法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-05-17
授权
授权
2015-07-15
实质审查的生效 IPC(主分类):H01L21/66 申请日:20150319
实质审查的生效
2015-06-17
公开
公开
技术领域
本发明属于微电子技术中,半导体器件可靠性领域,更具体的说,本发明提 供一种针对串联电阻效应的金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性修正 方法。
背景技术
金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor field effect transistor,简称MOSFET)是微处理器和半导体存储器等超大规模集成电路中的重 要器件。金属氧化物半导体场效应晶体管是基于半导体平面工艺,在“清洁”硅片 上用热氧化、蒸发和光刻等方法制备而成的,如图2所示,其结构主要由金属、 绝缘层及半导体所组成,它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是,由于半 导体中的电荷密度比金属中的小得多,所以充电电荷在半导体表面形成的空间电 荷区有一定的厚度(—微米量级),而不像金属中那样,只集中在一薄层(~0.1nm) 内。半导体表面空间电荷区的厚度随偏压而改变,所以金属氧化物半导体场效应 晶体管电容是微分电容。
式1中QG是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。
在分析金属氧化物半导体场效应晶体管结构电性能时,常假设有一种理想的 金属氧化物半导体场效应晶体管结构存在。其满足以下条件:(1)金属与半导体 间功函数差为零;(2)在绝缘层(SiO2)内没有电荷;(3)SiO2与半导体界面处 不存在界面态。
理想的金属氧化物半导体场效应晶体管结构在外形上与实际结构完全相同。 在这个结构上加偏压VG时,一部分在降在Si/SiO2上,记作Vox;一部分降在半 导体表面空间电荷区,记作Vs,即
VG=Vox+Vs (式2)
Vs又叫表面势。因为考虑的是理想情况,Si/SiO2中没有任何电荷存在,半导体 表面半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反,有
|Qsc|=|QG| (式3) 式中Qsc是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将式(2)、(3)代入式(1),得 到
式(4)表明金属氧化物半导体场效应晶体管电容由Cox和Cs串联构成,其 等效电路如图3所示。其中Cox是以SiO2为介质的氧化层电容,它的数值不随 VG改变;Cs是半导体表面空间区电容,其数值随VG改变,因此
式5中,ε0为真空电容率,εox为氧化物介电常数,dox为样品器件氧化层厚度。
在金属氧化物半导体场效应晶体管电路的生产和开发研制中,金属氧化物半 导体场效应晶体管的电容-电压(C-V)测试是极为重要的工艺过程监控测试手段, 也是器件参数分析和可靠性研究的有效工具。通常由高频金属氧化物半导体场效 应晶体管的测试电容最大值估计栅介质膜的厚度;由其归一化的最小电容值确定 衬底掺杂密度或作为离子注入工艺的监控模式;由其平带电压确定有效氧化物的 电荷密度;由曲线的斜率确定衬底掺杂剖面,对于均匀掺杂衬底,曲线的斜率还 可以反映界面陷阱的状况;由曲线的深耗尽程度估计少子产生寿命;滞后的C-V 曲线与理想的C-V曲线比较可估计界面陷阱、室温可动电荷。另外,高频C-V 测试配合准静态测试,可以定量分析Si/SiO2界面陷阱的能量分布;与其他应力 试验(如加温,加电)结合可以分析氧化物中的陷阱、可动电荷。但是这些分析测 试必须在准确测量金属氧化物半导体场效应晶体管的高频C-V特性基础上才是 有效的。
作为工艺监控,既希望测试结构准确可信,也希望样品制作简单。然而,实 际过程中往往由于样品制备不当或测试等原因,引入寄生元件。通常主要会受到 探针与栅的接触电阻的影响而使得金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特 性测试电路中引入串联电阻R。尽管在制备和测试过程中注意到了这些问题,但 在许多情况下还不能使串联电阻达到忽略的程度。串联电阻的引入会使测试的电 容Cm小于待测样品的电容C,导致无法准确的评估器件的特性。因此,C-V曲线 在应用前需要先对其进行修正。
