高性能MOS结构高频CV特性测试仪的研制

付强++刘晓为++王蔚++张宇峰++王喜莲

摘 要：高频CV特性测试仪，属于半导体器件特性测量领域。为解决目前市面上C-V特性测试仪低分辨率、低线性度的问题，本测试仪采用高频调制原理抑制低频噪声，采用平方率检波原理实现低失真电容测量。该仪器基于高性能单片机控制，实现独立人机交互和联机测试等多种测量模式。仪器包括电源模块、人机交互模块、USB通讯模块、单片机控制模块、高频信号产生模块、平方率检波模块和电容检测放大模块；待测电容Cx两端信号被电容检测放大模块放大处理后，输出含有正弦波的信号，信号幅值反应电容值的大小，平方率检波模块输出直流分量，并转换为数字信号作为待测电容Cx的电容值的取值结果送到单片机控制模块中，该值可在人机交互模块上显示，也可以通过USB通讯模块上传至电脑中。

关键词：高频CV特性 半导体器件 人机交互

中图分类号：TN386.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0148-03

电容—电压（C-V）特性仪被广泛应用在半导体参数测试领域，高校的实验室和半导体制造厂商利用这类测试结果来评估新材料、新工艺以及新电路的性能。目前高频C-V特性测试仪正在向高分辨率和大量程的方向发展[1]。传统C-V特性测量方法采用将电容信号转换成频率信号后进行数字化，其数字化对A/D的要求较高，很难达到理想的线性度。在其他的C-V特性测量方法中，将电容信号耦合至交流信号的幅值之中，由于各个器件所引入的非线性，系统整体的线性度将不可控。所以一个结构简单，又具有高分辨率、高线性度以及大量程的半导体C-V电容测量系统能够大大提高仪器的性能[2]。

1 高频CV特性测试原理

MOS结构如图1（a）所示，充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区（微米量级），半导体表面空间电荷区的厚度随外加偏压VG而改变，所以MOS电容C是微分电容[3]。

（1）

式中：QG是金属电极上的电荷面密度；A是电极面积。

（a）结构示意图 （b）等效电路 （c）p-SiMOS理想C-V曲线

图1 MOS结构及其C-V特性

理想情形下偏压VG一部分降在SiO2上，记为Vo；一部分降在半导体表面空间电荷区[4]，记为Vs。半导体空间电荷区电荷QG和金属电极上的电荷Qs数量相等、符号相反，有：

（2）

式（2）表明MOS电容是C0和Cs串联而成，其等效电路为图1（b）所示。其中Co是以SiO2为介质的氧化层电容，它的数值不随VG改变，Cs是半导体表面空间电荷区电容，其数值随VG改变。因此，有：

（3）

（4）

式中：ε0=8.86×10-12F/m、εr0=3.9×10-12F/m分别为真空介电常数和二氧化硅相对介电常数。

P型硅的理想MOS结构高频C-V特性曲线如图1（c）所示，V轴表示外加偏压，C轴是电容值。最大电容Cmax≈Co，最小电容Cmin和最大电容Cmax之间有如下关系：

（5）

式中：N为Si衬底参杂浓度；εrs=11.7×10-12F/m，为半导体的相对介电常数；KT（室温）=0.0259eV；q=1.6×10-19C，为电子荷电；ni=1.45×1010cm-3，为Si本征载流子浓度。

通过测试曲线Cmax，根據公式（3）可以计算出d0，代入公式（5）即可计算N。

2 测试仪研制

本文提出一种新的检测技术，采用高频载波方式，将电容耦合与测试电路之中，该正弦信号的幅值之经过放大、平方率检波得到对应电容值，经过A/D采样，单片机数据处理后得到数字化的电容值输出，整机原理框图如图2所示。本高频CV特性测试仪包括电源模块、人机交互模块、USB通讯模块、单片机控制模块、高频信号产生模块、平方率检波模块和电容检测放大模块[5、6]。

本高频CV特性测试仪采用了容抗放大器电路将电容大小耦合到信号的幅值之中，再通过平方率检波留下直流分量，最后将直流分量转换为数字信号，简单、准确、高精度地将电容值转变为数字信号。由于采用了阻抗比例检测的电容放大检测模块和平方率检波模块，使整个系统在1～1000pF的量程内有较高的线性度和分辨率。

电源模块为人机交互模块、USB通讯模块、单片机控制模块和高频信号产生模块提供+5V电源；为平方率检波模块提供±5V电源和±15V电源；为电容检测放大模块提供±15V电源。

单片机控制模块控制高频信号产生模块产生1MHz正弦负载波给电容检测放大模块，单片机控制模块给电容检测放大模块提供实验加载电压，变换不同值获取其电容，以便于得到C-V特性曲线；采集待测电容Cx两端信号被电容检测放大模块放大处理后，输出含有正弦波的信号，待测电容Cx的电容值的大小耦合到信号的幅值之中，正弦波的幅值代表了待测电容Cx的电容值的大小；电容检测放大模块输出的信号送至平方率检波模块中，平方率检波模块留下直流分量，最后将直流分量转换为数字信号，并作为待测电容Cx的电容值的取值结果送到单片机控制模块中，该值可在人机交互模块上显示，也可以通过USB通讯模块上传至电脑中。

