A Quasi-static Technique for Mos C-v and Surface State Measurements

A quasi-static technique is discussed for obtaining the ‘low frequency’ thermal equilibrium MOS capacitance-voltage characteristics. The method is based on a measurement of the MOS charging current in response to a linear voltage ramp, so that the charging current is directly proportional to the incremental MOS capacitance. With this technique, surface potential and the surface state density can be obtained relatively simply and over a large part of the energy gap on a single sample, while also providing a direct test for the presence of gross nonuniformities in MOS structures. This method has been used to determine the surface state distribution at the interface of a bias grown steam oxide and 10 Q-cm n-type silicon, and the results are compared with composite measurements using the conductance technique for a similar interface. The sensitivity for surface state density measurements is estimated to be of the order of 1Oro states per ems eV near mid-gap for 10 !&cm silicon and improves with decreasing doping density. Some applications and limitations are a1so briefly discussed. R&urn&-On examine une technique quasi-statique pour obtenir l’equilibre thermique a basse frCquence des caracteristiques capacite-tension des MOS. La methode est basCe sur les mesures du courant de charge MOS en reponse a une rampe lineaire de tension de sortie de sorte a ce que le courant de charge est directement proportionnel Q la capacite d’accroissement MOS. Avec cette technique, Ie potentiet de surface et la densite d&at de surface peuvent Ctre facilement obtenus sur un meme dchantillon pour une grande partie de l’intervalle d’energie tout en fournissant un test direct pour les presences d’irregularit& dans les structures MOS. Cette methode a et6 employee pour determiner la distribution de l’etat de surface h l’interface d’un oxyde de vapeur d&eloppC pour la polarisation et du silicium de type n a 10Q-cm et les resultats sont compares aux mesures composees employant la mesure de conductance pour un interface similaire. La sensibilite des mesures de densites d’etats est estimee &tre de l’ordre de IOr Btats par cm2 eV p&s de l’intervalle central pour le silicium lo&cm et s’ameliore en diminuant la densite de dope. On discute aussi les applications et les limites. Zusammenfaaaung-Eine quasi-statische Technik zur Bestimmung der Kapazitlts-Spannungscharakteristik von MOS-Strukturen im thermischen Gleichgewicht bei niedrigen Frequenzen wird diskutiert. Die Methode beruht auf der Messung des Ladestromes bei linearem Spannungsanstieg, so dass dieser Strom direkt der Kapazitltszunahme proportional ist. Hiermit gewinnt man das Oberfkachenpotential und die Oberf%chentermdichte auf relativ einfache Weise fur einen grossen Teil der Bandhicke. Das Verfahren dient der Auswertung sowohl einzelner Proben als such zum Testen der Gleichm%ssigkeit der MOS-Strukturen. Die Verteilung der Oberflachenzustande an der Grenzfl&he von n-Typ-Silizium mit einem spez. Widerstand von 10 fi cm und im Wasserdampf gewachsenen Oxidschichten wurde bestimmt. Die Ergebnisse wurden verglichen mit anderen Messungen an lhnhchen Grenzflachen, die die Leitfahigkeit ausniitzen. Die Empfindlichkeit der Methode fur die Bestimmung der OberABchenzustandsdichte nahe der Bandmitte wird zu etwa lO”‘/cms eV abges&itzt fiir Silizium mit einem spez. Widerstand von 10 R cm; sie nimmt zu mit abnehmender Dotierung. Einige Anwendungen und Grenzen der Methode werden kurz diskutiert. IN’IBODUCI’ION the MOS capacitor and the field effect transistor, A LARGE part of the information on metalinsulator-semiconductor structures was obtained and several techniques have been developed for from detailed studies of the electrical properties of the extraction of surface state properties from such measurements. In this paper we shall discuss a