本标准规定了用栅控和非栅控二极管的电压?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。 GB/T 14863-1993 用栅控和非栅控二极管的电压-电容关系测定硅外延层中净载流子浓度的标准方法 GB/T14863-1993 标准下载解压密码：www.bzxz.net

中华人民共和国国家标准
用栅控和非栅控二极管的
电压-电容关系测定硅外延层中
净载流子浓度的标准方法
Standard test method for net carrfer density in silicon epitaxiallayers by voltage-capacitance of galed and ungated diodes1主题内容与适用范围
GB/T 14863—93
本标准规定了用栅控和非栅控二极管的电压-电容关系测定硅外延层中净裁流子浓度的原理，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β型外延层，适用于体材料。2引用标准
SJ1550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 10 μA漏电流时的反向偏正。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 1～1 000 pF,以十倍增大或减小。测量類率范围为 0. 09～1. 1 MHz,每个量程精度优于满刻度的1.0%，重复性优于满刻度的0.25%。仪器应能承受土200V或更高的外加直流偏压，能补偿不低于5pF的外部探针架的杂散电容，内部交流测量讯号不大于0.05V(r.m.$）。5.2数字电压表或电位计
其灵敏度优于1mV，精度优丁满刻度的0.5%，重复性优于满刻度的0.25%.输人阻抗不小于100 Ma,以及在 50 Hz时共模抑制比高于 100 dB。5.3直流电源
连续可调，能提供0～土200V（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-V特性。该曲线图示仪在0.1mA时反尚能加到200V，在正向1mA时国豪技术监督局1993-12-30批准1994-10-01实施
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能加到1.1V，且灵敏度优于10A/分度。5.5标准电容
在测量频率下，精度优于0.25%，一个电容应在1~10pF范围内，而另--电容应在10~100pF范围。
5.6精密电压源
能提供0~～200V输出电压，其精度应优于输出电压的0.1%。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，并能在测盘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。5.8工具显微镜、投影仪或求积仪能测量结直径，其精度优于0.5%；或者测量结面积，其精度优于1.0%，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。5.10直流电压源
连续可谢，输出电压为0～土40V范围，直流输出的纹波不大于1%（测量非栅控二极管不需要此电瀛）。
6样品制备
6.1：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）A1或A2测量外延层厚度；估计待测外延层的载流子浓度。6.2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5×10-*~5×10cm（对于圆形有源区，该面积对应于0.025～~0.138cm范围直径）。6.3制备结型二极管，其表面载流子浓度少是外延层载流子浓度的100倍，结深小于1.5um。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）A3或其他合适的方法测量并记录薄层电阻根据5SJ1550由薄层电阻和结深确定和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VGB>20V。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。
7测量步骤
7.1测量仪器的校准。
7.7.1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睿计上。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，测盘并记录电容值（pF）。然后拆去电容器。7.1.3将电缆连接到另一个标准电容上，测量并记录电容值（pF）。然后拆去电容器。7.1.4检查数字电压表或电位计在1～200V内的性能，用它测量这个电压范圈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（cm\），精确到1%，或测量并记录器件的直径(cm)精确到0.5%。
7.3把样品放到探针台上，将探针台和尽可能接近存源区的外延层进行屯连接（对相同导电类型衬底，..com外延层的连接从讨底上引出）
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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。7.5用屏蔽电缆连接探针台和图示仪（见5.4)。7.6在1V正偏压下,按下述步骤测量二极管的正向电阻R(2)。7.6.1测量并记录0.9V正向偏压时.极管的电流，mA。7.6.2测量并记录1.1V正向偏压时二极管的电流,mA。7.6.3按下式计算并记录R值：
R = 200/(I - I)
式中：1:—1.1V正向偏压时的电流，mA1I1—0.9V正向偏压时的电流，mA。（1
7.6.4因为R值等于或大于200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2000,需要使用合金,扩散或金化的电接触。7.7用同：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 8.1)。加偏压时不可与探针接触。
7.8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，如果测量非栅控极管，就按步骤7.9进行。