针对金属氧化物半导体场效应晶体管的C-V测试中存在的串联电阻效应,目 前常用的修正模型是:
其中,样品中的串联电阻ω是角频率,C为样品的实 际电容,Ca为积累区的测试电容,Cm为测试电容,Cox为样品的氧化层电容。利 用式7对测试电容Cm进行逐一修正,获得金属氧化物半导体场效应晶体管的C-V 数据离散点。该模型在修正计算过程中,首先需要根据积累区的测试电容Ca和 样品电容(即为氧化层电容Cox)求出串联电阻R的值;其次需要判断式7中根号前 的正负号的取值。对于金属氧化物半导体场效应晶体管,因其电容随偏压变化, 当测试电容最大值即氧化层化层电容时,式7根号前取负 号,当Cox>C0时,Cm-V曲线失真,测试电容出现峰值(Cm)max(测试电容的极大 值,(Cm)max=1/2C0),在峰值的积累区侧,式7中的根号前取正号,而在耗尽区侧 则取负号。
利用此修正模型来计算,其过程较为繁琐。不但需要利用栅电极面积A和 氧化层厚度dox的准确值来计算氧化层电容Cox,进而计算出串联电阻R的值, 而且在计算过程中还需将氧化层电容Cox与C0的值进行比较,从而判断式7根 号前取正号还是负号。另外,计算氧化层电容Cox时,栅电极面积A和氧化层厚 度dox的取值与实际电容的结构参数也会存在一定误差,导致修正曲线存在较大 误差。至今为止,没有一个标准的修正方法可以准确修正出电路中存在串联电阻 效应时,金属氧化物半导体场效应晶体管的实际C-V特性曲线。
发明内容
针对现有方法的缺点,本发明提供一种金属氧化物半导体场效应晶体管电容 -电压特性修正方法,该方法简单易行,准确率高,能够弥补不能准确计算氧化 层电容Cox和串联电阻R的值,进而无法准确修正出金属氧化物半导体场效应晶 体管实际C-V特性曲线的缺陷。
本发明采用如下技术方案:
一种金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性修正方法,其特征在于,:
步骤1、分别获取待测金属氧化物半导体场效应晶体管栅极的两个不同输入 电压信号频率为f1和f2所对应的待测金属氧化物半导体场效应晶体管的电容- 电压特性曲线和C-V特性测试数据;
步骤2、对步骤1获得的待测金属氧化物半导体场效应晶体管的电容-电压特 性曲线和C-V特性测试数据进行修正,得到修正后的实际C-V数据离散点,并 据此绘制成修正后的电容-电压特性曲线,所述修正方法是以式1为修正模型, 对C-V特性测试数据中的电容进行修正,所述修正模型为:
其中C为金属氧化物半导体场效应晶体管实际电容,f1和f2分别为两次测 试时所加电压信号的频率,Cm1是输入电压信号的频率为f1时所测得的电容,Cm2是输入电压信号的频率为f2所测得的电容。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明基于存在串联电阻R的金属氧化物半导体场效应晶体管C-V特性电 路测试等效电路模型,利用不同输入电压信号频率条件下,金属氧化物半导体场 效应晶体管C-V特性测试电路中串联电阻R值相同的特点,建立了一套新的针 对串联电阻效应的金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性修正方法。
针对串联电阻效应的金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性修正方 法中,其实际电容C的修正模型:
其中,f1和f2分别为两次测试时所加电压信号的频率,Cm1为输入电压信 号的频率为f1时所测得的电容,Cm2为输入电压信号的频率为f2时的测试电容。
本发明具体优点如下:
