GBT 14863-1993.pdf
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1、UDC 6 2 1 . 3 8 L 4 1 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 G B / T 1 4 8 6 3 一 9 3 用栅控和非栅控二极管的 电压一 电容关系测定硅外延层中 净载流子浓度的标准方法 S t a n d a r d t e s t me t h o d f o r n e t c a r r i e r d e n s i t y i n s i l i c o n e p i t a x i a l l a y e r s b y v o l t a g e - c a p a c i t a n c e o f g a t e d a n d u n g a
2、 t e d d i o d e s 1 9 9 3 一 1 2 一 3 0 发布1 9 9 4 一 1 0 一 0 1 实施 国家技术监督局发布 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 用栅控和非栅控二极管的 电压一 电容关系测定硅外延层中 净载流子浓度的标准方法 G B / T 1 4 8 6 3 一9 3 S t a n d a r d t e s t me t h o d f o r n e t c a r r i e r d e n s i t y i n s i l i c o n e p i t a x i a l l a y e r s b y v o l t a g e
3、- c a p a c i t a n c e o f g a t e d a n d u n g a t e d d i o d e s , 主题内容与适用范围 本标准规定了 用栅控和非 栅控二极管的电压 一 电 容关系测定硅外延 层中净载流子浓度的原理、 仪器 与材料、 样品制备、 测量步骤和数据处理。 本标准适用于外延层厚度不小于某一最小厚度值( 见附录 B ) 的相同或相反导电类型衬底上的n型 或P 型外延层, 也适用于体材料。 2 弓 1 用标准 Si 1 5 5 。 用 三探针击穿电压法测定硅外延层的电阻率 3术语 3 . 1 击穿电压 被测二极管出现1 0 p A漏电流时的反向偏
4、压。 4 方法原理 4 . 1 测量栅控或非栅控 p - n结或肖特基二极管的小讯号高频电容与反向偏压的函数关系, 由所测电容 和反向偏压值确定净载流子浓度与深度的函数关系。对于栅控二极管的测量, 栅极加一恒定偏压。 5 仪器与材料 5 . 1 电容电桥或电容计 量程满刻度为1 -1 0 0 0 p F , 以 十倍增大或减小。 测量频率范围为。 . 0 9 1 . 1 M H z , 每个量程精度优 于满刻度的 1 . 0 %. 重复性优于满刻度的。 . 2 5 %。仪器应能承受土2 0 0 V或更高的外加直流偏压, 能补 偿不低于 5 p F的外部探针架的杂散电容, 内部交流测量讯号不大于
5、 。0 5 V( r . m. s ) , 5 . 2 数字电压表或电位计 其灵敏度优于1 m V, 精度优于满刻度的0 . 5 0 a , 重复性优于满刻度的0 . 2 5 %. 输人阻抗不小于 1 0 0 Mn, 以及在 5 0 Hz 时共模抑制比高于 1 0 0 d B , 5 . 3 直流电源 连续可调, 能提供 。 一士2 0 0 V( 开路) , 纹波低于 1 %的直流输出。 5 . 4 曲线图示仪 能监控二极管的正反向I N 特性。 该曲线图 示仪在。 . 1 m A时反向能加到2 0 0 V, 在正向1 m A时 国家技术监督局1 9 9 3 一 , 2 一 3 0 批准1 9