7.8.1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十（V+20)V和一(V+20)V。校验两电压时的电流值是否小于10μA。如果电流等于或小于10μA,则图示仪的电压将为零,并按步骤7.9测量1如果电流大于10μA,则在外延片上选择用另外二极替，从7.2开始重复该程序。
7.8.2如果7.8.1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.在栅极和外延层间逐渐增加图示仪的电压，记录发生榭击穿时的电压值。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VGBe7.9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7.10进行。7. 9. 1 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 型外延层选用十20 V 的栅偏压,而 p 型外延层则选用一20V 栅偏压。如果在小于20V的电压下发生栅击穿，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·-带电压。用平带电压作为栅偏压。7.10在探针台与电容电桥或电穿计之间连接屏蔽电缆，使电桥或电容计的低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7.11进行。7.10.1如果测量栅控二极管，用另一根屏蔽电缆连接电源(见 5.10)和与橱极接触的探针-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0.1 uF电容器接在栅和地之间，以保证栅交流接地。7.11．电容电桥或电容计的调零方法如下：7.11.1加上一个额定的1V反问偏压，把电容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。7.11.2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。7.11.3提高探针，使其与势垒或扩散区的电接触刚好断开。7.11.4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/T14863—93
7.12探针下降与势垒或扩散区接触。对被测二极管加上類定的1 V反向偏压,并测量其电容(pF)。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人该表中。表(1表示增量法(8.3.1)所用的样品数据表的格式,表C2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值。7.13调节电压，得到比前一电容值低4%～6%的一个新电容值。该电压和电容值（每个值不低于三位有效数字)在数据表中分别记录为V，和(z。当加上偏压时不可与探针接触。7.14重复7.13所述操作步骤，使电容遂次下降1%~～~6%，直至达到击穿电压或电容值开始随反向偏压的增大前增大时为止。测量栅控\极管，且栅极不能承受7.8.1中士(V十20)V的电位，则在电压不大于( V|一|V|一5)时就停止测量。式中 V是 7. 8.2 所测定的栅击穿电压,V。是 7. 9, 1. 1 或7.9.1.2所确定的外加栅偏压,而5 V是防止栅极击穿的安全余量。当测量程序结束时,将所有偏压降到零，提高探针，并将样品从探针台上取下。对于增最法至少要使用四个数据点，而曲线拟台法，数据点的数目要与预期拟合的阶数相一致。8计算
8.1如果7.2中测的是一极管直径而不是一极管面积，则按下式计算二极管的面积（cm*)：A 0. 7B5 4d2
式中：A-——二极管面积,cm\
d——直径,cm。
B.2周边的修正,如果被测一极管是用平面扩散(与台面相反)工艺制成的 P-n 结,对每个被测电容值C，进行刻下的计算，从被测电容值中减去周边边缘的电容，并记录其绪果，基他按8.3所述步骤进行。
8-2.1用下列关系式计算并记录耗尽层宽度X(cm)估计值：X, = 1. 040 4(A/C,)
第：个测量的电穿,pF。
式中: C,
8.2.2用下列关系式,计算并记录与所测电容,相对应的第i个周边电容的估算值C，(pF）5.7931A17u
C= InL(1 + Xo/X)/(1+4x.(3.54 9AV2 + 4X))式中：X,-
结深,cm(见 6. 3)。
8.2.3用下列关系式,计算并记录被修正电穿的估算值CspF）Ca = C, — CH
8.2.4用下列关系式，计算并记录耗尽层宽度的新的估算值X,(cm）：X, = 1. 040 4(A/C.)
B.2.5用下列关系式，计算并记录老的和新的耗尽层宽度估算值间的差Xz(cm）：X, = (X1 - X.)/X,
8. 2. 6 将 X.值与 0. 000 1 相比较;(3)
++-.---+.-(6 )
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8.2.6.1如果 X,=0.000 1,则将 8. 2. 3 中记录的 C值记入数据表中。8.2.6.2如果X220.0001,设 X=X1,然后按8.2.2～~8.2. 6计算和记录一个新的耗尽层宽度和周边电容的估算值。重复 8. 2. 2~8. 2. 6,直到满足 8. 2. 6 的条件。8.3载流子浓度剖而分布的计算
8.3.1增量法
8. 3. 1. 1使用下列关系式计算 S; 从 1 到 1一3,并记录在数据表中(见表 C1),其中 n 是,上面所测的电容-电压数据对的数目：
S,=In[(Vi++ 0.6)/(V:+ 0,6)J/An[C./C+s]式中：V,一—第i个记录的电压,V;V.+—-第i+3个记录的电压，V
按要求（见8.2)进行周边电容修正的第1个电容记录值，PF第i+3个进行修正的电容记录值·PF。8. 3. 1. 2用下列关系式计算并在数据表中记录对应于每个电容值 C, 的深度W:(μm):W,=10 404(A/C,)
8.3.1.3用下列关系式计算平均深度W：并在数据表中记录,i从1到死一3;r(W.s)\ -(w.)\,u,-n
w\, = [s(w.,-w]
8. 3.1.4用下列关系式计算并在数据表中记录对应于每个平均深度W.的载流子密度 N;：N. = 6. 193 × 10\w(w.w)
Vi+$ - V.
