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CV測定の基礎 - Keysight

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半導体エンジニアのための
CV(容量-電圧)測定基礎
キーサイト・テクノロジー合同会社
アプリケーション・エンジニアリング部門
アプリケーションエンジニア
柏木 伸之
Page 1
これからCV測定を始める方へ
CV測定は、デバイス評価において幅広く使用されている測定
手法です。
本セミナではCV測定の重要性、基礎、測定テクニックについて
ご紹介いたします。
Page 2
目次
• CV測定とは?CV測定から得られるデバイス・パラメータ
• 容量測定の基礎
• CV測定の測定テクニック
Page 3
容量(静電容量)とは
静電容量(C) = 単位電圧あたりの蓄えられた電荷
誘電率と機械的寸法との関係
電極
W: 幅
C
L: 長さ
A: 面積
d: 厚さ
V
ee 0 A
d

ee 0 W  L
d
e0: 真空の誘電率
e: 比誘電率
A: 面積
電荷と印加電圧との関係
Q  CV
誘電体
プラスの電荷
マイナスの電荷
Q: 電荷
V: 印加電圧
Page 4
半導体デバイスの主な構造
MOS FET
L
絶縁膜の厚さがゲート・
基板間容量に影響します
配線間
W
ゲート
Cgs
Cgd
d
Cgb
ゲート絶縁膜
ソース
ドレイン
層間絶縁膜
d
基板(サブストレート)
ゲート・ソース
オーバーラップ
Cgb: ゲート・基板間容量
Cgd: ゲート・ドレイン間容量
Cgs: ゲート・ソース間容量
ゲート・ドレイン
オーバーラップ
オーバーラップの幅がゲート・
ドレイン間容量、ゲート・ソー
ス間容量に影響します
層間絶縁膜の厚さが配線
間容量に影響します
• 構造に起因する各端子間の容量は製造プロセスに対して重要な情報です
• これらの容量(寄生容量)は回路の動作スピードに影響を及ぼします
Page 5
CV測定から得られるデバイス・パラメータ例
MOS構造デバイス
Cmaxからゲート絶
縁膜の厚さ情報が
得られます
高周波(>1kHz)と低周波(<10Hz)の
CVカーブから界面準位密度分布が
得られます
N-MOS Cap
Ld
ゲート絶縁膜
空乏層
Cox
Cd
p-Si
Cmax  Cox
低周波CV
Vg
CoxCd
c min  Cox
 Cd
高周波CV
Vth
Cmax とCminから不純物濃度
プロファイルが得られます
Vg
CminとCVカーブの外挿から
しきい値電圧が得られます
MOSキャパシタ(MOS-FET)のCV測定により、製造プロセスやデバイス特性に
関する重要なパラメータを得ることが出来ます
Page 6
CV測定から得られるデバイス・パラメータ例
太陽電池(ソーラーセル)
Rp
Rs
N-type
C
PN接合の接合部
(空乏層)
接合容量
P-type
|Z|mI
Im|Z|
接合リーク
Rs
Re|Z|
インピーダンスの周波数特
性から動的な振る舞いが見
えてきます
Rp
 0

+
Re|Z|
光電流
残留抵抗
ナイキストプロット
太陽電池の回路モデル
と電圧の関係
(Mott-Schottkyプロッ
ト)から電荷密度分布が
得られます
1/Cp2
2.E+13
163
162
Cp [nF]
4.E+13
2
-2
1/Cp [F ]
6.E+13
CpとAC電圧振幅の関係
から欠陥密度分布が得ら
れます
161
160
159
158
157
0.E+00
-5.0
0
-2.5
0.0
2.5
Voltage [V]
Mott-Schottkyプロット
5.0
200
400
600
800
Vpp [mV]
AC Level (mVpp)
Drive-level Capacitance Profiling (DLCP)
Page 7
CV測定から得られるデバイス・パラメータ例
MEMSセンサーの静電容量測定
MEMSセンサーの機械的特性を静電容量
測定から得ることができます
容量
機械的圧力
隔膜
C0
固定電極
電界
0
印加 or 発生電圧
• MEMSセンサーの機械的特性が静電容量測定から得られます。
• 機械的圧力よりも電気的な容量測定の方が構成が簡単になり、高速にテストを行う
ことが可能です。