6、 9 4 一 1 0 一 0 1 实施 GB/ T 1 486 3一93 能加到 1 . 1v; 且灵敏度优于 1 0 V A / 分度。 5 . 5 标准电容 在测量频率下, 精度优于 。 . 9 1 5 %; 一个电容应在 1 1 0 p F范围内, 而另一电容应在 1 0 1 0 0 p F范 围 。 5 . 6 精密电压源 能提供 。 - 2 0 0 V输出电压, 其精度应优于输出电压的。 . 1 %a 5 . 7 探针架 固定二极管样品, 能使探针与扩散区或势垒区, 外延层以及栅控二极管的 栅极构成欧姆接触, 并能 在测量时使二极管不受光照。 应备有真空夹具。 对反型外延层的接触采用
7、正表面接触, 而对同型外延层, 则采用真空吸盘与衬底构成电接触。 5 卜 8 工具显微镜、 投影仪或求积仪 能测量结直径, 其精度优于 。 . 5 %; 或者测量结面积, 其精度优于 1 . 0 %0 5 . 9 屏蔽电缆 实现探针台、 电源、 电 容电 桥或电 容计以 及数字电压表或电位差 计之间的电 连接。 5 . 1 0 直流电压源 连续可调, 输出电压为 。 士4 0 V范围, 直流输出的纹波不大于 l o o ( 测量非栅控二极管不需要此 电源 ) 。 样品制备 1 要根据外延层和衬底导电 类型相同还是相反, 分别采用附录A( 补充件) A l 或A 2 测量外延层厚 ; 估计待测外
8、延层的载流子浓度. 2在 被测外 延层上制造栅 控的或非栅控 的二极管 ( 样 品结构参考 附录 D) , 其有源 区的面积 为 S X 6已度a 1 0 - 0 5 X 1 0 - , c m, ( 对于回形有源区, 该面积对应于0 . 0 2 5 -0 . 1 3 8 c m范围直径) 。 6 . 3 制备结型二极管, 其表面载流子浓度至少是外延层 载流 子浓度的1 0 0 倍, 结深小 于1 . 5 p m 。 其结 深按照附录A( 补充件) A2 测量并记录, 按照附录 A( 补充件) A 3或其他合适的方法测量并记录薄层电 阻; 根据S J 1 5 5 。 由 薄层电 阻和结深确定和
9、记录表面载流子浓度。 6 . 4 制作栅控二极管, 使栅极与结区或肖特基接触区边界相重叠。栅击穿电压V c u 2 0 V, 6 . 5 如果使用方法B ( 见7 . 9 . 1 ) 为测定栅控二极管的栅偏压 还要在未扩散的外延层区域上制作一个 MOs电容器。 测t步骤 了 . 1 测量仪器的校准。 了 . 1 . 1 为了测量标准电容, 把长度适当的屏蔽电缆连接到电容电桥或电容计上。在电容电桥或电容计 只连接电缆而不连接标准电容的情况下调零。 7 . 1 . 2 将电缆连接到一个标准电容上, 测量并记录电容值( p F ) 。然后拆去电容器。 7 . 1 . 3 将电缆连接到另一个标准电容上
10、, 测量并记录电容值( p F ) 。然后拆去电容器。 7 . 1 . 4 检查数字电压表或电位计在 1 -2 0 0 V内的性能, 用它测量这个电压范围内精密电压源的五个 以上电压 , 7 . 1 . 5 如果电容或电压测量仪器不符合所要求的指标( 数值见 5 . 1 和 5 . 2 ) , 则需要按相应的仪器说明 书进行必要的调节, 使仪器在测量样品前符合所要求的指标。 7 . 2 根据所用测量仪器的类型, 测量并记录有源器件面积( e m ) , 精确到 1 %, 或测量并记录器件的直 径( c m) 精确到 0 . 5 %0 7 3 把样品放到探针台上, 将 探针台 和尽可能接近有源区
11、 的外延层进行电 连接( 对相同导电类型衬底, GB / T 148 63 一 93 外延层的连接从衬底上引出) 。 7 . 4 用探针与二极管的势垒区或扩散区构成电连接。 应小心避免因探针压力太大而穿透浅扩散二极管 的扩散层, 引起短路或产生过大的漏电流。 了 . 5 用屏蔽电 缆连接探针台和图 示仪( 见5 . 4 ) 0 7 . 6 在 1V正偏压下, 按下述步骤测量二极管的正向电阻 R ( n) o 7 . 6 门测量并记录 0 . 9 V正向偏压时二极管的电流, mA e 7 . 6 . 2 测量并记录 1 . 1 V正向偏压时二极管的电流, mA, 7 . 6 . 3 按下式计算并
