付強(qiáng)++劉曉為++王蔚++張宇峰++王喜蓮

摘 要：高頻CV特性測試儀，屬于半導(dǎo)體器件特性測量領(lǐng)域。為解決目前市面上C-V特性測試儀低分辨率、低線性度的問題，本測試儀采用高頻調(diào)制原理抑制低頻噪聲，采用平方率檢波原理實(shí)現(xiàn)低失真電容測量。該儀器基于高性能單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立人機(jī)交互和聯(lián)機(jī)測試等多種測量模式。儀器包括電源模塊、人機(jī)交互模塊、USB通訊模塊、單片機(jī)控制模塊、高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、平方率檢波模塊和電容檢測放大模塊；待測電容Cx兩端信號(hào)被電容檢測放大模塊放大處理后，輸出含有正弦波的信號(hào)，信號(hào)幅值反應(yīng)電容值的大小，平方率檢波模塊輸出直流分量，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)作為待測電容Cx的電容值的取值結(jié)果送到單片機(jī)控制模塊中，該值可在人機(jī)交互模塊上顯示，也可以通過USB通訊模塊上傳至電腦中。

關(guān)鍵詞：高頻CV特性 半導(dǎo)體器件 人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TN386.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0148-03

電容—電壓（C-V）特性儀被廣泛應(yīng)用在半導(dǎo)體參數(shù)測試領(lǐng)域，高校的實(shí)驗(yàn)室和半導(dǎo)體制造廠商利用這類測試結(jié)果來評估新材料、新工藝以及新電路的性能。目前高頻C-V特性測試儀正在向高分辨率和大量程的方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)C-V特性測量方法采用將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字化，其數(shù)字化對A/D的要求較高，很難達(dá)到理想的線性度。在其他的C-V特性測量方法中，將電容信號(hào)耦合至交流信號(hào)的幅值之中，由于各個(gè)器件所引入的非線性，系統(tǒng)整體的線性度將不可控。所以一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單，又具有高分辨率、高線性度以及大量程的半導(dǎo)體C-V電容測量系統(tǒng)能夠大大提高儀器的性能[2]。

1 高頻CV特性測試原理

MOS結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，充電電荷在半導(dǎo)體表面形成的空間電荷區(qū)（微米量級），半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)的厚度隨外加偏壓VG而改變，所以MOS電容C是微分電容[3]。

（1）

式中：QG是金屬電極上的電荷面密度；A是電極面積。

（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）等效電路 （c）p-SiMOS理想C-V曲線

圖1 MOS結(jié)構(gòu)及其C-V特性

理想情形下偏壓VG一部分降在SiO2上，記為Vo；一部分降在半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)[4]，記為Vs。半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電荷QG和金屬電極上的電荷Qs數(shù)量相等、符號(hào)相反，有：

（2）

式（2）表明MOS電容是C0和Cs串聯(lián)而成，其等效電路為圖1（b）所示。其中Co是以SiO2為介質(zhì)的氧化層電容，它的數(shù)值不隨VG改變，Cs是半導(dǎo)體表面空間電荷區(qū)電容，其數(shù)值隨VG改變。因此，有：

（3）

（4）

式中：ε0=8.86×10-12F/m、εr0=3.9×10-12F/m分別為真空介電常數(shù)和二氧化硅相對介電常數(shù)。

P型硅的理想MOS結(jié)構(gòu)高頻C-V特性曲線如圖1（c）所示，V軸表示外加偏壓，C軸是電容值。最大電容Cmax≈Co，最小電容Cmin和最大電容Cmax之間有如下關(guān)系：

（5）

式中：N為Si襯底參雜濃度；εrs=11.7×10-12F/m，為半導(dǎo)體的相對介電常數(shù)；KT（室溫）=0.0259eV；q=1.6×10-19C，為電子荷電；ni=1.45×1010cm-3，為Si本征載流子濃度。