• また周波数特性から応答速度のテストが可能です。
Page 8
目次
• CV測定とは?CV測定から得られるデバイス・パラメータ
• 容量測定の基礎
• CV測定の測定テクニック
Page 9
容量測定の基礎
HFCV測定
現在最も広く使われている容量測定方法
自動平衡ブリッジ法
信号周波数 ~数MHz
広範囲のインピーダンス測定が可能
リークの大きいデバイスの測定は苦手
4284A
E4980A
B1500A
Page 10
容量測定の基本原理
自動平衡ブリッジ法
自動平衡ブリッジ法
I
HCUR
HPOT
LPOT
DUT
V
V
LCUR
LPOT
HPOT
仮想接地点
LCUR
0V
Z
V
I
A
I
HCUR
各端子の機能を正しく理解することが重要です
Page 11
4端子対によるケーブル配線(4端子対法)
~
Hc
Hp
CMH
V
DUT
Lp
CML
Lc
~
• 芯線とシールドに逆方向の電
流を流すことにより誘導結合
の発生を抑える。
• シールドにより浮遊容量の
影響を抑える。
• 信号電流ケーブルと電圧測定
ケーブルを分けることにより、
電圧測定誤差を抑える。
A
GND
Page 12
目次
• CV測定とは?CV測定から得られるデバイス・パラメータ
• 容量測定の基礎
• CV測定の測定テクニック
Page 13
CV測定における測定誤差要因と低減方法
• 誤差要因その1:適切な測定パラメータを選択していな
い
• 誤差要因その2:オンウェハー測定特有の誤差
Page 14
測定パラメータの選択方法
状況
MOS-FET
ソース
ゲート
ドレイン
測定パラメータ
Rs  Rp
Cp-Rp
Cp-G
Rp
Cp-D
Cp-Q
ゲート端子の抵抗
AND
Gat
e
Rs 
1
 Cp
ビア部分の接触抵抗
基板(サブストレート)
接合部の抵抗
基板へのリーク
Cp
Rp  Rs
Cs
AND
ゲート側
Cp
Rp 
1
 Cp
Rs
Cs-Rs
Cs-D
Cs-Q
Rp
Rs
Zc>10kΩの時 Cp
Zc<10Ωの時 Cs
実デバイスに近い等価回路モデル
Page 15
誤差要因その1
適切な回路モデルを選択していない
実際のデバイス
測定パラメータ
Cp-Rp
Cp
Cpm  Cp
Rp
Cs-Rs
Cs
測定値
Cp-Rp
Rs
Cs-Rs
Csm  Cp 
1
 CpRp 2
2
適切な回路モデ
ルを選択してい
ないことにより
生じる誤差項目
 2Cs 3 Rs 2
Cpm  Cs 
1   2Cs 2 Rs 2
Csm  Cs
簡単な判断方法:
測定周波数を変化させても
容量値が変化しない場合、
現状の回路モデルで問題あ
りません
適切な回路モデルを選択することで
測定誤差を低減できます。
Page 16
誤差要因その2
オンウェハー測定特有の誤差
(1)DUTまでの距離が長い → 寄生インピーダンスの影響
(2)DUTがチャック上にある → ノイズの影響
(1)
測定器
寄生インピーダンス
DUT
(2)
ノイズ
Page 17
誤差要因その2
オンウェハー測定特有の誤差
(1)DUTまでの距離が長い → 寄生インピーダンスの影響
(2)DUTがチャック上にある → ノイズの影響
(1)
測定器
寄生インピーダンス
DUT
(2)
ノイズ
Page 18
信号経路の寄生成分の影響を低減するためには?
寄生インピーダンスの
影響を抑える。
適切な
ケーブル配線
残った分については
補正で取り除く。
オフセット
容量補正
Page 19
ケーブル接続方法と誤差要因
2端子法
Ro
Lo
Hc
Hp
被測定物
V
被測定物
Co
Lc
Lp
A
Ro
A.接続方法
Lo
B.回路
CoとLoが測定に影響
20
ケーブル接続方法と誤差要因
3端子法
Ro
Lo
Hc
Hp
被測定物
V
被測定物
Co
Lc
Lp
A
B.回路
A.接続方法
Ro
Lo
Coを除去
Loの影響は残る
21
ケーブル接続方法と誤差要因
シールデット2端子法
Ro
Lo
Hc
Hp
被測定物
V
Lc
Co
i
i
被測定物
Lp
A
A.接続方法
Ro
Lo
Coを除去
Loも除去
22
ケーブル接続の実際
~
Hc
CMH
Hp
V
容量メータ
Lp
~
プローバ
CML
Lc
A
Tアダプタで
2端子に変換
BNC-Triax
アダプタを使用
23
もっとも適切なアダプタは?
