容量–電圧プロファイリング（またはC–V プロファイリング、場合によってはCV プロファイリング）は、半導体材料およびデバイスの特性評価手法です。印加電圧を変えて容量を測定し、電圧の関数としてプロットします。この手法では、金属–半導体接合（ショットキー障壁）またはp–n 接合[1]またはMOSFETを使用して空乏領域を作成します。空乏領域とは、伝導電子と正孔が存在しない領域で、イオン化されたドナーと電気的に活性な欠陥またはトラップが含まれている可能性があります。内部にイオン化された電荷を持つ空乏領域は、コンデンサのように動作します。接合に印加する電圧を変えることで、空乏幅を変えることができます。印加電圧に対する空乏幅の依存性から、ドーピングプロファイルや電気的に活性な欠陥密度など、半導体の内部特性に関する情報が得られます。[2] 、 [3] 測定はDCで行うこともできるし、DCと小信号AC信号の両方（コンダクタンス法 [3] 、[4]）、あるいは大信号過渡電圧を使用することもできる。[5]
応用
多くの研究者は、特にMOSCAPおよびMOSFET構造において、半導体パラメータを決定するために容量-電圧（C-V）試験を使用しています。しかし、C-V測定は、バイポーラ接合トランジスタ、JFET、III-V族化合物デバイス、太陽電池、MEMSデバイス、有機薄膜トランジスタ（TFT）ディスプレイ、フォトダイオード、カーボンナノチューブ（CNT）など、他の種類の半導体デバイスや技術の特性評価にも広く使用されています。
これらの測定は、その基本的な性質から、幅広い研究タスクや分野に適用できます。例えば、大学や半導体メーカーの研究所では、研究者が新しいプロセス、材料、デバイス、回路を評価するためにこれらの測定を使用しています。これらの測定は、プロセスとデバイスの性能向上を担う製品エンジニアや歩留まり向上エンジニアにとって非常に貴重です。信頼性エンジニアもまた、これらの測定を用いて、使用する材料のサプライヤーの選定、プロセスパラメータの監視、故障メカニズムの解析を行っています。
適切な方法論、計測機器、ソフトウェアを用いることで、C-V測定から半導体デバイスおよび材料に関する様々なパラメータを導き出すことができます。この情報は半導体製造チェーン全体にわたって活用され、エピタキシャル成長結晶の評価から始まります。これには平均ドーピング濃度、ドーピングプロファイル、キャリア寿命といったパラメータが含まれます。
C-V測定により、酸化膜厚、酸化電荷、可動イオンによる汚染、ウェーハプロセスにおける界面トラップ密度を明らかにすることができます。nanoHUBで生成された、酸化膜厚の異なるバルクMOSFETのAC-Vプロファイル。赤い曲線は低周波を示し、青い曲線は高周波C-Vプロファイルを示しています。特に、酸化膜厚の違いによる閾値電圧のシフトに注目してください。
これらの測定は、リソグラフィ、エッチング、洗浄、誘電体およびポリシリコンの堆積、メタライゼーションなど、他のプロセスステップを経た後も引き続き重要です。デバイスが完全に製造された後、C-Vプロファイリングは、信頼性試験や基本的なデバイス試験において閾値電圧などのパラメータを評価したり、デバイス性能をモデル化したりするためによく使用されます。
C-V測定は、電子計測機器の容量-電圧計を用いて行われます。得られたC-Vグラフから半導体デバイスのドーピングプロファイルを分析するために使用されます。
金属-酸化物-半導体構造のC-V特性
金属酸化物半導体構造はMOSFETの重要な部分であり、ゲート酸化物を介して チャネル内の電位障壁の高さを制御します。
nチャネル MOSFET の動作は、以下に示す右側の図に対応する 3 つの領域に分けられます。
枯渇
金属に小さな正のバイアス電圧が印加されると、価電子帯の端はフェルミ準位から遠くに追いやられ、ボディからのホールはゲートから遠ざかるため、キャリア密度が低くなり、静電容量は低くなります (右図の中央の谷)。
反転
ゲートバイアスをさらに大きくすると、半導体表面近傍の伝導帯端がフェルミ準位に近づき、半導体と酸化物界面の反転層、すなわちnチャネルに電子が集中します。これにより、右図の右側に示すように、容量が増加します。
蓄積
負のゲート-ソース間電圧（正のソース-ゲート間電圧）を印加すると、n領域の表面にpチャネルが形成されます。これはnチャネルの場合と似ていますが、電荷と電圧の極性が逆になります。ホール密度の増加は、右図の左側に示すように、静電容量の増加に対応します。
参照
参考文献
- ^ J. HilibrandとRD Gold、「容量-電圧測定による接合ダイオードの不純物分布の決定」、RCA Review、第21巻、245ページ、1960年6月
- ^ アラン・C・ディーボルド編 (2001). シリコン半導体計測ハンドブック. CRC Press. pp. 59– 60. ISBN 0-8247-0506-8。
- ^ ab EH Nicollian, JR Brews (2002). MOS（金属酸化物半導体）の物理と技術. Wiley. ISBN 978-0-471-43079-7。
- ^ Andrzej Jakubowski, Henryk M. Przewłocki (1991). LSI/VLSI集積回路製造における診断測定. World Scientific. p. 159. ISBN 981-02-0282-2。
- ^ Sheng S. LiとSorin Cristoloveanu (1995). Silicon-On-Insulator材料およびデバイスの電気的特性評価. Springer. 第6章, p. 163. ISBN 0-7923-9548-4。
外部リンク
- nanoHUB.org の MOScap シミュレーターを使用すると、ユーザーはさまざまなドーピング プロファイル、材料、温度の CV 特性を計算できます。
