CV 測試中的一種異常現象及解決方法

劉 劍，吳會利

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

CV 測試，作為半導體科研生產中常用的測試方法，是對電容中電壓的掃描采樣，對柵氧化層等介質材料的電荷濃度以及摻雜分布等情況進行檢測，以監(jiān)控器件在制造過程中可能受到的金屬離子沾污。然而有時會出現的掃描曲線異常現象并非由待測界面的電荷超標所致，使得測試不能反映實際的電荷情況。鋁膜質量對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與下方的輕摻雜硅襯底之間施加步進電壓掃描。對于N型硅是從負向正變化，使之從反型區(qū)經過耗盡區(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，同時在鋁點上施加恒定的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，將其驅趕到氧化層與硅的交界面。

第三步是重復第一步的CV 掃描。此時，若在二氧化硅與硅的界面處有聚集的正離子沾污，要使整個電容結構中的電荷相等就要求施加更負的電壓。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。沾污離子的實際數量能通過該曲線圖計算出來。

圖1 正壓溫偏后正常的平帶漂移(N 型襯底)

3 測試中的一種異常現象

前三步完成以后，增加一步負壓溫偏，即在鋁點上加－5V 偏壓，在250℃下保持5 分鐘。正常情況下，除少數被陷阱俘獲的正離子外，大多數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。但在實測中出現了異常:正壓溫偏之后平帶幾乎不漂移，負壓溫偏之后，出現－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，相當小，又是正值，似表明氧化層相當純凈，幾無可動正離子;但負壓溫偏之后平帶漂移為－2.326V，這是相當大的，且漂移方向對應的是正壓溫偏所對應的漂移方向。故可以斷定:第一次漂移過小，方向為正，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的“其他因素”介入其中，干擾了正常的平帶漂移。而出現的這個－3V左右的電壓，極有可能是來源于負壓溫偏時加在鋁點上面的那個－5V的偏壓。

進一步分析發(fā)現，這次測試所采用的測試結構的氧化層厚度均勻，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。而相比之下，鋁點的質量較差，在濺射鋁到二氧化硅上面之后，沒有做過熱處理，使得鋁質較疏松，鋁與氧化物之間的結合狀態(tài)也非常差;－5V的電存儲與釋放造成的－3V 異常平帶漂移，應是由鋁的因素導致的。相當于說:正負壓溫偏過程實際上只起到了一點合金退火的作用，這里的平帶漂移在一定程度上只反映了退火修復鋁接觸點的進程。

圖2 平帶漂移異常時CV 曲線圖

5 問題解決

將測試片置于420℃氮氫環(huán)境30 分鐘，進行合金退火處理。

合金退火后的CV 測試曲線如圖3 所示。可見:正壓溫偏的平帶漂移為－0.174V，符合理論上的正常數量級及方向;負壓溫偏的平帶漂移為－0.311V，－3V 左右的大漂移值已經消失，雖然沒有與初始CV 曲線完全重合，但這種數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 測試出現的異常曲線確實是由鋁點的缺陷造成的，而合金退火確實能極有效地修復這一缺陷，使CV 測試恢復正常效果。

圖3 合金退火處理之后CV 曲線圖

6 結束語

改善CV 測試的效果如下:

(1)在制備CV 測試片時，應注意鋁材的選擇，盡可能選用質地優(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，應力小，不易出現暗傷。

(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，在適當溫度與氣體環(huán)境進行處理，以促進鋁與氧化物在交界面處更好的融合，并盡可能修復可能會對測試造成不可預計影響的各種缺陷，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.半導體測試技術［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1984.