1. ストレート
2. コモン・オープン
3. ガード・オープン
24
2. コモン・オープンの場合
~
Hc
CMH
Hp
V
Lp
~
CML
Lc
A
ACガード(外部導体)が
どこにもつながらない
25
2. コモン・オープンの場合
~
Hc
CMH
Hp
V
Lp
~
CML
Lc
A
ACガードをつなげばOK
26
3. ガード・オープンの場合
~
Hc
CMH
Hp
V
Co
Lp
~
CML
Lc
A
ケーブル容量が除去できない
27
1. ストレートの場合
~
先端でガードを繋
げればさらにGood
Hc
CMH
Hp
V
Co
Lp
~
CML
Lc
A
コネクタプレートで
ACガードがつながる
3端子法となり
Coも除去できる
28
OPEN/SHORT補正
ケーブルのインダクタンス、浮遊容量を取り除く
ケーブルの残留分
残留インピーダンス(Zs)
Hc
Rs
浮遊アドミタンス ( Yo )
Ls
Hp
Zm
Co
Go
ZDUT
被測定物
Lp
Lc
校正面
29
OPEN/SHORT補正
Hc
Rs
Ls
Hp
OPEN補正
浮遊容量を除去
Yo
Co
Go
OPEN
Lp
Lc
常に実行
Hc
SHORT補正
ケーブルインダクタ
ンスを除去
Rs
Ls
Hp
短絡(SHORT)
Zs
Co
Go
Lp
Lc
高周波(>100kHz)
大容量(>1nF)で実行
30
補正さえすればケーブル接続は何でもよい?
補正後ケーブルが動けば誤差が生じます
できる限り3端子法、シールデッド2端子法を保つ
31
シールデッド2端子法が必要な場合は?
ケーブルインダクタンスを除去する必要があるか
ケーブルインダクタンスの大きさ(目安)
ケーブル1m
ケーブル10cm
ケーブル1cm
⇔
⇔
⇔
1uH
100nH
10nH
覚えましょう
32
インピーダンスチャートで考えてみよう
1pF、1MHzの場合
160kΩ
10M
Impedance (Ohms)
1M
For C:
lZl=1/(2pfC)
100K
10K
1K
3端子法で十分
For L:
lZl=2pfL
100
10
1
100m
6.3Ω
10
100
1K
10K 100K 1M
10M 100M 1G
Frequency (Hz)
33
インピーダンスチャートで考えてみよう
10nF、1MHzの場合
10M
Impedance (Ohms)
16Ω1M
100K
10K
3端子法では誤差大
For C:
lZl=1/(2pfC)
1K
For L:
lZl=2pfL
100
10
1
100m
6.3Ω
10
100
1K
10K 100K 1M
10M 100M 1G
Frequency (Hz)
34
シールデッド2端子法にすると・・
10nF、1MHzの場合
10M
Impedance (Ohms)
16Ω1M
100K
10K
シールデッド2端子ならOK
For C:
lZl=1/(2pfC)
1K
For L:
lZl=2pfL
100
10
1
100m
6.3Ω
0.63Ω
10
100
1K
10K 100K 1M
10M 100M 1G
Frequency (Hz)
35
周波数を下げてみる
10nF、100kHzの場合
Impedance (Ohms)
10M
160Ω
16Ω1M
100K
10K
周波数を下げると効果大
For C:
lZl=1/(2pfC)
1K
For L:
lZl=2pfL
100
10
1
100m
6.3Ω
0.63Ω
10
100
1K
10K 100K 1M
10M 100M 1G
Frequency (Hz)
36
誤差要因その2
オンウェハー測定特有の誤差
(1)DUTまでの距離が長い → 寄生インピーダンスの影響
(2)DUTがチャック上にある → GNDへのリーク, ノイズの影響
(1)
測定器
寄生インピーダンス
DUT
(2)
ノイズ
Page 37
チャックの拾うノイズの影響を低減するた
めには?