通過測試曲線Cmax，根據(jù)公式（3）可以計(jì)算出d0，代入公式（5）即可計(jì)算N。

2 測試儀研制

本文提出一種新的檢測技術(shù)，采用高頻載波方式，將電容耦合與測試電路之中，該正弦信號(hào)的幅值之經(jīng)過放大、平方率檢波得到對應(yīng)電容值，經(jīng)過A/D采樣，單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后得到數(shù)字化的電容值輸出，整機(jī)原理框圖如圖2所示。本高頻CV特性測試儀包括電源模塊、人機(jī)交互模塊、USB通訊模塊、單片機(jī)控制模塊、高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、平方率檢波模塊和電容檢測放大模塊[5、6]。

本高頻CV特性測試儀采用了容抗放大器電路將電容大小耦合到信號(hào)的幅值之中，再通過平方率檢波留下直流分量，最后將直流分量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，簡單、準(zhǔn)確、高精度地將電容值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。由于采用了阻抗比例檢測的電容放大檢測模塊和平方率檢波模塊，使整個(gè)系統(tǒng)在1～1000pF的量程內(nèi)有較高的線性度和分辨率。

電源模塊為人機(jī)交互模塊、USB通訊模塊、單片機(jī)控制模塊和高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊提供+5V電源；為平方率檢波模塊提供±5V電源和±15V電源；為電容檢測放大模塊提供±15V電源。

單片機(jī)控制模塊控制高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生1MHz正弦負(fù)載波給電容檢測放大模塊，單片機(jī)控制模塊給電容檢測放大模塊提供實(shí)驗(yàn)加載電壓，變換不同值獲取其電容，以便于得到C-V特性曲線；采集待測電容Cx兩端信號(hào)被電容檢測放大模塊放大處理后，輸出含有正弦波的信號(hào)，待測電容Cx的電容值的大小耦合到信號(hào)的幅值之中，正弦波的幅值代表了待測電容Cx的電容值的大?。浑娙輽z測放大模塊輸出的信號(hào)送至平方率檢波模塊中，平方率檢波模塊留下直流分量，最后將直流分量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并作為待測電容Cx的電容值的取值結(jié)果送到單片機(jī)控制模塊中，該值可在人機(jī)交互模塊上顯示，也可以通過USB通訊模塊上傳至電腦中。

圖3所示為電容檢測放大模塊的具體電路。電容檢測放大模塊包括運(yùn)放U1、運(yùn)放U2、運(yùn)放U3、運(yùn)放U4、滑動(dòng)變阻器R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、滑動(dòng)變阻器R7、電阻R8、電阻R9、電容C1和電容C2；滑動(dòng)變阻器R1的一端連接高頻信號(hào)產(chǎn)生模塊104的高頻信號(hào)輸出端VIM；電阻R2的一端連接單片機(jī)控制模塊的實(shí)驗(yàn)加載電壓輸出端VDC，滑動(dòng)變阻器R1的另一端和電阻R2的另一端同時(shí)連接運(yùn)放U1的反相輸入端；運(yùn)放U1的同相輸入端通過電阻R3接地，運(yùn)放U1的反相輸入端和輸出端之間并聯(lián)電阻R4，運(yùn)放U1的輸出端連接同軸線端子P1并接地；運(yùn)放U2的反相輸入端同時(shí)連接電容C2的一端、電阻R6的一端和同軸線端子P2，并接地；運(yùn)放U2的同相輸入端同時(shí)連接電容C1的一端和電阻R5的一端，電阻R5的另一端和電容C1的另一端同時(shí)接地；運(yùn)放U5的輸出端同時(shí)連接電阻R6的另一端、電容C2的另一端和滑動(dòng)變阻器R7的一端，滑動(dòng)變阻器R7的另一端連接運(yùn)放U3的反相輸入端，運(yùn)放U3的同相輸入端通過電阻R8接地，運(yùn)放U3的輸出端連接運(yùn)放U4的同相輸入端，電阻R9并聯(lián)在運(yùn)放U3的反相輸入端和輸出端之間；運(yùn)放U4的反相輸入端和輸出端之間短接，且運(yùn)放U4的輸出端作為電容檢測放大模塊的輸出端；同軸線端子P1和同軸線端子P2分別連接待測電容Cx的兩端。電容放大檢測模塊的輸出正弦波的幅值即耦合了待測電容Cx的大小。endprint

