 않다. 이 때는 MOS flat band capacitance를 측정하여 최대 depletion width를 구할 수 있다. Flat band capacitance는 C-V curve에서
C/C_o =0.95
인 지점에서 1V만큼 이동한 지점에서의 capacitance로 정의된다. 이 flat band capacitance와 <그림35>를 이용하면
alpha
와 N을 구할 수 있는데, <그림34>에서
V_0.95 =-2.3V
,
V_FB =-1.3V
이 되고 capacitance는 0.88정도의 값을 갖는다. oxide capacitance는 0.035이고 <그림35>에서
alpha =16
,
N = 10^16 (cm^-3 )
이다.
<그림34> flat band capacitance
<그림35> Normalized flat band capacitance vs.
③ Oxide thickness
Capacitance 값을 알고
epsilon _ox
값을 알면
C_ox = { epsilon _ox} over { t_ox}
로부터 oxide thickness를 알 수 있다.
④ mobile charge
이것은 bias-temperature test라는 방법을 통해서 구할 수 있는데, positive bias를 가하고 고온으로 유지하다가 냉각시킨 후의 C-V curve와 negative bias를 가하고 고온으로 유지하다가 냉각시킨 후의 C-V curve를 구해서 두 curve에서
DELTA V_FB
를 이용하여 mobile charge의 양을 구할 수 있다.
Negative bias를 걸어주고 annealing한 경우 mobile charge는 거의 metal-oxide 계면에 있으므로
DELTA V_G
는 0이고, positive bias를 걸어주고 annealing한 경우 mobile charge는 거의 oxide-silicon 계면에 있으므로
DELTA V_G =- { Q_M} over {C_ox }
가 된다. 따라서
DELTA V_FB =- { Q_M} over {C_ox }
에서 mobile charge의 총량인
Q_M
을 구할 수 있다.
⑤ Fixed charge
Fixed charge는 C-V curve를 좌우로 평행이동 시키는 역할을 하므로 실험에서 구한 curve와 이론적으로 구한 curve를 비교하여
DELTA V_FB
를 구해야한다. 이
DELTA V_FB
는 fixed charge 뿐만 아니라 다른 charge에 의한 영향과 workfunction 차이에 의한 영향도 포함하고 있으므로 fixed charge를 제외한 다른 charge에 의한 효과들은 이미 알거나 혹은 너무 작아서 무시할 수 있어야한다. Workfunction의 차이를 같이 고려하면 fixed charge의 양은 식 (17)로 구할 수 있다.
DELTA V_FB -phi_ms =- { Q_f} over {C_ox }
(17)

키워드

C-V measurement,   MOS,   non-ideal MOS,   oxide charge,   C-V curve,   mobile charge,   fixed charge,   interface trapped charge