CV 測試中的一種異常現(xiàn)象及解決方法

劉 劍，吳會利

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

CV 測試，作為半導(dǎo)體科研生產(chǎn)中常用的測試方法，是對電容中電壓的掃描采樣，對柵氧化層等介質(zhì)材料的電荷濃度以及摻雜分布等情況進(jìn)行檢測，以監(jiān)控器件在制造過程中可能受到的金屬離子沾污。然而有時(shí)會出現(xiàn)的掃描曲線異?，F(xiàn)象并非由待測界面的電荷超標(biāo)所致，使得測試不能反映實(shí)際的電荷情況。鋁膜質(zhì)量對CV 曲線異常造成的影響不可忽視。

2 CV 測試的基本步驟

測試第一步是在被測氧化層上方的鋁點(diǎn)與下方的輕摻雜硅襯底之間施加步進(jìn)電壓掃描。對于N型硅是從負(fù)向正變化，使之從反型區(qū)經(jīng)過耗盡區(qū)向積累區(qū)變化(見圖1)。

第二步是先將硅片加熱到250℃，保持5 分鐘，同時(shí)在鋁點(diǎn)上施加恒定的5V 電壓，然后冷卻，再移去偏置。這稱為“正壓溫偏”。升溫是為了增加污染離子的遷移率。正偏電壓排斥沾污的正離子，將其驅(qū)趕到氧化層與硅的交界面。

第三步是重復(fù)第一步的CV 掃描。此時(shí)，若在二氧化硅與硅的界面處有聚集的正離子沾污，要使整個電容結(jié)構(gòu)中的電荷相等就要求施加更負(fù)的電壓。這就是電壓漂移(△V)，示意圖見圖1。電壓漂移的大小與氧化物中的沾污、氧化物的厚度以及硅片的摻雜成正比，一般在0.1V 左右都可接受。沾污離子的實(shí)際數(shù)量能通過該曲線圖計(jì)算出來。

圖1 正壓溫偏后正常的平帶漂移(N 型襯底)

3 測試中的一種異?，F(xiàn)象

前三步完成以后，增加一步負(fù)壓溫偏，即在鋁點(diǎn)上加－5V 偏壓，在250℃下保持5 分鐘。正常情況下，除少數(shù)被陷阱俘獲的正離子外，大多數(shù)可動正離子離開硅與二氧化硅的交界面，使CV 曲線得到部分恢復(fù)。但在實(shí)測中出現(xiàn)了異常:正壓溫偏之后平帶幾乎不漂移，負(fù)壓溫偏之后，出現(xiàn)－3V 左右的平帶漂移(見圖2)。

4 原因分析

正壓溫偏之后平帶電壓漂移為0.074V，相當(dāng)小，又是正值，似表明氧化層相當(dāng)純凈，幾無可動正離子;但負(fù)壓溫偏之后平帶漂移為－2.326V，這是相當(dāng)大的，且漂移方向?qū)?yīng)的是正壓溫偏所對應(yīng)的漂移方向。故可以斷定:第一次漂移過小，方向?yàn)檎?，不能反映真正的可動離子情況;第二次漂移過大，也不是由真正的可動離子所引起。在這次CV測試中，有一種與可動離子無關(guān)的“其他因素”介入其中，干擾了正常的平帶漂移。而出現(xiàn)的這個－3V左右的電壓，極有可能是來源于負(fù)壓溫偏時(shí)加在鋁點(diǎn)上面的那個－5V的偏壓。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這次測試所采用的測試結(jié)構(gòu)的氧化層厚度均勻，折射率正常，致密性良好，與襯底硅之間的界面狀態(tài)也較理想，不可能造成對－5V 電壓的存儲效應(yīng)。而相比之下，鋁點(diǎn)的質(zhì)量較差，在濺射鋁到二氧化硅上面之后，沒有做過熱處理，使得鋁質(zhì)較疏松，鋁與氧化物之間的結(jié)合狀態(tài)也非常差;－5V的電存儲與釋放造成的－3V 異常平帶漂移，應(yīng)是由鋁的因素導(dǎo)致的。相當(dāng)于說:正負(fù)壓溫偏過程實(shí)際上只起到了一點(diǎn)合金退火的作用，這里的平帶漂移在一定程度上只反映了退火修復(fù)鋁接觸點(diǎn)的進(jìn)程。

圖2 平帶漂移異常時(shí)CV 曲線圖

5 問題解決

將測試片置于420℃氮?dú)洵h(huán)境30 分鐘，進(jìn)行合金退火處理。

合金退火后的CV 測試曲線如圖3 所示?？梢?正壓溫偏的平帶漂移為－0.174V，符合理論上的正常數(shù)量級及方向;負(fù)壓溫偏的平帶漂移為－0.311V，－3V 左右的大漂移值已經(jīng)消失，雖然沒有與初始CV 曲線完全重合，但這種數(shù)量級的漂移可以有另外的合理解釋。它有可能反映了氧化層與硅之間正常存在著的界面態(tài)以及電荷陷阱。這證明了這次CV 測試出現(xiàn)的異常曲線確實(shí)是由鋁點(diǎn)的缺陷造成的，而合金退火確實(shí)能極有效地修復(fù)這一缺陷，使CV 測試恢復(fù)正常效果。

圖3 合金退火處理之后CV 曲線圖

6 結(jié)束語

改善CV 測試的效果如下:

(1)在制備CV 測試片時(shí)，應(yīng)注意鋁材的選擇，盡可能選用質(zhì)地優(yōu)良、致密、缺陷少的鋁材。

(2)在鋁的濺射或蒸發(fā)工藝中，有必要增加烘片處理，這樣能使鋁與氧化層的接觸良好，應(yīng)力小，不易出現(xiàn)暗傷。

(3)最重要的是，在制備好CV 測試樣片之后，一定要加上一步合金退火，在適當(dāng)溫度與氣體環(huán)境進(jìn)行處理，以促進(jìn)鋁與氧化物在交界面處更好的融合，并盡可能修復(fù)可能會對測試造成不可預(yù)計(jì)影響的各種缺陷，極大限度地排除由鋁對CV 測試中的電荷信息造成的干擾。

［1］謝孟賢，劉國維.半導(dǎo)體工藝原理(下冊)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1980.

［2］孫以材.半導(dǎo)體測試技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1984.