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

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1 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

2 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

3 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

4 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 電極 L: 長さ W: 幅 A: 面積 d: 厚さ V 誘電率と機械的寸法との関係 ee A d e 0 : 真空の誘電率 e: 比誘電率 A: 面積 ee W d 0 C L 0 電荷と印加電圧との関係 誘電体 Q CV プラスの電荷マイナスの電荷 Q: 電荷 V: 印加電圧 Page 4

5 半導体デバイスの主な構造 W 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 Cgs ゲート Cgd ゲート絶縁膜 Cgb d ソース 基板 ( サブストレート ) ドレイン 層間絶縁膜 d 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

6 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 N-MOS Cap 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 ゲート絶縁膜 Ld C max Cox 低周波 CV 空乏層 Cox Cd Vg p-si cmin CoxCd Cox Cd 高周波 CV Vth V g Cmax と Cmin から不純物濃度プロファイルが得られます 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

7 1/Cp 2 [F -2 ] Cp [nf] Im Z Im Z 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 ) PN 接合の接合部 ( 空乏層 ) - 6.E+13 4.E+13 2.E+13 N-type P-type + 残留抵抗 接合リーク 接合容量 光電流 太陽電池の回路モデル 0.E Voltage [V] Mott-Schottky プロット 1/Cp 2 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 Rs Rs Rp C Rp Re Z ナイキストプロット Vpp [mv] AC Level (mvpp) 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 0 Re Z Cp と AC 電圧振幅の関係から欠陥密度分布が得られます Drive-level Capacitance Profiling (DLCP) Page 7

8 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 機械的圧力 容量 隔膜 C 0 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

9 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

10 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

11 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 仮想接地点 HCUR HPOT DUT LPOT LCUR V V Z V I 0 V A I LCUR LPOT HPOT HCUR 各端子の機能を正しく理解することが重要です Page 11

12 4 端子対によるケーブル配線 (4 端子対法 ) ~ Hc V Hp CMH 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 ~ Lp Lc A DUT CML 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 GND Page 12

13 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

14 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

15 測定パラメータの選択方法 MOS-FET 状況 測定パラメータ ソース ゲート Gat e ドレイン ゲート端子の抵抗 Rs Rp AND Cp Rp 1 Rs Cp Cp-Rp Cp-G Cp-D Cp-Q 基板 ( サブストレート ) ビア部分の接触抵抗 基板へのリーク 接合部の抵抗ゲート側 Rp Rs AND 1 Rp Cp Cs Rs Cs-Rs Cs-D Cs-Q Cp 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

16 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 測定値 Cp-Rp Cpm Cp Cp Rp Cs-Rs 1 Csm Cp 2 CpRp 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 Cs Rs Cp-Rp Cs-Rs Cpm Cs Csm Cs 2 Cs 3 Rs Cs Rs 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

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 17

18 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 測定器 (1) 寄生インピーダンス DUT (2) ノイズ Page 18

19 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

20 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 Co 被測定物 Lc Lp A Ro Lo A. 接続方法 B. 回路 Co と Lo が測定に影響 20

21 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 Co 被測定物 Lc Lp A A. 接続方法 B. 回路 Ro Lo Co を除去 Lo の影響は残る 21

22 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 Lc 被測定物 V 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

23 ケーブル接続の実際 ~ Hc CMH V Hp Lp 容量メータ CML プローバ ~ A Lc T アダプタで 2 端子に変換 BNC-Triax アダプタを使用 23

24 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

25 2. コモン オープンの場合 ~ Hc CMH V Hp Lp CML ~ A Lc AC ガード ( 外部導体 ) がどこにもつながらない 25

26 2. コモン オープンの場合 ~ Hc CMH V Hp Lp CML ~ A Lc AC ガードをつなげば OK 26

27 3. ガード オープンの場合 ~ Hc CMH V Hp Lp CML Co ~ A Lc ケーブル容量が除去できない 27

28 1. ストレートの場合 ~ Hc CMH 先端でガードを繋げればさらに Good V Hp Lp CML Co ~ A Lc 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

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 ケーブルの残留分 残留インピーダンス (Zs) 浮遊アドミタンス ( Yo ) Hc Rs Ls Hp Lp Zm Co Go Z DUT 被測定物 Lc 校正面 29