图3所示为电容检测放大模块的具体电路。电容检测放大模块包括运放U1、运放U2、运放U3、运放U4、滑动变阻器R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、滑动变阻器R7、电阻R8、电阻R9、电容C1和电容C2；滑动变阻器R1的一端连接高频信号产生模块104的高频信号输出端VIM；电阻R2的一端连接单片机控制模块的实验加载电压输出端VDC，滑动变阻器R1的另一端和电阻R2的另一端同时连接运放U1的反相输入端；运放U1的同相输入端通过电阻R3接地，运放U1的反相输入端和输出端之间并联电阻R4，运放U1的输出端连接同轴线端子P1并接地；运放U2的反相输入端同时连接电容C2的一端、电阻R6的一端和同轴线端子P2，并接地；运放U2的同相输入端同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端和电容C1的另一端同时接地；运放U5的输出端同时连接电阻R6的另一端、电容C2的另一端和滑动变阻器R7的一端，滑动变阻器R7的另一端连接运放U3的反相输入端，运放U3的同相输入端通过电阻R8接地，运放U3的输出端连接运放U4的同相输入端，电阻R9并联在运放U3的反相输入端和输出端之间；运放U4的反相输入端和输出端之间短接，且运放U4的输出端作为电容检测放大模块的输出端；同轴线端子P1和同轴线端子P2分别连接待测电容Cx的两端。电容放大检测模块的输出正弦波的幅值即耦合了待测电容Cx的大小。endprint

图4所示为平方率检波模块的具体电路图。平方率检波模块包括模拟乘法器U5、运放U6、运放U7、稳压二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、滑动变阻器R17、电阻R18、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电容C8。模拟乘法器U5的两个输入端同时作为平方率检波模块105的输入端，模拟乘法器U5的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端同时连接电容C3的一端和电阻R11的一端，电容C3的另一端接地；电阻R11的另一端同时连接电容C4的一端和电阻R12的一端，电容C4的另一端接地；电阻R12的另一端同時连接电阻R13的一端、电容C5的一端和电容C6的一端，电容C5的另一端接地；电阻R13的另一端同时连接电容C7的一端和运放U6的同相输入端，电容C7的另一端接地；电容C6的另一端同时连接电阻R14的一端、运放U6的输出端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端连接运放U6的反相输入端；电阻R15的另一端连接运放U7的同相输入端，运放U7的反相输入端同时连接电阻R16的一端和滑动变阻器R17的一端，电阻R16的另一端接地；滑动变阻器R17的另一端同时连接运放U7的输出端和电阻R18的一端，电阻R18的另一端同时连接稳压二极管D1的阴极和电容C8的一端，稳压二极管D1的阳极和电容C8的另一端同时接地，电阻R18、稳压二极管D1和电容C8的公共节点作为平方率检波模块的输出端。

平方率检波模块中模拟乘法器U5的输出信号中的幅值K中包含了待测电容Cx的值，最后输出直流信号大小为单片机A/D采样合适的电压值。

综上，本文提出的高频CV特性测试仪采用了阻抗比例检测的电容放大检测模块和平方率检波模块，使整个系统在1～1000pF的量程内有较高的线性度和分辨率。

3 实验测试

高频C-V特性测试系统如图5所示，系统包括具有偏压、加热控温装置、显微系统的多功能探针台，高频CV特性测试仪以及上位计算机控制系统。实验测试环境如图6所示。

3.1 实验测试步骤

（1）准备：如图6所示，连接探针台、C-V特性测试仪及计算机。开计算机进入C-V测试状态。

（2）测量：将样片放在探针台上接好，进行测试，打印测试结果；在显微镜下测量被测MOS结构Al电极直径。

按照以上步骤得到的高频C-V特性测试结果如图7所示。

3.2 实验数据处理

由C-V曲线1确定MOS结构芯片衬底掺杂类型。利用公式（3）和（5）计算二氧化硅层厚度d0，及衬底掺杂浓度N。

4 结语

本文为了解决目前半导体CV特性测试仪的低分辨率、低线性度的问题，采用高频调制方法抑制系统低频噪声，采用平方率检波原理实现低失真电容测量。同时采用单片机实现数字化输出与独立人机交互和联机测试等多种测量模式，拓宽了该仪器的使用环境要求。本仪器实现了1～1000pF的量程内有较高的线性度和分辨率，适合高校实验教学和基础科研工作开展，具有重要的实用价值。

参考文献

[1] 熊海，孔学东，章晓文.MOS结构电容高频C-V特性的应用[J].半导体技术，2010，35（1）：94-98.

[2] 顾佩珊.关于“高频MOS-CV分析”实验装置中几个问题的探讨[J].半导体技术，1985（3）：33-34.

[3] Zaininger K H，Heiman F P.The C-V technique as an analytical tool[J].Solid State Technology， 1970，13（6）：46-55.

[4] 邵志标，何丕模.高频MOS-CV特性的界面态形变及其测量[J].西安交通大学学报，1995（1）：7-14.

[5] 陈永珍.在标准参数测试系统上开发CV分析功能-用于MOS器件参数失效分析[J].电子工业专用设备，2004， 33（5）：29-34.

[6] 陈国杰，曹辉，谢嘉宁.高性能MOS结构高频C-V特性测试仪[J].电测与仪表，2004，41（11）：22-24.endprint