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Perfilado de capacitancia-voltaje

El perfilado capacitancia-voltaje (o perfilado C-V , a veces perfilado CV ) es una técnica para caracterizar materiales y dispositivos semiconductores. Se varía el voltaje aplic...

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El perfilado capacitancia-voltaje (o perfilado C-V , a veces perfilado CV ) es una técnica para caracterizar materiales y dispositivos semiconductores. Se varía el voltaje aplicado y se mide y grafica la capacitancia en función del voltaje. La técnica utiliza una unión metal - semiconductor ( barrera Schottky ) o una unión p-n [ 1 ] o un MOSFET para crear una región de agotamiento , una región que está vacía de electrones y huecos conductores , pero que puede contener donadores ionizados y defectos o trampas eléctricamente activos . La región de agotamiento con sus cargas ionizadas en el interior se comporta como un capacitor. Al variar el voltaje aplicado a la unión, es posible variar el ancho de la región de agotamiento . La dependencia del ancho de la región de agotamiento con respecto al voltaje aplicado proporciona información sobre las características internas del semiconductor, como su perfil de dopaje y las densidades de defectos eléctricamente activos . [ 2 ] , [ 3 ] Las mediciones pueden realizarse en CC, o utilizando tanto CC como una señal de CA de pequeña señal (el método de conductancia [ 3 ] , [ 4 ] ), o utilizando una tensión transitoria de gran señal . [ 5 ]

Solicitud

Muchos investigadores utilizan pruebas de capacitancia-voltaje (C-V) para determinar parámetros de semiconductores, especialmente en estructuras MOSCAP y MOSFET. Sin embargo, las mediciones C-V también se utilizan ampliamente para caracterizar otros tipos de dispositivos y tecnologías semiconductoras, como transistores de unión bipolar, JFET, dispositivos compuestos III-V, células fotovoltaicas, dispositivos MEMS, pantallas de transistores orgánicos de película delgada (TFT), fotodiodos y nanotubos de carbono (CNT).

La naturaleza fundamental de estas mediciones las hace aplicables a una amplia gama de tareas y disciplinas de investigación. Por ejemplo, los investigadores las utilizan en laboratorios universitarios y de fabricantes de semiconductores para evaluar nuevos procesos, materiales, dispositivos y circuitos. Estas mediciones son sumamente valiosas para los ingenieros de mejora de productos y rendimiento, quienes se encargan de optimizar los procesos y el desempeño de los dispositivos. Los ingenieros de confiabilidad también las utilizan para calificar a los proveedores de los materiales que emplean, monitorear los parámetros del proceso y analizar los mecanismos de falla.

Mediante mediciones C-V, con las metodologías, la instrumentación y el software adecuados, se pueden obtener multitud de parámetros de dispositivos y materiales semiconductores. Esta información se utiliza a lo largo de toda la cadena de producción de semiconductores, comenzando con la evaluación de cristales cultivados epitaxialmente, incluyendo parámetros como la concentración media de dopaje, los perfiles de dopaje y la vida útil de los portadores de carga.

Las mediciones C-V pueden revelar el espesor del óxido, las cargas del óxido, la contaminación por iones móviles y la densidad de trampas de interfaz en los procesos de fabricación de obleas. Perfil AC-V generado en nanoHUB para MOSFET masivos con diferentes espesores de óxido. Nótese que la curva roja indica baja frecuencia, mientras que la curva azul ilustra el perfil C-V de alta frecuencia. Preste especial atención al desplazamiento del voltaje umbral con diferentes espesores de óxido.

Estas mediciones siguen siendo importantes incluso después de que se hayan realizado otros pasos del proceso, como la litografía, el grabado, la limpieza, la deposición de dieléctricos y polisilicio, y la metalización, entre otros. Una vez que los dispositivos se han fabricado por completo, el perfilado C-V se utiliza a menudo para caracterizar los voltajes umbral y otros parámetros durante las pruebas de fiabilidad y las pruebas básicas del dispositivo, así como para modelar su rendimiento.

Las mediciones C-V se realizan utilizando medidores de capacitancia-voltaje de instrumentación electrónica. Se emplean para analizar los perfiles de dopaje de los dispositivos semiconductores a partir de las gráficas C-V obtenidas.

Perfil C-V para un MOSFET masivo con diferentes espesores de óxido.

Características C-V de la estructura metal-óxido-semiconductor

La estructura metal-óxido-semiconductor es una parte fundamental de un MOSFET , ya que controla la altura de la barrera de potencial en el canal a través del óxido de puerta.

El funcionamiento de un MOSFET de canal n se puede dividir en tres regiones, que se muestran a continuación y que corresponden a la figura de la derecha.

Agotamiento

Cuando se aplica una pequeña tensión de polarización positiva al metal, el borde de la banda de valencia se aleja del nivel de Fermi y los huecos del cuerpo se alejan de la puerta, lo que da como resultado una baja densidad de portadores, por lo que la capacitancia es baja (el valle en el centro de la figura de la derecha).

Inversión

Con una tensión de puerta aún mayor, cerca de la superficie del semiconductor, el borde de la banda de conducción se aproxima al nivel de Fermi, poblando la superficie con electrones en una capa de inversión o canal n en la interfaz entre el semiconductor y el óxido. Esto produce un aumento de la capacitancia, como se muestra en la parte derecha de la figura derecha.

Acumulación

Cuando se aplica un voltaje negativo entre puerta y fuente (o positivo entre fuente y puerta), se crea un canal p en la superficie de la región n , análogo al caso del canal n , pero con polaridades opuestas de cargas y voltajes. El aumento en la densidad de huecos corresponde a un aumento en la capacitancia, como se muestra en la parte izquierda de la figura derecha.

Véase también

Referencias

  1. ↑ J. Hilibrand y RD Gold, "Determinación de la distribución de impurezas en diodos de unión a partir de mediciones de capacitancia-voltaje", RCA Review, vol. 21, pág. 245, junio de 1960
  2. ↑ Alain C. Diebold, ed. (2001). Manual de metrología de semiconductores de silicio . CRC Press. págs. 59–60 . ISBN  0-8247-0506-8.
  3. 1 2 E.H. Nicollian, JR Brews (2002). Física y tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS) . Wiley. ISBN 978-0-471-43079-7.
  4. ↑ Andrzej Jakubowski, Henryk M. Przewłocki (1991). Mediciones de diagnóstico en la producción de circuitos integrados LSI/VLSI . World Scientific. pág. 159. ISBN  981-02-0282-2.
  5. ↑ Sheng S. Li y Sorin Cristoloveanu (1995). Caracterización eléctrica de materiales y dispositivos de silicio sobre aislante . Springer. Capítulo 6, pág. 163. ISBN 0-7923-9548-4.
  • El simulador MOScap de nanoHUB.org permite a los usuarios calcular las características CV para diferentes perfiles de dopaje, materiales y temperaturas.