Surface state density evaluation using high-frequency MOS capacitance technique

Abstract

A computational method is described which permits accurate determination of oxide capacitance C0 and substrate impurity concentration NA (or ND) from high-frequency capacitance-voltage (C–U) data of a MOS diode in order to evaluate surface state density accurately as a function of surface potential. Using simulated SiO2/p-Si devices with typical parameters of C0 = 150 pF, NA = 1015 cm−3, and the area A = 0.005026 cm2 without surface states, it is theoretically shown that the energy range of 0 ⪅ E − EV ⪅ 1 eV can be probed with considerable accuracy by the C–U data with experimentally feasible precisions. Experimental results are also presented in order to show the feasibility of the procedure on actual devices with surface state densities ranging orders of magnitude. Eine numerische Methode wird beschrieben, die aus Hochfrequenz-Kapazitäts-Spannungs(C–U)-Daten für eine MOS-Diode die genaue Bestimmung von Oxydkapazität C0 und Substratdotierung NA (oder ND) gestattet, die zur genauen Ableitung der Energieverteilung der Oberflächenzustände als Funktion des Oberflächenpotentials benutzt werden können. Durch die Verwendung von simulierten SiO2/p-Si-MOS-Dioden ohne Oberflächenzustände, mit typischen Parametern von C0 = 150 pF, NA = 1015 cm−3, und der Fläche A = 0,005026 cm2 wird gezeigt, daß bei C–U-Daten mit im Experiment erreichbarer Präzision der Energiebereich von 0 ⪅ E − EV ⪅ 1 eV mit vortrefflicher Genauigkeit untersucht werden kann. Auch experimentelle Werte werden angegeben, um zu zeigen, daß die Methode für verschiedene, über mehrere Größenordnungen variierende Oberflächenzustandsdichten angewandt werden kann.