1、中华人民共和国国家标准用栅控和非栅控二极管的电压电容关系测定硅外延层中净载流子浓度的标准方法国家技术监督局 批准 实施主题内容与适用范围本标准规定了用栅控和非栅控二极管的电压电容关系测定硅外延层中净载流子浓度的原理仪器与材料样品制备测量步骤和数据处理本标准适用于外延层厚度不小于某一最小厚度值见附录 的相同或相反导电类型衬底上的 型或 型外延层也适用于体材料引用标准用三探针击穿电压法测定硅外延层的电阻率术语击穿电压被测二极管出现 漏电流时的反向偏压方法原理测量栅控或非栅控 结或肖特基二极管的小讯号高频电容与反向偏压的函数关系由所测电容和反向偏压值确定净载流子浓度与深度的函数关系 对于栅控二极管的
2、测量 栅极加一恒定偏压仪器与材料电容电桥或电容计量程满刻度为 以十倍增大或减小 测量频率范围为 每个量程精度优于满刻度的 重复性优于满刻度的 仪器应能承受 或更高的外加直流偏压能补偿不低于 的外部探针架的杂散电容 内部交流测量讯号不大于数字电压表或电位计其灵敏度优于 精度优于满刻度的 重复性优于满刻度的 输入阻抗不小于以及在 时共模抑制比高于直流电源连续可调 能提供 开路 纹波低于 的直流输出曲线图示仪能监控二极管的正反向 特性 该曲线图示仪在 时反向能加到 在正向 时能加到 且灵敏度优于 分度标准电容在测量频率下精度优于 一个电容应在 范围内而另一电容应在 范围精密电压源能提供 输出电压 其
3、精度应优于输出电压的探针架固定二极管样品 能使探针与扩散区或势垒区外延层以及栅控二极管的栅极构成欧姆接触 并能在测量时使二极管不受光照应备有真空夹具对反型外延层的接触采用正表面接触 而对同型外延层则采用真空吸盘与衬底构成电接触工具显微镜投影仪或求积仪能测量结直径其精度优于 或者测量结面积 其精度优于屏蔽电缆实现探针台 电源 电容电桥或电容计以及数字电压表或电位差计之间的电连接直流电压源连续可调 输出电压为 范围直流输出的纹波不大于 测量非栅控二极管不需要此电源样品制备要根据外延层和衬底导电类型相同还是相反分别采用附录 补充件 或 测量外延层厚度 估计待测外延层的载流子浓度在被测外延层上制造栅控
4、的或非栅控的二极管样品结构参考附录 其有源区的面积为对于圆形有源区该面积对应于 范围直径制备结型二极管其表面载流子浓度至少是外延层载流子浓度的 倍结深小于 其结深按照附录 补充件 测量并记录 按照附录 补充件 或其他合适的方法测量并记录薄层电阻根据 由薄层电阻和结深确定和记录表面载流子浓度制作栅控二极管使栅极与结区或肖特基接触区边界相重叠 栅击穿电压如果使用方法 见 为测定栅控二极管的栅偏压 还要在未扩散的外延层区域上制作一个电容器测量步骤测量仪器的校准为了测量标准电容 把长度适当的屏蔽电缆连接到电容电桥或电容计上 在电容电桥或电容计只连接电缆而不连接标准电容的情况下调零将电缆连接到一个标准电
5、容上 测量并记录电容值 然后拆去电容器将电缆连接到另一个标准电容上测量并记录电容值 然后拆去电容器检查数字电压表或电位计在 内的性能用它测量这个电压范围内精密电压源的五个以上电压如果电容或电压测量仪器不符合所要求的指标 数值见 和 则需要按相应的仪器说明书进行必要的调节 使仪器在测量样品前符合所要求的指标根据所用测量仪器的类型测量并记录有源器件面积 精确到 或测量并记录器件的直径 精确到把样品放到探针台上 将探针台和尽可能接近有源区的外延层进行电连接 对相同导电类型衬底外延层的连接从衬底上引出用探针与二极管的势垒区或扩散区构成电连接应小心避免因探针压力太大而穿透浅扩散二极管的扩散层 引起短路或
