Kapacitansmätning av MOS-struktur

Transkript

1 Kapacitansmätning av MOS-struktur MOS står för Metal Oxide Semiconductor. Figur 1 beskriver den MOS vi hade på labben. Notera att figuren inte är skalenlig. I vår MOS var alltså: M: Nickel, O: hafniumoxid eller aluminiumoxid samt en tunn native kiseloxid, S: n-typ kisel, dvs kisel dopat med negativa laddningar, elektroner (ca 1e15 cm-3). Figur 1. Tvärsnitt av MOS-strukturen. OBS! Ej skalenligt. Den streckade delen i figur 1 skall antyda att strukturen fortsätter i den riktningen. I figuren har vi därmed dels en struktur där nickellagret täcker en stor yta och dels en där det täcker en liten. Den stora ytans area är i stort sett hela provets yta (1 diameter), medan den lilla ytans area är 85µm x 85µm. Vår mätning gjordes topp-till-topp och mätte egentligen två kapacitanser i serie. Vi betraktar dessa som två plattkondensatorer där den ena har betydligt större area än den andra (A 1 >> A 2 ). Detta ger att C 1 >> C 2. Eftersom C = + tot C C, 1 2 där C tot är den kapacitans vi mäter, så approximerar vi att den mätta kapacitansen bara utgörs av kondensatorn med den lilla arean.

2 Under labben mättes kapacitansen som funktion av (DC-)spänningen över MOS-strukturen ovan (en sk CV-mätning). För att göra denna mätning användes en signal som bestod av en likspänning med en växelspänning ovanpå (figur 2). Figur 2. Spänningen som användes för MOS-mätningen var en kombination av DC och AC. OBS! Överdriven amplitud på ACn i figuren. Dessa två delar av spänningen hade olika inverkan i mätningen. I stort kan man säga att ACspänningen användes för att mäta kapacitansen, medan DC-spänningen ändrade fysiken i strukturen. Vår uppmätta kurva kan huvudsakligen se ut på två vis (figur 3). Figur 3. CV för n-typ MOS med låg respektive hög frekvens på mätspänningen. Om mätkurvan antar det vänstra eller högra utseendet i figur 3 beror på om AC-delen av mätspänningen har låg eller hög frekvens. Med hög frekvens åsyftas en spänningen som flyttar laddningar så snabbt att termisk jämvikt inte hinner inställa sig. I båda kurvorna finns tre områden: ett för positiv spänning, ett för små negativa spänningar och ett för större negativa spänningar. Notera att spänningen V i figur 3 åsyftar DCspänningen. Kapacitansen vi mäter är ett mått på hur mycket laddning vi attraherar/repellerar då vi ändrar AC-spänningen: där U är AC-spänningen. dq dt du = C, dt

3 a) b) c) d) Figur 4 a) V >0, b) 0 > V > V T, c) V < V T hög frekvens och d) V < V T låg frekvens. Y-axeln är laddning (per längdenhet), x-axeln är avstånd från oxidens yta, där d markerar oxidens tjocklek. I samtliga delfigurer är metallen längst till vänster (x < 0). Om vi börjar med positiva spänningar (dvs att DC-spänningen är positiv) så får vi situationen i figur 4a. I figuren motsvaras den laddning som DC-spänningen skapar av de gröna områdena (visar laddning och hur pass utspridd den är, dvs en smal hög stapel är mycket laddning nära ytan, en bred låg stapel är utspridd laddning med mindre antal laddningar på varje enskilt djup, medan arean av dem kan vara den samma = samma totala laddning isf). Vi får alltså en ansamling av positiv laddning invid ytan (gränsytan mellan metallen och oxiden) och en balanserande negativ laddning på andra sidan oxiden. AC-spänningen ökar och minskar laddningen en aning (liten ΔQ) på metallsidan hela tiden, och den speglade laddningen följer efter. Detta visas i figuren med de svarta dubbla pilarna.

4 Den positiva laddningen i metallen besvaras alltså i halvledaren av att ett tunt lager elektroner samlas just vid ytan (elektroner finns det gott om eftersom det är n-dopat). Strukturen är därför att betrakta som en vanlig plattkondensator. En sån har kapacitansen Aε C 0 ε = r, (1) d där d är oxidens tjocklek och A är kontaktens area. Om vi istället lägger en liten negativ spänning på metallen så skapar vi ett tunt lager negativ laddning på metallsidan (se figur 4b). På halvledarsidan finns det dock knappt några rörliga positiva laddningar (hål) att balansera med. Resultatet blir istället att de rörliga elektronerna i halvledaren (som vi ju har gott om) repelleras av den negativa laddningen i metallen. När elektronerna flyttar sig från områden invid oxiden så lämnar de kvar positiv laddning i form av positiva joner som sitter fast i gittret och alltså inte kan röra sig till oxidens gränsyta (dessa joner är dopatomer som lämnat ifrån sig en elektron). Då vi ökar laddningen i metallen så måste vi alltså putta bort elektronerna allt längre ner i substratet. Vi får då ett skikt av positiv laddning som sträcker sig ner på djupet (kallat "utarmningsområdet") och förändringen av dess totala laddning (ΔQ pga AC-spänningen) sker där skiktet slutar. I ekvation 1 kan vi se att kapacitansen beror av hur långt det är mellan laddningarna som ska balansera varandra (i takt med AC-spänningen). Tidigare (i 4a) var de bara på avstånd d (oxidtjockleken) från varandra, men nu sker ändringen på större avstånd. Nu är det i stort d + utarmningsområdes tjocklek. Därför; ju större negativ DC-spänning, desto djupare blir utarmningsområdet, desto mindre blir kapacitansen. I situationen i figur 4c så har vi nått den punkt där utarmningsområdet inte blir djupare. Om vi lägger på en större negativ DC-spänning så ökar istället laddningen precis i oxidens gränssnitt. Vi har inversion, dvs halvledaren har nu gått över från n-typ till p-typ invid oxidytan. Nu finns det alltså hål att tillgå och vi kan balansera fortsatt laddningsökning i metallen med hål precis vid ytan. I 4c är AC-pilen ändå ritad horisontellt vid utarmningsområdets kant, laddningsändringen pga AC-spänningen sker ändå där. Detta är fallet med hög frekvens på AC-spänningen och beror på att frekvensen är så pass hög att laddningen (hålen) i gränssnittet inte hinner med att flytta sig i takt med den. Kapacitansen är alltså fortsatt låg eftersom laddningsändringen pga AC-spänningen sker vid utarmningsområdets kant. Den minskar dock inte mer även om DC-spänningen blir mer negativ eftersom utarmningsområdet nu inte blir djupare (laddningen samlas vid ytan istället). I 4d är vi i stort tillbaka till samma situation som i 4a eftersom frekvensen i detta fall är så pass låg att laddningarna i gränsytan hinner med. När AC-spänningen skiftar laddningen i metallen så sker motsvarande skift med hålen i oxidens gränsyta på halvledarsidan. Vi har avståndet d mellan laddningarna och vi får därför också samma kapacitans som i fallet 4a.

5 Svara på: Vad gjorde vi (hur såg strukturen ut, vilka parametrar mätte vi)? Hur gjorde vi (hur tillverkade vi strukturen, hur gjorde vi mätningen)? Varför gjorde vi det (vad ville vi komma fram till, varför gör man detta även i verkligheten )? Mätresultat (visa dem, förklara dem)