30 OPEN/SHORT 補正 Hc Rs Ls Hp OPEN 補正 Lp Yo Co Go OPEN 浮遊容量を除去 Lc 常に実行 Hc Rs Ls SHORT 補正ケーブルインダクタンスを除去 Hp Lp Lc Zs Co 短絡 (SHORT) Go 高周波 (>100kHz) 大容量 (>1nF) で実行 30

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 31

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 1uH ケーブル10cm 100nH ケーブル1cm 10nH 覚えましょう 32

33 Impedance (Ohms) インピーダンスチャートで考えてみよう 160kΩ 1pF 1MHz の場合 10M 1M 100K 10K 1K 端子法で十分 For C: lzl=1/(2pfc) For L: lzl=2pfl 1 100m 6.3Ω K 10K 100K 1M 10M 100M 1G Frequency (Hz) 33

34 Impedance (Ohms) インピーダンスチャートで考えてみよう 10nF 1MHz の場合 10M 16Ω 1M 100K 10K 1K m 6.3Ω 3 端子法では誤差大 K 10K 100K 1M 10M 100M 1G Frequency (Hz) For C: lzl=1/(2pfc) For L: lzl=2pfl 34

35 Impedance (Ohms) シールデッド 2 端子法にすると 10nF 1MHz の場合 10M 16Ω 1M 100K 10K 1K m 0.63Ω 6.3Ω シールデッド 2 端子なら OK K 10K 100K 1M 10M 100M 1G Frequency (Hz) For C: lzl=1/(2pfc) For L: lzl=2pfl 35

36 Impedance (Ohms) 周波数を下げてみる 10nF 100kHz の場合 160Ω 10M 16Ω 1M 100K 10K 1K m 0.63Ω 6.3Ω 周波数を下げると効果大 K 10K 100K 1M 10M 100M 1G Frequency (Hz) For C: lzl=1/(2pfc) For L: lzl=2pfl 36

37 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 測定器 (1) 寄生インピーダンス DUT (2) ノイズ Page 37

38 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 CML をゲート側に CMH をチャック側に接続する 大きなチャックによりノイズを拾う CML A CMH A ウエハーチャック 容量測定器 Page 38

39 Cap (F) Cap (F) 接続を変更した場合の測定例 Low 端子をチャック側に接続した場合 CML High 端子をチャック側に接続した場合 CMH 6.00E E E E E E E-11 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 5.00E E E E E-11 10k Short 10k Medium 10k Long 100k Short 100k Medium 100k Long 1M Short 1M Medium 1M Long 0.00E E+00 Vg (V) Vg (V) Page 39

40 HFCV 測定のポイント オンウェハー測定 特有の問題 DUT - 測定器が離れている DUT がチャック上にある 誤差要因 残留インダクタンス 寄生容量 チャックノイズ 対処方法 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 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

41 High-Low CV 法による界面準位密度の評価 低周波 CV(<1kHz) C max Cox SMU で測定 (QSCV 法 ) 超低周波 CV 測定 高周波 CV(>1kHz) cmin CoxCd Cox Cd LCR メータで測定 蓄積領域 反転領域 V g 41

42 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

43 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 Q = CV I = C ΔV より容量を求める Δt i V リーク測定 V C ΔV リーク測定 Cinteg t 低周波の容量測定が可能 43

44 QSCV 測定の欠点 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 AC で, 評価したい! V リーク測定 ΔV 蓄積領域 反転領域 リーク測定 Cinteg t 44

45 B1500A/B1505A + FG 超低周波 CV 測定ソリューション 周波数 10mHz~20Hz V SMU1 電流測定 SMU2 電圧測定 FG サイン波印加 Gate Substrate Wait 時間 FG 印加波形 SMU2 電圧測定 SMU1 電流測定積分時間 SMU1 SMU2 FG t 45

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 46

47 C [pf] 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! 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 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

48 容量測定を実現する測定器 E4980A LCR メータ 20Hz to 2MHz, ±40Vdc B1500A 半導体パラメータ アナライザ 1kHz to 5MHz, ±100Vdc E4990A インピーダンス アナライザ 20Hz to 120MHz, ±40Vdc B2900A ソース メジャー ユニット 1mHz to 1kHz, ±200Vdc Page 48

49 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

50 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 Page 50