6、产生过大的漏电流用屏蔽电缆连接探针台和图示仪 见在 正偏压下 按下述步骤测量二极管的正向电阻测量并记录 正向偏压时二极管的电流测量并记录 正向偏压时二极管的电流按下式计算并记录 值式中 正向偏压时的电流正向偏压时的电流因为 值等于或大于 时会在一些电容测量仪器中引进测量误差 为了使样品的正向电阻低于 需要使用合金 扩散或金属化的电接触用同一图示仪给测试二极管加反偏压测量并记录击穿电压 见 加偏压时不可与探针接触将加到探针上的电压降到零 并提起探针使它与势垒或扩散层的连接断开如果测量非栅控二极管 就按步骤 进行如果要测量栅控二极管 将探针下降与栅极接触 用图示仪在栅极和外延层之间加电压和 校验两
7、电压时的电流值是否小于 如果电流等于或小于 则图示仪的电压将为零并按步骤 测量 如果电流大于 则在外延片上选择用另外二极管 从 开始重复该程序如果 操作中出现栅击穿 将图示仪电压降为零 然后将探针降到一备用二极管上 在栅极和外延层间逐渐增加图示仪的电压记录发生栅击穿时的电压值 用此方法测量三个以上的二极管计算并记录平均击穿电压 作为典型的栅击穿电压断开探针和图示仪之间的屏蔽电缆 如果测量非栅控二极管 则按步骤 进行如测量栅控二极管可用方法 或 确定合适的栅偏压 一般采用方法 需要更高精度时应采用方法方法 型外延层选用 的栅偏压而 型外延层则选用 栅偏压 如果在小于的电压下发生栅击穿就不能使用该
8、方法方法 使用外延片上制作的 电容器测量平带电压 用平带电压作为栅偏压在探针台与电容电桥或电容计之间连接屏蔽电缆 使电桥或电容计的低端与外延层或衬底连接见 而高端与接触势垒区或扩散区的探针连接 如测非栅控二极管 就按步骤 进行如果测量栅控二极管用另一根屏蔽电缆连接电源 见 和与栅极接触的探针 降低探针与栅极相接触 并按 确定在栅极探针与地之间加上合适的栅偏压 在任何情况下均应使电缆尽可能短 在栅有缺陷的情况下可用一个串联电阻作为一个限流器 在这种情况下用一个 电容器接在栅和地之间以保证栅交流接地电容电桥或电容计的调零方法如下加上一个额定的 反向偏压把电容电桥或电容计设定在最不灵敏的量程上 慢慢
9、地降下探针使它正好与被测二极管的垫垒区或扩散区接触 由电容电桥或电容计的正向偏转判断接触点情况选择电容电桥或电容计到指示不超过满刻度的最灵敏量程提高探针使其与势垒或扩散区的电接触刚好断开调节电容电桥或电容计使其在所选定的量程仪器的精度之内 的指示为零探针下降与势垒或扩散区接触 对被测二极管加上额定的 反向偏压并测量其电容 所加电压和所测电容每个值不低于三位有效数字 在数据表 见附录 中分别记录为 和 以后各次的电压和电容值也要记入该表中 表 表示增量法 所用的样品数据表的格式 表 表示曲线拟合法 所用的样品数据表的格式 尽管涉及到反向偏压但所有电压都看作为正值调节电压得到比前一电容值低 的一个
10、新电容值 该电压和电容值 每个值不低于三位有效数字 在数据表中分别记录为 和 当加上偏压时不可与探针接触重复 所述操作步骤使电容逐次下降 直至达到击穿电压或电容值开始随反向偏压的增大而增大时为止 测量栅控二极管且栅极不能承受 中 的电位则在电压不大于 时就停止测量 式中 是 所测定的栅击穿电压 是 或所确定的外加栅偏压而 是防止栅极击穿的安全余量 当测量程序结束时 将所有偏压降到零提高探针 并将样品从探针台上取下 对于增量法至少要使用四个数据点 而曲线拟合法 数据点的数目要与预期拟合的阶数相一致计算如果 中测量的是二极管直径而不是二极管面积则按下式计算二极管的面积式中 二极管面积直径周边的修正