8.3.1.5计算每个 W,值加上结深的真实深度W\，并记录在数据表中。8.3.2曲线拟合法
8.3.2.1将具有下列形式的多项式函数与数据相拟合：1/Ce* - a, +a,, +a0?++*
式中：C一---根据拟合计算得第1个电容值,pF,A...at
（9）
（12）
对所有：值使表达式（C一C）\为最小时所确定的系数值C,按要求用周边电容修正（见8.2),
u-V,+0.600,V：是第；个记录的电压测量值，V表-一多项式的阶数，对所有的1值，所选值代表对[(C,一C,)/C.|≤0.01最低阶拟合，民≤π一1;其巾为所测电容-电压数据的点数。8. 3.2-2在数据表中(见表 C2)记录 C,和 agm1*a的值。8. 3. 2. 3用下列关系式计算 8. 3. 2. 1 中多项式的导数 D,并记录于数据表中;D, = at + 2ai +.-kau*-!
注意如果使用阶次高于3的多项式，则所计算的载流子滋度中，可产生误差起伏。8.3.2.4用下列关系式计算与每个耗尽层宽度相对应的载流子浓度,并记录于数据表中，(13)
9握告
9.1报告应包括下列内容：
9. 1. 1 操作者。
测量日期。
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W; = 10 404(A/C.)
N,=(-1.19985×10°)/A3D
批号，晶片和二极管的抽样方案（如果适用的话）。样品编号和类型。
二极管制造工艺及榭控还是非栅控。扩散二极管的结深，μm。
二极管的正向电阻，0。
二极管的面积,cm。
栅控二极管的栅偏压,V。
使用的计算方法。
把数据列入表C1(增量法)或表C2(曲线拟合法)所示的数据表中。计算的载流子密度，cm
10方法精度
10.1对载流子浓度低于1×10cm-\的样品，指定三个深度测量，这些深度选在分布相对平坦的部分对载流子浓度大于1×101°cm一\的两个样品的两个深度测量。根据六个实验室，每个实验室三天中每天测量的七个样品的初步分析,其精确度(2)为4.6%～17.4%。统计数据列于附录E。GB/T 14863—93
附录A
引用的国外标准
(补充件）
A1ASTMF95\用红外反射法测量相同型号衬底上硅外延层厚度A2ASTMF1101用磨角和染色技术测量硅外延层或扩散层厚度用直线四探针测量硅外延层、扩散层、离子注入层的薄层电阻3ASTMF374\
注：1）引自SEMI标准第6卷、译文由中国标准出版社出版。附录B
载流子浓度与耗尽克度的关系曲线(补充件）
B1硅单边突变结载流子浓度与耗尽宽度的关系曲线10'E
图B1单边突变结近似下耗尽区宽度与反偏压的关系（硅，300°K）附录C
数据记录衰
（补充件）
增量法表格
表 C1增量法的实验数据表格
操作者
二极管制造工艺
结深，um
正向电阻，2
抽样方案
栅压，V
非栅控
二极管面积，cm\
曲线拟合法表格
操作者
二极管制造工艺
结深um
正向电阻，n
二极管面积，cm
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曲线拟合法的实验数据表格
抽样方案
非栅控
栅压，V
控 p-n结示意图
(参考件）此内容来自标准下载网
D1 n 型外延层栅控 P-n 结的实例示于图 D1。am
拟合系数
正面接触的n扩散区域
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铅扩“散层接题
口型扩散局
口型外延层
背面的金接
氧化物
图D1在n型外延层.上制作的控p-n结的剂面图注：(I)铝栅与外延层隔离,并与扩散区或注入区重叠。②为了使背面与外延层接触，蒸发金与背面型成接触。③为了改普正面与外延层接触，在扩散区或注入区周围有一个金属化的n+扩散区。附录E
循环测试数据
(参考件)
平面二极管CV循环测试精度的数据E1
样品编号
薄母次数，
用 10\硼原子/cm表示的平均载流子浓度。用10“原子/cm2表示的标准误差值。用平均薇流子获度的百分数表示的标准误差值。样品编·号
GB/T14863—93
附加说明：
本标准由中华人民共和国机械电子工业部提出。本标准由机械电子工业部46所和4所起草。本标准主要起草人孙毅之、张若愚、谢重木、韩艳芬。
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