(1)本发明修正方法中的修正结果准确。本发明修正方法中电容的修正 模型(式1)是基于不同输入电压信号频率条件下,金属氧化物半导体场效应晶 体管(MOS)电容-电压特性测试电路中串联电阻R值相同的特点,利用常规测 试方法得到模型参数:两组频率f1、f2下的测试电容Cm1、Cm2,然后将频率f1、 f2和测试电容Cm1、Cm2带入公式1中即可得到准确的实际电容C。与传统测试 方法相比,本发明的修正模型中不包含串联电阻R和器件结构参数,修正过程 中既不需要利用器件栅电极面积和氧化层厚度估算出氧化层电容Cox(式2)的 值,也不需要利用氧化层电容Cox和积累区测试电容Ca计算出串联电阻R(式3) 的值,这就避免了传统修正方法中的主要误差来源:对器件栅电极面积和氧化层 厚度等结构参数估算不准确,导致氧化层电容Cox的估算值与其实际值之间会存 在误差,进而带来C-V曲线的修正误差。因此,本发明修正方法使修正结果更 加准确。
(2)本发明的修正方法具有普适性。传统修正方法的使用是建立在充分 了解器件的结构参数如样品器件的栅电极面积、器件氧化层厚度的基础上,具有 一定的使用局限性。而本修正方法仅需利用常规的测试技术测量出两组不同频率 下的C-V测试数据的离散点,将频率f1、f2和测试电容Cm1、Cm2带入修正模型 (式1)中就可以得到准确的实际C-V特性曲线。修正模型中涉及到的参数只有 频率和测试电容,而器件的结构参数如器件的栅电极面积和器件氧化层厚度等在 整个修正过程中并没有被涉及。因此,对于不能准确确定其结构参数的器件,如 金属氧化物半导体场效应晶体管、二极管电容等,均可通过该修正方法修正出器 件实际的电容-电压特性曲线。
(3)本发明的修正方法模型参数少,计算过程简单。本发明修正方法中 电容的修正模型(式1)是基于不同输入电压信号频率条件下,金属氧化物半导 体场效应晶体管(MOS)电容-电压特性测试电路中串联电阻R值相同的特点, 与传统修正方法相比,本发明的修正模型中的模型参数只有频率f1、f2和测试 电容Cm1、Cm2,不包含串联电阻R和器件结构参数,利用常规测试方法就可以 得到这些参数。然后将频率f1、f2和测试电容Cm1、Cm2带入本发明的修正模型 (式1)后,仅需要进行一步简单的四则运算即可计算出实际电容C,最后利用 修正出的实际电容离散点即可得到实际C-V曲线。本修正方法避免了传统模型 (式4)中需要利用器件栅电极面积和氧化层厚度带入公式2、3计算出氧化层 电容Cox和串联电阻R的值,以及通过比较氧化层电容Cox与的大小 来判断传统模型(式4)中根号前的正负号取值的问题。本发明的修正方法模型 参数少,可以使计算实际电容的过程更加简单,修正出的结果更加准确。
其中,R为串联电阻,ω是角频率,C为样品的实际电容,Ca为积累区的 测试电容,Cm为测试电容,Cox为样品的氧化层电容,ε0为真空电容率,εox为 氧化物介电常数,dox为样品器件氧化层厚度,A为器件栅电极面积。
附图说明
图1是建立针对串联电阻效应的金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压 特性修正方法的流程图。
图2是金属氧化物半导体场效应晶体管结构图。
图3是金属氧化物半导体场效应晶体管的等效电容电路图。
图4是金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性测试电路中存在串联 电阻R时的待测电路连接图。
图5是金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性测试电路中存在串联 电阻R时的待测电路简化图。
图6金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性测试电路中存在串联电 阻R时的测试电路等效图。
图7是输入电压从+5V扫到-5V,扫描步长为0.1V,频率分别为10KHZ、 50KHZ和100KHZ条件下的金属氧化物半导体场效应晶体管的C-V特性测试曲 线。
图8是根据两组频率分别为10KHZ和50KHZ、50KHZ和100KHZ条件下 金属氧化物半导体场效应晶体管C-V测试数据,利用修正模型修正后的C-V特 性曲线。其中,利用两组数据修正后的C-V特性曲线拟合精度非常高。
具体实施方式:
一种金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性修正方法,其特征在于,:
步骤1、分别获取待测金属氧化物半导体场效应晶体管栅极的两个不同输入 电压信号频率为f1和f2所对应的待测金属氧化物半导体场效应晶体管的电容- 电压特性曲线和C-V特性测试数据;