12、记录 R值: R二2 0 0 / ( 7 : 一I ,) (I) 式中: 1 , - I . i v正向偏压时的电流, m A ; 1 , - 0 , 9 V正向偏压时的电流, m A , 7 . 6 . 4 因为 R值等于或大于2 0 0 n时, 会在一些电容测量仪器中引进测量误差。为了使样品的正向电 阻 低于2 0 0 0, 需要使用合 金, 扩散或金属化的电 接触。 7了 用同一图示仪给测试二极管加反偏压, 测量并记录击穿电压V . ( V) ( 见 3 . 1 ) 。加偏压时不可与探 针接 触。 了 . 8 将加到探针上的电压降到零, 并提起探针, 使它与势垒或扩散层的连接断开, 如果
13、测量非栅控二极 管, 就按步骤 7 . 9 进行。 了 . 8 - 1 如果要测量栅控二极管, 将探针下降与栅极接触。用图示仪在栅极和外延层之间加电压+( V 。 +2 0 ) v和一( v s + 2 0 ) v 。 校验两电压时 的电流 值是否 小于1 0 k A 。 如果电 流等于或小于1 0 I A , 则图示 仪的电压将为零, 并按步骤7 . 9 测量; 如果电 流大于1 0 k A, 则在 外延片 上选择用另外二极管, 从7 . 2 开 始重复该程序。 T8 . 2 如果 7 . 8 . 工 操作中出现栅击穿, 将图示仪电压降为零。 然后将探针降到一备用二极管上, 在栅极 和外延层
14、间逐渐增加图示仪的电压, 记录发生栅击穿时的电压值。用此方法测量三个以上的二极管, 计 算并记录平均击穿电压( v) 作为典型的栅击穿电压v G 。 。 7 . 9 断开探针和图示仪之间的屏蔽电缆。如果测量非栅控二极管, 则按步骤 7 . 1 0 进行。 7 . 9 . ,如测 量 栅 控 二 极 管, 可 用 方 法 A 或B 确 定 合 适 的 栅 偏 压 。 一 般 采 用 方 法A , 需 要 更 高 精 度 时, 应 采用方法B , 7 . 9 . 1 . 1 方法A, n 型外延层选用十2 0 V的栅偏压, 而P 型外延层则选用一2 0 V栅偏压 如果在小于 2 0 V的电 压下发
15、生栅击穿, 就不能使用该方法。 7 . 9 . 1 . 2 方法 B: 使用外延片上制作的MOs电容器测量平带电压。用平带电压作为栅偏压。 7 . 1 0 在探针台与电容电 桥或电 容计之间 连接屏蔽电缆, 使电 桥或电容计的低端与外延层或衬底连接 ( 见 7 , 3 ) , 而高端与接触势垒区或扩散区的探针连接。如测非栅控二极管, 就按步骤7 . 1 1 进行. 7 . 1 0 . 1 如果测量栅控二极管, 用另一根屏蔽电缆连接电源( 见 5 . 1 0 ) 和与栅极接触的探针, 降低探针 与栅极相接触, 并按 7 . 9 . 1 确定在栅极探针与地之间加上合适的栅偏压。 在任何情况下均应使
16、电缆尽可 能 短。 在栅有缺陷的 情况下, 可用一个串 联电 阻作为 一个限流器。 在这种情况下, 用一个。 . 1 p F 电容器 接在栅和地之间. 以保证栅交流接地。 了 . ”电容电桥或电容计的调零方法如下: 7 . 1 11 加上一个额定的1 v反向 偏压, 把电容电 桥或电容计设定在最不灵敏的 量程上. 慢慢 地降下 探 针使它正好与被测二极管的垫垒区或扩散区接触, 由电容电桥或电容计的正向偏转判断接触点情况。 7 . 1 1 . 2 选择电容电桥或电容计到指示不超过满刻度的最灵敏量程。 7 . 1 1 . 3 提高探针, 使其与势垒或扩散区的电接触刚好断开。 7 . 1 1 . 4
17、 调节电容电 桥或电 容计, 使 其在所选定的 量程( 仪器的精度之内 ) 的指示为 零。 GB / T 1 4 8 6 3 一9 3 7 . 1 2 探针下降与势垒或扩散区接触。 对被测二极管加上额定的1V反向偏压, 并测量其电容( p F ) 。 所 加电压和所测电容( 每个值不低于三位有效数字) 在数据表( 见附录c ) 中分别记录为v , 和C , , 以后各次 的电压和电容值也要记入该表中。 表c l 表示增量法( 8 . 3 . 1 ) 所用的样品数据表的格式, 表c 2 表示曲线 拟合法( 8 - 3 . 2 ) 所用的样品数据表的格式。尽管涉及到反向偏压, 但所有电压都看作为正
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