CV 测试中的一种异常现象及解决方法

刘 剑，吴会利

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

CV 测试，作为半导体科研生产中常用的测试方法，是对电容中电压的扫描采样，对栅氧化层等介质材料的电荷浓度以及掺杂分布等情况进行检测，以监控器件在制造过程中可能受到的金属离子沾污。然而有时会出现的扫描曲线异常现象并非由待测界面的电荷超标所致，使得测试不能反映实际的电荷情况。铝膜质量对CV 曲线异常造成的影响不可忽视。

2 CV 测试的基本步骤

测试第一步是在被测氧化层上方的铝点与下方的轻掺杂硅衬底之间施加步进电压扫描。对于N型硅是从负向正变化，使之从反型区经过耗尽区向积累区变化(见图1)。

第二步是先将硅片加热到250℃，保持5 分钟，同时在铝点上施加恒定的5V 电压，然后冷却，再移去偏置。这称为“正压温偏”。升温是为了增加污染离子的迁移率。正偏电压排斥沾污的正离子，将其驱赶到氧化层与硅的交界面。

第三步是重复第一步的CV 扫描。此时，若在二氧化硅与硅的界面处有聚集的正离子沾污，要使整个电容结构中的电荷相等就要求施加更负的电压。这就是电压漂移(△V)，示意图见图1。电压漂移的大小与氧化物中的沾污、氧化物的厚度以及硅片的掺杂成正比，一般在0.1V 左右都可接受。沾污离子的实际数量能通过该曲线图计算出来。

图1 正压温偏后正常的平带漂移(N 型衬底)

3 测试中的一种异常现象

前三步完成以后，增加一步负压温偏，即在铝点上加－5V 偏压，在250℃下保持5 分钟。正常情况下，除少数被陷阱俘获的正离子外，大多数可动正离子离开硅与二氧化硅的交界面，使CV 曲线得到部分恢复。但在实测中出现了异常:正压温偏之后平带几乎不漂移，负压温偏之后，出现－3V 左右的平带漂移(见图2)。

4 原因分析

正压温偏之后平带电压漂移为0.074V，相当小，又是正值，似表明氧化层相当纯净，几无可动正离子;但负压温偏之后平带漂移为－2.326V，这是相当大的，且漂移方向对应的是正压温偏所对应的漂移方向。故可以断定:第一次漂移过小，方向为正，不能反映真正的可动离子情况;第二次漂移过大，也不是由真正的可动离子所引起。在这次CV测试中，有一种与可动离子无关的“其他因素”介入其中，干扰了正常的平带漂移。而出现的这个－3V左右的电压，极有可能是来源于负压温偏时加在铝点上面的那个－5V的偏压。

进一步分析发现，这次测试所采用的测试结构的氧化层厚度均匀，折射率正常，致密性良好，与衬底硅之间的界面状态也较理想，不可能造成对－5V 电压的存储效应。而相比之下，铝点的质量较差，在溅射铝到二氧化硅上面之后，没有做过热处理，使得铝质较疏松，铝与氧化物之间的结合状态也非常差;－5V的电存储与释放造成的－3V 异常平带漂移，应是由铝的因素导致的。相当于说:正负压温偏过程实际上只起到了一点合金退火的作用，这里的平带漂移在一定程度上只反映了退火修复铝接触点的进程。

图2 平带漂移异常时CV 曲线图

5 问题解决

将测试片置于420℃氮氢环境30 分钟，进行合金退火处理。

合金退火后的CV 测试曲线如图3 所示。可见:正压温偏的平带漂移为－0.174V，符合理论上的正常数量级及方向;负压温偏的平带漂移为－0.311V，－3V 左右的大漂移值已经消失，虽然没有与初始CV 曲线完全重合，但这种数量级的漂移可以有另外的合理解释。它有可能反映了氧化层与硅之间正常存在着的界面态以及电荷陷阱。这证明了这次CV 测试出现的异常曲线确实是由铝点的缺陷造成的，而合金退火确实能极有效地修复这一缺陷，使CV 测试恢复正常效果。

图3 合金退火处理之后CV 曲线图

6 结束语

改善CV 测试的效果如下:

(1)在制备CV 测试片时，应注意铝材的选择，尽可能选用质地优良、致密、缺陷少的铝材。

(2)在铝的溅射或蒸发工艺中，有必要增加烘片处理，这样能使铝与氧化层的接触良好，应力小，不易出现暗伤。

(3)最重要的是，在制备好CV 测试样片之后，一定要加上一步合金退火，在适当温度与气体环境进行处理，以促进铝与氧化物在交界面处更好的融合，并尽可能修复可能会对测试造成不可预计影响的各种缺陷，极大限度地排除由铝对CV 测试中的电荷信息造成的干扰。

［1］谢孟贤，刘国维.半导体工艺原理(下册)［M］.北京:国防工业出版社，1980.

［2］孙以材.半导体测试技术［M］.北京:冶金工业出版社，1984.