硅外延层载流子浓度的测试电容-电压法GB/T14146-2021详解

一、背景

在半导体器件制造过程中，硅外延层是一个重要的材料。而硅外延层中载流子浓度的测量则是制造高性能半导体器件的关键步骤之一。目前，在硅外延层载流子浓度的测量方法中，电容-电压法已经成为了一种非常成熟和可靠的技术。

二、电容-电压法原理

电容-电压法是一种利用 pn 结电容特性来测定载流子浓度的方法。具体原理如下：

首先，将待测样品与参考样品组成一个反向偏置结，使得其在一定的反向偏压下达到稳态。此时，对两个结进行电容测量，可以得到两个结的电容值 C_s 和 C_r。

然后，通过计算两个结的电势差 V，可以得到样品的 pn 结空间电荷区宽度 W 的表达式，即：

W = sqrt((ε × ε₀ × (V_bi - V)) / (q × N_d))

其中，ε 为硅的介电常数，ε₀ 为真空中的介电常数，V_bi 为 pn 结内建电势，q 为元电荷，N_d 为掺杂浓度。

最后，通过根据 W 计算出载流子浓度 N_d 的值。

三、GB/T14146-2021标准解读

GB/T14146-2021标准是针对电容-电压法测量硅外延层载流子浓度的方法进行了规范。该标准主要定义了测试设备的要求、试样制备的要求、测试过程中的各项参数设置、数据处理方法等方面的内容。

在电容-电压法的测试设备要求中，标准规定了测试用的电容器应具有低频特性、高精度、高稳定性等特点，同时也对测试设备的校准和保养进行了详细说明。

在试样制备的要求方面，标准则强调了硅外延层样品应该在清洁、干燥的环境下进行制备，避免杂质和水分的影响。同时还规定了样品的尺寸、形状、掺杂类型和浓度等参数。

在测试过程中的各项参数设置方面，标准则对测试温度、反向偏置电压、测量时间等参数进行了详细说明，并提出了一些常见问题的解决方法。

最后，在数据处理方法方面，标准则介绍了电容-电压法测量结果的计算公式，以及对数据处理过程中可能出现误差的分析和处理方法。

四、总结

电容-电压法是一种非常成熟和可靠的硅外延层载流子浓度测试方法，其在半导体器件制造过程中得到了广泛应用。GB/T14146-2021标准则为该方法提供了一套完整的测试规范，有助于提高测试的精度和稳定性，从而进一步提升半导体器件的生产质量。