CN102495295B - 一种半导体薄膜材料电容特性的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种特定电容器容量和品质的测量方法，把半导体薄膜材料做成一个特定电容器，并设定一个可测量参数η为电容差值率，所述电容差值率定义为电容真实值Cs和电容测试值Cp的差值与其平均值之比，通过测量特定电容器的电容测试值Cp、电导值Gp和测试频率ω，计算电容差值率η、电容真实值Cs、串联电阻Rs、高频损耗tgδ或对应损耗角δ；同时提供了实施该测量方法的装置。本发明的优点是：只需要一个金属平台和一只悬挂式水银探针，装置简单；制备和测量特定电容器的全部操作过程，不损伤样品；对被测半导体样品的衬底和界面结构没有特别要求，适用范围更广；采用电容差值率测量特定电容器的电容真实值和监控其品质，方便快捷，数据可靠。

Description

一种半导体薄膜材料电容特性的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体材料技术，特别是一种半导体薄膜材料电容特性的测量方法及装置。

背景技术

文献：SOLID STATE MEASUREMENTS INC(US).Apparatus forcharacterization of electrical properties of a semiconductorbody.US5036271，1991-07-30，报道了一种半导体片电特性的测量装置，该装置采用汞探针与样品表面接触，形成肖特基结电容，下电极为金属台座，它与半导体衬底是欧姆接触。文献：John D.Wiley and G.L.Miller.Series ResistanceEffects in Semiconductor CV Profiling.IEEE Transactions on ElectronDevices，Vol.ED-22，No.5，(1975)P265，介绍了非导电衬底半导体薄膜(例如生长在掺铬衬底上的GaAs薄膜)的测量方法，采用在薄膜表面各做一个肖特基接触点和欧姆接触点，这时测量结电容，串联电阻会很大，直接影响电容真实值。文献：M.Binet.Fast And Nondestructive Method Of C(V)Profiling OfThin Semiconductor Layers On An Insulating Substrate.Electron.Lett.Vol.11.P580.(1975)，报道了高阻衬底上生长的半导体薄膜(例如GaAs场效应管使用的GaAs薄膜)，测量装置采用两只等面积水银探针，他们靠得很近，仅相距50μm，因此串联电阻很小，对结电容的影响可以忽略。

综合上述文献，现有技术测量半导体结电容，可分为下述两种方式：

1、测量装置采用单只汞探针。汞与导电衬底薄膜样品的表面接触，形成肖特基结电容，而样品衬底为欧姆接触。这种测量模式，串联电阻一般很小，对结电容的影响可以忽略。如果测量非导电衬底半导体薄膜样品，肖特基接触点和欧姆接触点做在样品表面同侧，串联电阻一般都很大，测量结电容时，必须考虑串联电阻的影响。

2、采用双汞探针装置测量绝缘衬底薄膜样品。在样品表面同时形成两个肖特基接触点，如果他们靠得很近(例如：相距50μm)，串联电阻可以很小，对结电容的影响可以忽略。否则，串联电阻很大，则要计入它对结电容的影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种半导体薄膜材料电容特性的测量方法及装置，该装置将半导体样品做成一个特定电容器，引进一个可测量的参数η(电容差值率)，既描写了特定电容器，又表征了被测材料的电容特性，特定电容器将成为今后深入研究半导体薄膜材料杂质浓度和界面态密度最重要的基础部件。

本发明的技术方案：

一种特定电容器容量和品质的测量方法，把半导体薄膜材料做成一个特定电容器，并设定一个可测量参数η为电容差值率，所述电容差值率定义为电容真实值Cs和电容测试值Cp的差值与其平均值之比，通过测量特定电容器的电容测试值Cp、电导值Gp和测试频率ω，计算电容差值率η、电容真实值Cs、串联电阻Rs、高频损耗tgδ或对应损耗角δ，计算公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{{2G}_P^2}{G_P^2+{2\mathrm{\ω}}^2{C}_P^2},$ $C_S=\frac{2+\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}\·C_P,$ $R_S=\frac{2\mathrm{\η}}{2+\mathrm{\η}}\·\frac{1}{G_P},$

