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

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

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。

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

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 L: 長さ W: 幅 d: 厚さ V 電極 誘電体 A: 面積 e: 比誘電率 A: 面積 e₀: 真空の誘電率 d W d A C  ee0  ee0 L CV Q  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

• 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

Cd Cox CoxCd min c  _ Cox C_max  V_g 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

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/Cp 2 [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)

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)

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

• 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。 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

• 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

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

容量測定の基本原理

自動平衡ブリッジ法

LCUR LPOT HPOT HCUR

A V LCUR LPOT HPOT HCUR 0 V V I I I V Z  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)

• 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

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

測定パラメータの選択方法

Gat e 基板(サブストレート) ソース ゲート ドレイン 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 Rp Rs Cp Rs  1  AND _{Cp Rp} Cp-Rp Cp-G Cp-D Cp-Q Rs Rp  AND Cp Rp  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

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 2 2 2 2 3 2 1 Cs Rs Rs Cs Cs Cpm      Cs Csm Cp Cpm 2 2 1 CpRp Cp Csm    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 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

誤差要因その２

オンウェハー測定特有の誤差

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

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 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？

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

ケーブル接続方法と誤差要因

ケーブル接続方法と誤差要因

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

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

ケーブル接続の実際

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

1. ストレート

2. コモン・オープン

3. ガード・オープン

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

2. コモン・オープンの場合

V Lc Lp Hp ～ ～ A Hｃ CML CMH

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

1. ストレートの場合

先端でガードを繋 げればさらにGood V Lc Lp Hp ～ ～ A Hｃ CML CMH Co

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 Ｚ_ＤＵＴ

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 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

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

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 ケーブルインダクタンスを除去する必要があるか

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) Im p e d an c e ( O h m s) 160kΩ 6.3Ω 1pF、1MHzの場合 3端子法で十分

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) 10M 1M 100K 10K 1K 100 10 Im p e d an c e ( O h m s) 16Ω 10nF、1MHzの場合 3端子法では誤差大

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) Im p e d an c e ( O h m s) 16Ω 6.3Ω 0.63Ω 10nF、1MHzの場合 シールデッド2端子ならOK

周波数を下げてみる

lZl=2pｆL For C: For L: lZl=1/(2pｆC) 10M 1M 100K 10K 1K 100 10 Im p e d an c e ( O h m s) 16Ω 10nF、100kHzの場合 160Ω 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

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？

A 大きなチャックにより ノイズを拾う 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

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 C a p ( 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) C a p ( 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

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

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） Cd Cox CoxCd min

c



_ Cox C_max  V_g 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

LCRメータの低周波CV測定が難しいわけ

• 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%

• SMUからステップ電圧を印可 • 𝑄 = 𝐶𝑉 ↔ 𝐼 = 𝐶 Δ𝑉_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

• 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

V ΔV リーク測定 ACで, 評価したい！

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

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！

超低周波CV測定結果(SiC MOSキャパシタ)

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

B1500A 半導体パラメータ・アナライザ

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

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