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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
Page 2
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。
目次
Page 3
• 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
容量(静電容量)とは
Page 4
静電容量(C) = 単位電圧あたりの蓄えられた電荷
L: 長さ
W: 幅
d: 厚さ
V
電極
誘電体
プラスの電荷
マイナスの電荷
A: 面積 e: 比誘電率
A: 面積
e0: 真空の誘電率
d
W
d
AC 00 L
eeee
CVQ
Q: 電荷
V: 印加電圧
電荷と印加電圧との関係
誘電率と機械的寸法との関係
半導体デバイスの主な構造
Page 5
• 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
ゲート絶縁膜
ソース ドレイン
ゲート
基板(サブストレート)
L
W
d Cgb
Cgs Cgd
ゲート・ソース オーバーラップ
ゲート・ドレイン
オーバーラップ
MOS FET 配線間
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
層間絶縁膜 d
層間絶縁膜の厚さが配線間容量に影響します
絶縁膜の厚さがゲート・基板間容量に影響します
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
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
Page 6
CdCoxCoxCd
minc
CoxCmax
Vg
高周波CV
低周波CV
Vth
N-MOS Cap
空乏層
ゲート絶縁膜 Ld
Vg Cd
Cox
p-Si
CminとCVカーブの外挿から
しきい値電圧が得られます
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
Cmax とCminから不純物濃度プロファイルが得られます
Cmaxからゲート絶縁膜の厚さ情報が得られます
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
Re|Z|
Im|Z|
PN接合の接合部
(空乏層)
N-type
P-type
残留抵抗
+
-
光電流
接合容量
接合リーク
0.E+00
2.E+13
4.E+13
6.E+13
-5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0
Voltage [V]
1/C
p2 [
F-2
]
157
158
159
160
161
162
163
0 200 400 600 800
Vpp [mV]
Cp [n
F]
Re|Z|
AC Level (mVpp)
太陽電池の回路モデル
Drive-level Capacitance Profiling (DLCP) Mott-Schottkyプロット
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)
Page 7
1/Cp2 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
CpとAC電圧振幅の関係から欠陥密度分布が得られます
Im|Z
|
Rp Rs
C
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
ナイキストプロット
Rs Rp
0
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
Page 8
• 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。
固定電極
隔膜
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
電界 印加 or 発生電圧
容量
C0
0
機械的圧力
目次
Page 9
• 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
容量測定の基礎 HFCV測定
Page 10
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
容量測定の基本原理 自動平衡ブリッジ法
Page 11
LCUR LPOT HPOT HCUR
A V
LCUR LPOT HPOT HCUR
0 V V
I
I
I
VZ
自動平衡ブリッジ法
各端子の機能を正しく理解することが重要です
仮想接地点
DUT
4端子対によるケーブル配線(4端子対法)
Page 12
• 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。
V
DUT
Lc
Lp
Hp
~
~ A
Hc
CML
CMH
GND
目次
Page 13
• 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
CV測定における測定誤差要因と低減方法
Page 14
•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
測定パラメータの選択方法
Page 15
Gat
e
基板(サブストレート)
ソース ドレイン ゲート
Cp Rp
Rs
実デバイスに近い等価回路モデル
ゲート端子の抵抗
基板へのリーク 接合部の抵抗
ビア部分の接触抵抗
状況 測定パラメータ
RpRs
CpRs
1
AND Cp Rp
Cp-Rp
Cp-G
Cp-D
Cp-Q
RsRp
AND
CpRp
1
Cs
Rs
Cs-Rs
Cs-D
Cs-Q
Zc>10kΩの時 Cp
Zc<10Ωの時 Cs
MOS-FET
ゲート側
誤差要因その1 適切な回路モデルを選択していない
Page 16
実際のデバイス
Cp Rp
Cs
Rs
測定パラメータ
Cp-Rp
Cs-Rs
Cp-Rp
Cs-Rs
測定値
222
232
1 RsCs
RsCsCsCpm
CsCsm
CpCpm
22
1
CpRpCpCsm
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
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。
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
誤差要因その2 オンウェハー測定特有の誤差
Page 17
測定器
DUT
(1)
(2)
(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
ノイズ
寄生インピーダンス
誤差要因その2 オンウェハー測定特有の誤差
Page 18
測定器
DUT
(1)
(2)
(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
ノイズ
寄生インピーダンス
信号経路の寄生成分の影響を低減するためには?