步骤2、对步骤1获得的待测金属氧化物半导体场效应晶体管的电容-电压特 性曲线和C-V特性测试数据进行修正,得到修正后的实际C-V数据离散点,并 据此绘制成修正后的电容-电压特性曲线,所述修正方法如下:以式1为修正模 型,对C-V特性测试数据中的电容进行修正,所述修正模型为:
其中C为金属氧化物半导体场效应晶体管实际电容,f1和f2分别为两次测 试时所加电压信号的频率,Cm1是输入电压信号的频率为f1时所测得的电容,Cm2是输入电压信号的频率为f2所测得的电容。
根据修正后的实际C-V数据离散点绘制修正后的电容-电压特性曲线时,可 以利用Origin软件绘制出修正后的C-V特性曲线,从而最终准确修正出金属氧 化物半导体场效应晶体管的实际C-V特性曲线。
本发明可以利用现有技术中任一方法获取待测金属氧化物半导体场效应晶 体管的电容-电压特性曲线和C-V特性测试数据,本实施例则可选取其中之一, 即:待测金属氧化物半导体场效应晶体管的电容-电压特性曲线和C-V特性测试 数据的获取方法如下:待测金属氧化物半导体场效应晶体管的电容-电压特性曲 线和C-V特性测试数据的获取方法如下:
步骤1.1、准备金属氧化物半导体场效应晶体管的电容-电压(C-V)特性测试 的实验仪器和样品:实验仪器主要包括:探针台、安捷伦E4980A精密LCR测 量表、计算机;
步骤1.2、通过探针选择待测的金属氧化物半导体场效应晶体管,将金属氧 化物半导体场效应晶体管的栅极G连接安捷伦E4980A精密LCR测量表输入端 口,器件的衬底B接测量表的地端口(GND),器件的源极和漏极浮空;
步骤1.3、设置安捷伦E4980A精密LCR测量表对器件栅极的输入电压参数, 电压施加方式是由正压扫描到负压,扫描电压范围为+5V到-5V,扫描步长为0.1V, 输入电压信号频率为f1,打开测量表电源进行金属氧化物半导体场效应晶体管 的电容-电压特性测试,测试过程中监测电容-电压特性曲线并保存C-V特性测试 数据;
步骤1.4、保持金属氧化物半导体场效应晶体管样品、实验装置连接和其他 测试条件不变,仅将步骤3中输入电压信号的频率改变为f2,然后进行与步骤3 相同的电容-电压特性测试,测试过程中监测电容-电压特性曲线并保存C-V特性 测试数据。
本发明基于以下原理:
针对串联电阻效应的金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性曲线的 修正来说,本发明中的修正方法是基于不同输入电压信号频率条件下的金属氧化 物半导体场效应晶体管电容-电压特性测试电路中串联电阻R的值相同的特点提 出的,而模型建立的难点是建立串联电阻R的推导公式(式1)并根据此公式建 立等式模型(式2):
首先需要建立电路中存在串联电阻效应时,金属氧化物半导体场效应晶体管 测试电容Cm和实际电容C的关系模型。当金属氧化物半导体场效应晶体管电路 中存在串联电阻R时,其待测电路图、待测电路简化图和测试等效电路图如附 图4、5、6所示,可以看出在实际电路中金属氧化物半导体场效应晶体管电容C 与串联电阻R是串联的,而测量仪在测量电容时是以并联等效电容Cm和并联等 效电导Gm的形式进行测试的。有如下关系:
Ym=Gm+jωCm
其中,R是金属氧化物场效应晶体管电容-电压特性电路中的串联电阻,Ym是等效电路的导纳,Zm是等效电路的阻抗,Gm是并联等效电导,ω是角频率。
根据式3可以得出待测电容C和测试电容Cm之间的关系:
根据式4即可推导出如式1所示串联电阻R的推导公式。
根据不同输入电压信号频率条件下,金属氧化物半导体场效应晶体管电容- 电压特性测试电路中串联电阻R值相同的特点,可以建立出如式2所示的等式 模型,并根据式2可以得到电容的修正模型:
其中f1和f2分别为两次测试时所加电压信号的频率,ω1和ω2是角频率,Cm1为输入电压信号频率为f1时测得的电容,Cm2为输入电压信号频率f2条件下的测 试电容。本修正方法中的模型参数的确定,可以通过对金属氧化物半导体场效应 晶体管进行不同输入电压信号频率下的电容-电压特性测试,从而得到输入电压 信号频率为f条件下,扫描电压对应的测试电容Cm的离散点。