$\mathrm{tg\δ}=\mathrm{\ω}{R}_S{C}_S=\sqrt{\frac{2\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}},$ $\mathrm{\δ}=\mathrm{arctg}\sqrt{\frac{2\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}}.$

一种所述半导体薄膜材料电容特性的测量装置，包括绝缘底板、金属平台、探针支架、观测显微镜、水银球、水银探针和升降转轮，金属平台、探针支架和观测显微镜分别通过槽钢和螺钉与绝缘底板固定，圆片形半导体样品通过耦合液体粘接固定在金属平台上，水银球置于半导体样品的表面，探针支架为倒L型结构，水银探针通过升降转轮与探针支架的横梁固定，水银探针与升降转轮构成螺纹传动且转动升降转轮使水银探针升降，水银探针下端面施压于水银球上并形成圆形水银层，观测显微镜设有测微标尺，下电极引线从金属平台引出，上电极引线从水银探针引出，下电极引线和上电极引线分别通过导线与电容电导仪连接。

所述圆形水银层的直径为0.5-5.0mm。

测量装置的工作原理：

转动升降转轮使水银探针下降，令水银球接触半导体样品，被压扁的水银球形成圆形水银层并覆盖于半导体样品表面，这样由水银探针、水银球、圆形水银层、半导体样品、耦合液体和金属平台共同构成一个特定电容器。调节升降转轮可以改变圆形水银层的直径，同时特定电容器容量也随圆形水银层直径的改变而改变，圆形水银层的直径可由观测显微镜的测微标尺测量。将上下电极引线15和16接入电容电导仪，特定电容器的电容值Cp和电导值Gp即可测量出来。

测量方法的基本原理：

该测量方法把半导体薄膜材料做成一个特定电容器，并设定一个可测量参数η(电容差值率)，所述电容差值率定义为电容真实值Cs和电容测试值Cp的差值与其平均值之比，通过测量特定电容器的电容测试值Cp、电导值Gp和测试频率ω，计算参数η、电容真实值Cs、串联电阻Rs、高频损耗tgδ或对应损耗角δ。

原理及计算公式推导如下：

实际电容器是由电容真实值Cs和串联电阻Rs组成的。通常采用电容电导仪测量时得到的为并联电容值Cp和电导值Gp。假设测试频率为ω，则串联的真实值和并联的测试值之间，具有如下两组关系式：

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_S=\frac{G_P}{G_P^2+{\mathrm{\ω}}^2{C}_P^2}& ---\left(1a\right)\\ C_S=\frac{G_P^2+{\mathrm{\ω}}^2{C}_P^2}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_P}& ---\left(1b\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{G}_P=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{R}_S{C}_S^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}_S^2{C}_S^2}& ---\left(2a\right)\\ C_P=\frac{C_S}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R}_S^2{C}_S^2}& ---\left(2b\right)\end{array}\right.,$

式中：Cp为电容测试值，Gp为电导测试值，Cs为电容真实值，Rs为串联电阻，ω为应用频率。

现在考虑(2b)式：

对于理想电容器，串联电阻为零，取Rs＝0，所以，Cs＝Cp，两种电容差值为零；对于实际电容器，串联电阻不为零，取Rs＞0，所以，Cs＞Cp。这就是说，电容真实值Cs与电容测试值Cp之间，总是存在差值，而且差值愈小，愈趋向理想，电容品质愈优；反之，差值愈大，愈偏离理想，电容品质愈劣。