Page 19
寄生インピーダンスの
影響を抑える。
残った分については
補正で取り除く。
適切な
ケーブル配線
オフセット
容量補正
2端子法
Hc
Hp
Lc
Lp
被測定物 V
A
被測定物 Co
A.接続方法 B.回路
Ro Lo
Ro Lo
CoとLoが測定に影響
ケーブル接続方法と誤差要因
20
ケーブル接続方法と誤差要因
21
3端子法
Hc
Hp
Lc
Lp
被測定物 V
A
被測定物 Co
A.接続方法 B.回路 Ro Lo
Ro Lo
Coを除去
Loの影響は残る
ケーブル接続方法と誤差要因
22
シールデット2端子法
V
A
被測定物 i i
Ro Lo
Ro Lo
Hc
Hp
Lc
Lp
被測定物
A.接続方法
Co
Coを除去
Loも除去
ケーブル接続の実際
23
プローバ 容量メータ
Tアダプタで 2端子に変換
BNC-Triax アダプタを使用
V
Lc
Lp
Hp
~
~ A
Hc
CML
CMH
24
1. ストレート
2. コモン・オープン
3. ガード・オープン
もっとも適切なアダプタは?
25
2. コモン・オープンの場合
ACガード(外部導体)がどこにもつながらない
V
Lc
Lp
Hp
~
~ A
Hc
CML
CMH
26
2. コモン・オープンの場合
ACガードをつなげばOK
V
Lc
Lp
Hp
~
~ A
Hc
CML
CMH
27
3. ガード・オープンの場合
Co
ケーブル容量が除去できない
V
Lc
Lp
Hp
~
~ A
Hc
CML
CMH
28
1. ストレートの場合
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
先端でガードを繋げればさらにGood
V
Lc
Lp
Hp
~
~ A
Hc
CML
CMH
Co
29
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
Rs Ls
Co Go
Hc
Hp
Lp
Lc
Zm
残留インピーダンス(Zs)
ケーブルの残留分
浮遊アドミタンス ( Yo )
校正面
被測定物
ZDUT
30
OPEN/SHORT補正
浮遊容量を除去
Rs Ls
Co Go
Hc
Hp
Lp
Lc
Yo OPEN
Rs Ls
Co Go
Hc
Hp
Lp
Lc
Zs
短絡(SHORT)
OPEN補正
ケーブルインダクタンスを除去
SHORT補正
常に実行
高周波(>100kHz) 大容量(>1nF)で実行
31
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
32
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の大きさ(目安)
ケーブル1m ⇔ 1uH ケーブル10cm ⇔ 100nH ケーブル1cm ⇔ 10nH
覚えましょう
ケーブルインダクタンスを除去する必要があるか
33
インピーダンスチャートで考えてみよう
lZl=2pfL
For C:
For L:
lZl=1/(2pfC)
10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
10M
1M
100K
10K
1K
100
10
1
100m
Frequency (Hz)
Impedan
ce (
Ohm
s)
160kΩ
6.3Ω
1pF、1MHzの場合
3端子法で十分
34
インピーダンスチャートで考えてみよう
lZl=2pfL
For C:
For L:
lZl=1/(2pfC)
10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
10M
1M
100K
10K
1K
100
10
1
100m
Frequency (Hz)
Impedan
ce (
Ohm
s)
16Ω
6.3Ω
10nF、1MHzの場合
3端子法では誤差大
35
シールデッド2端子法にすると・・
lZl=2pfL
For C:
For L:
lZl=1/(2pfC)
10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
10M
1M
100K
10K
1K
100
10
1
100m
Frequency (Hz)
Impedan
ce (
Ohm
s)
16Ω
6.3Ω 0.63Ω
10nF、1MHzの場合
シールデッド2端子ならOK
36
周波数を下げてみる
lZl=2pfL
For C:
For L:
lZl=1/(2pfC)
10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G
10M
1M
100K
10K
1K
100
10
1
100m
Frequency (Hz)
Impedan
ce (
Ohm
s)
16Ω
6.3Ω
10nF、100kHzの場合
160Ω
0.63Ω
周波数を下げると効果大
誤差要因その2 オンウェハー測定特有の誤差
Page 37
測定器
DUT
(1)
(2)
(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
ノイズ
寄生インピーダンス
チャックの拾うノイズの影響を低減するためには?