CMLをチャックに接続すると、
チャックで拾われたノイズが直接
電流計に入る。このためノイズの
影響を受けやすくなる。
大きなチャックにより
ノイズを拾う
CMLをゲート側に、
CMHをチャック側に
接続する。
CML
CMH
ウエハーチャック
A
A
容量測定器
Page 38
接続を変更した場合の測定例
CMLをチャック側に接続
Low端子をチャック側に接続した場合
High端子をチャック側に接続した場合
CMHをチャック側に接続
6.00E-11
6.00E-11
5.00E-11
5.00E-11
10k Short
10k Short
10k Medium
10k Medium
10k Long
4.00E-11
4.00E-11
10k Long
3.00E-11
100k Long
Cap (F)
100k Medium
100k Short
100k Medium
3.00E-11
100k Long
1M Short
2.00E-11
1M Medium
1M Short
2.00E-11
1M Medium
1M Long
1.00E-11
1M Long
1.00E-11
測定値がばたついています
5.5
4.5
3.5
2.5
1.5
0.5
-0.5
-1.5
-2.5
-3.5
-4.5
0.00E+00
-5.5
5.5
4.4
3.3
2.2
0
Vg (V)
1.1
-1.1
-2.2
-3.3
-4.4
0.00E+00
-5.5
Cap (F)
100k Short
Vg (V)
Page 39
HFCV測定のポイント
オンウェハー測定
特有の問題
誤差要因
対処方法
DUT - 測定器が離 残留インダクタンス
れている。
寄生容量
延長部分は極力短く。できれ
ばシールデット2端子で。
Open補正を行う。
周波数を下げてみる。
DUTがチャック上に チャックノイズ
ある。
CMLをGate, CMHをチャックに
接続
適切なモデルを選択する (Cp-Rp, Cs-Rs)
Page 40
High-Low CV法による界面準位密度の評価
低周波CV(<1kHz)
SMUで測定(QSCV法)
超低周波CV測定
Cmax  Cox
高周波CV(>1kHz)
LCRメータで測定
CoxCd
cmin  Cox
 Cd
蓄積領域
反転領域
Vg
41
LCRメータの低周波CV測定が難しいわけ
10%
1%
低周波の半導体容量測定
• 高インピーダンス
• 小信号レベル(数10mV)
電流が非常に小さく
測定が不可能
1%
10%
E4980A 測定確度
42
QSCV(Quasi-Static CV)とは
SMUによる
• SMUからステップ電圧を印可
微小電流測定
Δ
•  =  ↔  = 
より容量を求める
Δ
i
V
リーク測定
V
C
ΔV
リーク測定
t
Cinteg
低周波の容量測定が可能
43
QSCV 測定の欠点
ACで,
評価したい!
• 積分時間の調整が難しい
• アベレージングによるばらつき低減が難しい
• DCバイアス点を細かくできない
• 周波数が厳密に決まらない
V
リーク測定
ΔV
リーク測定
蓄積領域
反転領域
t
Cinteg
44
B1500A/B1505A + FG
超低周波CV測定ソリューション
周波数“10mHz~20Hz
SMU1
電流測定
Gate
Substrate
SMU2
電圧測定
FG
サイン波印加
V
SMU1
FG印加波形
SMU2 電圧測定
SMU1電流測定
t
SMU2
FG
Wait時間
積分時間
45
B2900Aによる超低周波インピーダンス測定
•
•
B2900Aシリーズ1台で、IV測定もCV測定もカバー!
周波数1 mHz~1 kHz
C-Vプロット
Cole-Coleプロット
46
超低周波CV測定結果(SiC MOSキャパシタ)
超低周波CVは周波数依存性が測定可能!
180
160
C [pF]
140
1MHz (LCRメータ)
100kHz (LCRメータ)
10kHz (LCRメータ)
1kHz (LCRメータ)
10Hz (超低周波CV)
1Hz (超低周波CV)
QSCV
120
100
80
60
40
20
0
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Vg [V]
デバイス提供:
産業技術総合研究所 先進パワーエレクトロニクス研究センター様
47
容量測定を実現する測定器
E4980A LCRメータ
20Hz to 2MHz, ±40Vdc
E4990A インピーダンス・アナライザ
20Hz to 120MHz, ±40Vdc
B1500A 半導体パラメータ・アナライザ
1kHz to 5MHz, ±100Vdc
B2900A ソース・メジャー・ユニット
1mHz to 1kHz, ±200Vdc
Page 48
容量測定器選定のポイント
• 周波数分解能
周波数掃引測定による正確な評価のためには、少なくとも2桁の分解能が必要。理
想は3桁
• AC信号レベル
半導体容量測定は通常20~30mVrmsを使用する。小さい信号レベルで正確にAC
信号が出力できること
• DCバイアス
CV測定に十分なDCバイアス分解能、確度を備えていること
• 測定確度
半導体容量はpFオーダの小容量であることが多いため、特に高インピーダンス領域
の測定確度が高いこと
• 補正機能
ケーブルの誤差成分を完全に除去するためにはOPEN/SHORT/LOAD補正機能を
備えていることが必要
Page 49
まとめ
• 適切なモデルを選択しましょう。
• ケーブル接続と補正に注意してください。
• 超低周波CV測定ソリューションは、LCRメータでは測定
できないエリアを精度よく測定することが可能です。
容量測定は、キーサイトにお任せください
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