为了描述实际电容器的容量和品质，我们定义一个参数η，命名为电容差值率，它是电容真实值Cs和电容测试值Cp的差值与其平均值之比，即：

$\mathrm{\η}\≡\frac{C_S-C_P}{\frac{1}{2}(C_S+C_P)}---\left(3\right)$

(3)式也就是：

$\frac{C_P}{C_S}=\frac{2-\mathrm{\η}}{2+\mathrm{\η}}---\left(4\right)$

由(1a)式和(1b)式可得到：

${\mathrm{\ω}}^2{R}_S^2{C}_S^2=G_P{R}_S\frac{C_S}{C_P}---\left(5\right)$

由(5)式和(2b)式可得到：

$\frac{C_P}{C_S}=1-G_P{R}_S---\left(6\right)$

由(4)式和(6)式可得到：

$G_P{R}_S=\frac{2\mathrm{\η}}{2+\mathrm{\η}}---\left(7\right)$

由(1a)式也可得到：

$G_P{R}_S=\frac{G_P^2}{G_P^2+{\mathrm{\ω}}^2{C}_P^2}---\left(8\right)$

合并(7)式和(8)式，就得到电容差值率η：

$\mathrm{\η}=\frac{{2G}_P^2}{G_P^2+{2\mathrm{\ω}}^2{C}_P^2}---\left(9\right)$

(9)式具有很多重要的应用价值：其一是应用频率为ω的电容电导仪测量实际电容器，在得到测试值Cp和Gp的同时，电容差值率(参数η)也得到了；其二是电容真实值Cs可由参数η确定，由(6)式和(7)式可得到：

$C_S=\frac{2+\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}\·C_P---\left(10\right);$

其三是实际电容的品质通常由串联电阻Rs和高频损耗tgδ表示，在这里它们都能用电容差值率(参数η)表示出来。由(7)式可得到串联电阻：

$R_S=\frac{2\mathrm{\η}}{2+\mathrm{\η}}\·\frac{1}{G_P}---\left(11\right)$

由(5)式、(7)式和(10)式可得到高频损耗(即ωRsCs)：

$\mathrm{tg\δ}=\mathrm{\ω}{R}_S{C}_S=\sqrt{\frac{2\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}}---\left(12\right)$

(12)式或表示为损耗角：

$\mathrm{\δ}=\mathrm{arctg}\sqrt{\frac{2\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}}---\left(13\right).$

假设事先按η给定值划分电容器等级，对被测电容器进行电容电导测量。得到η测试值，η给定值与η测试值比较对照，马上就能确定被测电容器等级。符合η给定值要求的，测试结果可靠，数据有效；否则，应重新制备特定电容器，重新测试。

本发明的优点：

本发明只需要一个金属平台和一只悬挂式水银探针，装置简单；制备和测量特定电容器的全部操作过程，不损伤样品；对被测半导体样品的衬底和界面结构没有特别要求，适用范围更广；采用电容差值率测量特定电容器的电容真实值和监控其品质，方便快捷，数据可靠。

附图说明

附图1为该特定电容器测量装置结构示意图。

图中：1.绝缘底板 2.金属平台 3.探针支架 4.观测显微镜 5.水银球6.水银探针 7.升降转轮 8.槽钢和螺钉 9.半导体样品 10.耦合液体11.圆形水银层 12.测微标尺 13下电极引线 14.上电极引线 15.电容电导仪

具体实施方式

下面结合附图详细说明利用测量装置测试特定电容器的具体过程。

一种所述半导体薄膜材料电容特性的测量装置，如附图所示，包括绝缘底板1、金属平台2、探针支架3、观测显微镜4、水银球5、水银探针6和升降转轮7，金属平台2、探针支架3和观测显微镜4分别通过槽钢和螺钉8与绝缘底板1固定，圆片形半导体样品9通过耦合液体10粘接固定在金属平台2上，水银球5置于半导体样品9的表面，探针支架3为倒L型结构，水银探针6通过升降转轮7与探针支架3的横梁固定，水银探针6与升降转轮7构成螺纹传动且转动升降转轮7使水银探针6升降，水银探针6下端面施压于水银球5上并形成圆形水银层11，观测显微镜4设有测微标尺12，下电极引线13从金属平台2引出，上电极引线14从水银探针6引出，下电极引线13和上电极引线14分别分别通过导线与电容电导仪15连接。

测量程序：转动升降转轮使水银探针下降，令水银球接触半导体样品，被压扁的水银球形成圆形水银层并覆盖于半导体样品表面，这样由水银探针、水银球、圆形水银层、半导体样品、耦合液体和金属平台共同构成一个特定电容器。调节升降转轮可以改变圆形水银层的直径，圆形水银层的直径为0.5-5.0mm，同时特定电容器容量也随圆形水银层直径的改变而改变，圆形水银层的直径可由观测显微镜的测微标尺测量。将上、下电极引线接入电容电导仪，特定电容器的电容值Cp和电导值Gp即可测量出来。