Page 38
容量測定器
A
大きなチャックによりノイズを拾う
ウエハーチャック
A
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。
CMLをゲート側に、CMHをチャック側に接続する。
CML
CMH
接続を変更した場合の測定例
Page 39
0.00E+00
1.00E-11
2.00E-11
3.00E-11
4.00E-11
5.00E-11
6.00E-11
-5.5
-4.4
-3.3
-2.2
-1.1 0
1.1
2.2
3.3
4.4
5.5
Cap
(F
)
Vg (V)
CMLをチャック側に接続
10k Short
10k Medium
10k Long
100k Short
100k Medium
100k Long
1M Short
1M Medium
1M Long
CMHをチャック側に接続
0.00E+00
1.00E-11
2.00E-11
3.00E-11
4.00E-11
5.00E-11
6.00E-11
-5.5
-4.5
-3.5
-2.5
-1.5
-0.5
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.5
Vg (V)
Cap (
F)
10k Short
10k Medium
10k Long
100k Short
100k Medium
100k Long
1M Short
1M Medium
1M Long
測定値がばたついています
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
HFCV測定のポイント
Page 40
オンウェハー測定
特有の問題
誤差要因 対処方法
DUT - 測定器が離れている。
残留インダクタンス
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がチャック上にある。
チャックノイズ 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)
41
High-Low CV法による界面準位密度の評価
高周波CV(>1kHz)
低周波CV(<1kHz)
CdCoxCoxCd
minc
CoxCmax
Vg 蓄積領域 反転領域
SMUで測定(QSCV法) 超低周波CV測定
LCRメータで測定
42
LCRメータの低周波CV測定が難しいわけ
E4980A 測定確度
• 高インピーダンス • 小信号レベル(数10mV)
低周波の半導体容量測定
電流が非常に小さく 測定が不可能
10%
1%
10%
1%
43
• SMUからステップ電圧を印可
• 𝑄 = 𝐶𝑉 ↔ 𝐼 = 𝐶Δ𝑉
Δ𝑡 より容量を求める
QSCV(Quasi-Static CV)とは
t
V
V
i
ΔV
Cinteg
C
リーク測定
リーク測定
SMUによる 微小電流測定
低周波の容量測定が可能
44
• 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
QSCV 測定の欠点
蓄積領域 反転領域
t
V
ΔV
Cinteg
リーク測定
リーク測定
ACで, 評価したい!
45
B1500A/B1505A + FG 超低周波CV測定ソリューション
V
t
SMU1
SMU2
Gate
Substrate
電流測定
サイン波印加
積分時間 Wait時間
FG印加波形
SMU1電流測定
FG
電圧測定
SMU2 電圧測定 SMU2
SMU1
FG
周波数“10mHz~20Hz
46
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
超低周波CV測定結果(SiC MOSキャパシタ)
47
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1
C [
pF]
Vg [V]
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
超低周波CVは周波数依存性が測定可能!
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
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
Page 50
•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