根据信号频率分别为f1、f2条件下的金属氧化物半导体场效应晶体管的 C-V特性测试数据,利用所建立的修正模型(式5),计算修正后的C-V离散点 数据,并用计算机中的软件描绘出修正后的C-V特性曲线。从而准确修正出具 有串联电阻效应的金属氧化物半导体场效应晶体管实际的C-V特性曲线。
下面结合附图来说明我们针对串联电阻效应的N型衬底的金属氧化物半导 体场效应晶体管电容-电压特性曲线的修正过程和结果:
实验设备:N型衬底的金属氧化物半导体场效应晶体管、探针台、安捷伦 E4980A精密LCR测量表、导线、计算机。均为实验室常用测试设备,成本低 方法简单易行。
步骤1、准备金属氧化物半导体场效应晶体管的电容-电压(C-V)特性测试的 实验仪器和样品。实验仪器主要包括:探针台、安捷伦E4980A精密LCR测量 表、计算机。样品选取金属氧化物半导体场效应晶体管;
步骤2、通过探针选择本实验待测金属氧化物半导体场效应晶体管样品,将 器件的栅极G连接安捷伦E4980A精密LCR测量表的输入端口,器件的衬底B 接测量表的地端口(GND),器件的源极和漏极浮空;
步骤3、设置安捷伦E4980A精密LCR测量表对器件栅极的输入电压参数, 电压施加方式是由正压扫描到负压,扫描电压范围为+5V到-5V,扫描步长为0.1V, 输入电压信号频率为f1。打开测量表电源进行金属氧化物半导体场效应晶体管 的电容-电压特性测试,测试过程中监测电容-电压特性曲线并保存数据;
步骤4、保持金属氧化物半导体场效应晶体管样品、实验装置连接和其他测 试条件不变,仅将步骤3中输入电压信号的频率改变为f2,然后进行与步骤3 相同的电容-电压特性测试,测试过程中监测电容-电压曲线并保存数据;
步骤5、针对金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性测试电路中存在 串联电阻效应的情况,基于不同输入电压信号频率条件下,金属氧化物半导体场 效应晶体管电容-电压特性测试电路中串联电阻R值相同的特点(式1),搭建金 属氧化物半导体场效应晶体管实际电容C的修正模型(式2):
其中R为金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压测试电路中的串联电阻, f1和f2分别为两次测试时所加电压信号的频率,ω1和ω2是频率f1和f2对应的 角频率,Cm1为输入电压信号的频率为f1时所测得的电容,Cm2为输入电压信号 的频率为f2时的测试电容;
步骤6、根据信号频率分别为10KHZ和50KHZ条件下的金属氧化物半导体 场效应晶体管的C-V特性测试数据,利用所建立的修正模型(式2)计算修正后 的C-V数据离散点,再利用计算机中的Origin软件绘制出修正后的C-V特性曲 线;
步骤7、调整步骤6中建立的模型文件中的模型参数,根据信号频率分别为 50KHZ和100KHZ条件下的金属氧化物半导体场效应晶体管的C-V特性测试数 据,利用所建立的修正模型(式2)计算修正后的C-V数据离散点,再利用计算 机中的Origin软件绘制出修正后的C-V特性曲线。附图8是根据两组频率分别 为10KHZ和50KHZ、50KHZ和100KHZ条件下金属氧化物半导体场效应晶体 管C-V测试数据,利用修正模型修正后的C-V特性曲线。可以看出,利用两组 数据修正后的C-V特性曲线拟合精度很高,可以验证本发明的修正方法能够准 确修正出金属氧化物半导体场效应晶体管的实际C-V特性曲线。
本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神,可以有多种变形方案实现本发明, 以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已,并非因此局限本发明的权利范围, 凡运用本发明书所示附图内容所作的等效变化,均包含于本发明的权利范围之内。
机译: 电容电压特性测量方法和电容电压特性测量装置
机译: 用于车辆的自主电容器测试电路装置,具有测量电路,该测量电路测量电容器处的电压特性,并且具有通过评估所测量的特性来评估电容器的电容的电路
机译: 具有栅绝缘层的不同厚度的金属氧化物半导体场效应晶体管器件的形成方法,该不同厚度的层可以改善低电压金属氧化物半导体场效应晶体管器件和高电压金属氧化物半导体器件的性能