利用该测量装置即可把半导体薄膜材料做成一个特定电容器，并设定一个可测量参数η为电容差值率，所述电容差值率定义为电容真实值Cs和电容测试值Cp的差值与其平均值之比，通过测量该特定电容器在圆形水银层不同直径下的电容测试值Cp、电导值Gp和测试频率ω，来计算电容差值率η、电容真实值Cs、串联电阻Rs、高频损耗tgδ或对应损耗角δ，计算公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{{2G}_P^2}{G_P^2+{2\mathrm{\ω}}^2{C}_P^2},$ $C_S=\frac{2+\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}\·C_P,$ $R_S=\frac{2\mathrm{\η}}{2+\mathrm{\η}}\·\frac{1}{G_P},$

$\mathrm{tg\δ}=\mathrm{\ω}{R}_S{C}_S=\sqrt{\frac{2\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}},$ $\mathrm{\δ}=\mathrm{arctg}\sqrt{\frac{2\mathrm{\η}}{2-\mathrm{\η}}}.$

以下实施例即为利用该测量装置的测量结果。

实施例1：

被测物：某大管壳肖特基二极管；

测试数据：电容测试值Cp＝124PF、电导值Gp＝20μs、测试频率1MHz；

计算结果：η＝6.56×10^-4、Cs＝124.1PF、Rs＝33Ω、tgδ＝2.56×10^-2、对应损耗角δ角为1°30’。

实施例2：

被测物：某厂变容二极管；

测试数据：电容测试值Cp＝55PF、电导值Gp＝23.6μs、测试频率1MHz；

计算结果：η＝4.63×10^-3、Cs＝55.3PF、Rs＝195Ω、tgδ＝6.80×10^-2，对应损耗角δ为3°56’。

实施例3：

被测物：N/N⁺型硅外延片95-3-303^#：

测试数据：电容测试值Cp＝147PF、电导值Gp＝19.7μs、测试频率1MHz；

计算结果：η＝4.56×10^-4、Cs＝147PF、Rs＝23.1Ω、tgδ＝2.13×10^-2、对应损耗角δ为1°13’。

实践表明该测量方法和装置应用效果良好，装置简单，制备和测量特定电容器的全部操作过程，不损伤样品，采用电容差值率测量特定电容器的电容真实值和监控其品质，方便快捷，数据可靠。

Claims (3)

1.一种特定电容器容量和品质的测量方法，其特征在于：把半导体薄膜材料做成一个特定电容器，并设定一个可测量参数η为电容差值率，所述电容差值率定义为电容真实值Cs和电容测试值Cp的差值与其算术平均值之比，通过测量特定电容器的电容测试值Cp、电导值Gp和测试频率ω，计算电容差值率η、电容真实值Cs、串联电阻Rs、高频损耗tgδ或对应损耗角δ，计算公式为： 

2.一种如权利要求1所述半导体薄膜材料电容特性的测量装置，其特征在于：包括绝缘底板、金属平台、探针支架、观测显微镜、水银球、水银探针和升降转轮，金属平台、探针支架和观测显微镜分别通过槽钢和螺钉与绝缘底板固定，圆片形半导体样品通过耦合液体粘接固定在金属平台上，水银球置于半导体样品的表面，探针支架为倒L型结构，水银探针通过升降转轮与探针支架的横梁固定，水银探针与升降转轮构成螺纹传动且转动升降转轮使水银探针升降，水银探针下端面施压于水银球上并形成圆形水银层，观测显微镜设有测微标尺，下电极引线从金属平台引出，上电极引线从水银探针引出，下电极引线和上电极引线分别通过导线与电容电导仪连接。 

3.根据权利要求2所述半导体薄膜材料电容特性的测量装置，其特征在于：所述圆形水银层的直径为0.5-5.0mm。 

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