11、如果被测二极管是用平面扩散 与台面相反 工艺制成的 结 对每个被测电容值进行如下的计算从被测电容值中减去周边或边缘的电容 并记录其结果 其他按 所述步骤进行用下列关系式计算并记录耗尽层宽度 估计值式中 第 个测量的电容用下列关系式计算并记录与所测电容 相对应的第 个周边电容的估算值式中 结深 见用下列关系式计算并记录被修正电容的估算值用下列关系式计算并记录耗尽层宽度的新的估算值用下列关系式计算并记录老的和新的耗尽层宽度估算值间的差将 值与 相比较如果 则将 中记录的 值记入数据表中如果 设 然后按 计算和记录一个新的耗尽层宽度和周边电容的估算值 重复 直到满足 的条件载流子浓度剖面分布的计算增
12、量法使用下列关系式计算 从 到 并记录在数据表中 见表 其中 是上面所测的电容电压数据对的数目式中 第 个记录的电压第 个记录的电压按要求见 进行周边电容修正的第 个电容记录值第 个进行修正的电容记录值用下列关系式计算并在数据表中记录对应于每个电容值 的深度用下列关系式计算平均深度 并在数据表中记录 从 到用下列关系式计算并在数据表中记录对应于每个平均深度 的载流子密度计算每个 值加上结深的真实深度 并记录在数据表中曲线拟合法将具有下列形式的多项式函数与数据相拟合式中 根据拟合计算得第 个电容值对所有 值使表达式 为最小时所确定的系数值 按要求用周边电容修正 见是第 个记录的电压测量值多项式的
13、阶数对所有的 值所选 值代表对 最低阶拟合 且其中 为所测电容电压数据的点数在数据表中见表 记录 和 的值用下列关系式计算 中多项式的导数 并记录于数据表中注意如果使用阶次高于 的多项式 则所计算的载流子浓度中 可产生误差起伏用下列关系式计算与每个耗尽层宽度相对应的载流子浓度 并记录于数据表中报告报告应包括下列内容操作者测量日期批号 晶片和二极管的抽样方案 如果适用的话样品编号和类型二极管制造工艺及栅控还是非栅控扩散二极管的结深二极管的正向电阻二极管的面积栅控二极管的栅偏压使用的计算方法把数据列入表 增量法 或表 曲线拟合法 所示的数据表中计算的载流子密度方法精度对载流子浓度低于 的样品指定三
14、个深度测量 这些深度选在分布相对平坦的部分对载流子浓度大于 的两个样品的两个深度测量 根据六个实验室 每个实验室三天中每天测量的七个样品的初步分析 其精确度 为 统计数据列于附录附录引用的国外标准补充件用红外反射法测量相同型号衬底上硅外延层厚度用磨角和染色技术测量硅外延层或扩散层厚度用直线四探针测量硅外延层扩散层 离子注入层的薄层电阻注 引自 标准第 卷译文由中国标准出版社出版附录载流子浓度与耗尽宽度的关系曲线补充件硅单边突变结载流子浓度与耗尽宽度的关系曲线图 单边突变结近似下耗尽区宽度与反偏压的关系 硅附录数据记录表补充件增量法表格表 增量法的实验数据表格操作者 批 号日期 抽样方案样品型号
15、二极管制造工艺栅控 非栅控栅压结深正向电阻二极管面积曲线拟合法表格表 曲线拟合法的实验数据表格操作者 批 号日期 抽样方案样品型号二极管制造工艺栅控 非栅控栅压拟合系数结深正向电阻二极管面积附录栅控 结示意图参考件型外延层栅控 结的实例示于图图 在 型外延层上制作的栅控 结的剖面图注 铝栅与外延层隔离并与扩散区或注入区重叠为了使背面与外延层接触 蒸发金与背面型成接触为了改善正面与外延层接触在扩散区或注入区周围有一个金属化的 扩散区附录循环测试数据参考件平面二极管 循环测试精度的数据样品编号 样品编号测量次数用 硼原子 表示的平均载流子浓度用 硼原子 表示的标准误差值用平均载流子浓度的百分数表示的标准误差值附加说明本标准由中华人民共和国机械电子工业部提出本标准由机械电子工业部 所和 所起草本标准主要起草人孙毅之张若愚 谢重木韩艳芬