圖4所示為平方率檢波模塊的具體電路圖。平方率檢波模塊包括模擬乘法器U5、運(yùn)放U6、運(yùn)放U7、穩(wěn)壓二極管D1、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、滑動(dòng)變阻器R17、電阻R18、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7和電容C8。模擬乘法器U5的兩個(gè)輸入端同時(shí)作為平方率檢波模塊105的輸入端，模擬乘法器U5的輸出端連接電阻R10的一端，電阻R10的另一端同時(shí)連接電容C3的一端和電阻R11的一端，電容C3的另一端接地；電阻R11的另一端同時(shí)連接電容C4的一端和電阻R12的一端，電容C4的另一端接地；電阻R12的另一端同時(shí)連接電阻R13的一端、電容C5的一端和電容C6的一端，電容C5的另一端接地；電阻R13的另一端同時(shí)連接電容C7的一端和運(yùn)放U6的同相輸入端，電容C7的另一端接地；電容C6的另一端同時(shí)連接電阻R14的一端、運(yùn)放U6的輸出端和電阻R15的一端，電阻R14的另一端連接運(yùn)放U6的反相輸入端；電阻R15的另一端連接運(yùn)放U7的同相輸入端，運(yùn)放U7的反相輸入端同時(shí)連接電阻R16的一端和滑動(dòng)變阻器R17的一端，電阻R16的另一端接地；滑動(dòng)變阻器R17的另一端同時(shí)連接運(yùn)放U7的輸出端和電阻R18的一端，電阻R18的另一端同時(shí)連接穩(wěn)壓二極管D1的陰極和電容C8的一端，穩(wěn)壓二極管D1的陽極和電容C8的另一端同時(shí)接地，電阻R18、穩(wěn)壓二極管D1和電容C8的公共節(jié)點(diǎn)作為平方率檢波模塊的輸出端。

平方率檢波模塊中模擬乘法器U5的輸出信號(hào)中的幅值K中包含了待測電容Cx的值，最后輸出直流信號(hào)大小為單片機(jī)A/D采樣合適的電壓值。

綜上，本文提出的高頻CV特性測試儀采用了阻抗比例檢測的電容放大檢測模塊和平方率檢波模塊，使整個(gè)系統(tǒng)在1～1000pF的量程內(nèi)有較高的線性度和分辨率。

3 實(shí)驗(yàn)測試

高頻C-V特性測試系統(tǒng)如圖5所示，系統(tǒng)包括具有偏壓、加熱控溫裝置、顯微系統(tǒng)的多功能探針臺(tái)，高頻CV特性測試儀以及上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境如圖6所示。

3.1 實(shí)驗(yàn)測試步驟

（1）準(zhǔn)備：如圖6所示，連接探針臺(tái)、C-V特性測試儀及計(jì)算機(jī)。開計(jì)算機(jī)進(jìn)入C-V測試狀態(tài)。

（2）測量：將樣片放在探針臺(tái)上接好，進(jìn)行測試，打印測試結(jié)果；在顯微鏡下測量被測MOS結(jié)構(gòu)Al電極直徑。

按照以上步驟得到的高頻C-V特性測試結(jié)果如圖7所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由C-V曲線1確定MOS結(jié)構(gòu)芯片襯底摻雜類型。利用公式（3）和（5）計(jì)算二氧化硅層厚度d0，及襯底摻雜濃度N。

4 結(jié)語

本文為了解決目前半導(dǎo)體CV特性測試儀的低分辨率、低線性度的問題，采用高頻調(diào)制方法抑制系統(tǒng)低頻噪聲，采用平方率檢波原理實(shí)現(xiàn)低失真電容測量。同時(shí)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出與獨(dú)立人機(jī)交互和聯(lián)機(jī)測試等多種測量模式，拓寬了該儀器的使用環(huán)境要求。本儀器實(shí)現(xiàn)了1～1000pF的量程內(nèi)有較高的線性度和分辨率，適合高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)和基礎(chǔ)科研工作開展，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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