CN100356182C - 一种绝缘体上硅的埋层氧化物电荷密度的快速表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝缘体上硅(SOI)的埋层氧化物电荷密度的快速表征方法，更明确地说是涉及一种用汞探针测试系统表征SOI材料的埋层氧化物电荷密度的方法，属于微电子学与固体电子学领域。该方法采用汞探针测试系统，通过比对腐蚀顶层硅前后电容-电压曲线的方法，表征薄膜以及超薄SOI(Silicon-On-Insulator：绝缘体上的硅)材料的埋层氧化物电荷密度。该表征方法针对顶层硅厚度1μm以内的SOI圆片，具有简便易行、测试过程迅速等优点，可以作为SOI材料规模化生产的在线表征方法。

Description

一种绝缘体上硅的埋层氧化物电荷密度的快速表征方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘体上硅(SOI)的埋层氧化物电荷密度的快速表征方法，更明确地说是涉及一种用汞探针测试系统表征SOI材料的埋层氧化物电荷密度的方法，属于微电子学与固体电子学领域。

背景技术

绝缘体上的硅(SOI)材料以其独特的体硅-绝缘层-单晶硅薄膜的多层复合结构，已经成为硅技术领域内至关重要的部分，得到了广泛的应用。SOI电路具有高速，低功率，抗辐照等优点，在航空航天、军工电子、便携式通讯领域具有重要的应用背景，基于SOI的微机电系统，射频电子系统等也越来越受到人们的重视。SOI技术被认为是二十一世纪的硅集成电路技术，倍受人们重视(J.P.Colige，Silicon on Insulator Technology，Material to VLSI，Kulwer Academic Publication 1991)。

但是，由于SOI材料是由两种不同的物质——硅和绝缘层(通常是二氧化硅)组成，并且存在两个Si/SiO₂界面，是多层异质结构，而不是传统的体材料，很多用于传统体硅以及其他半导体材料的表征方法，不再适用于SOI材料。电容-电压(C-V)法是SOI材料的传统表征手段之一，可以很方便的表征出SOI材料的埋层氧化物(BOX)电荷密度，在二十世纪八十年代曾经广泛的应用于SOI材料的表征领域。(F.T. Brady，S.S.Li，D.E.Burk and W.A.Krull，“Determination of Fixed Oxide Charge and Interface Trap Densities forBuried Oxide Layers Formed by Oxygen Implantation，”Appl.Phys.Lett.52(11)14 March 1988.)但是，随着集成电路的发展，对于薄型和超薄型顶层硅SOI材料的需求越来越广泛。传统的C-V表征模型是将顶层硅看作是无限厚的(Kiyoko Nagai，Toshihiro Sekigawa and Yutaka Hayashi，“Capacitance-VoltageCharacteristics of Semiconductor-Insulator-Semiconductor(SIS)Structure”，Solid-State Electronics，Vol.28，No.8，pp.789-798，1985.)，这样的模型显然不适用于薄膜，特别是超薄SOI材料。近些年来，为了解决这一问题，人们提出了很多新的方法，例如栅二极管法，表面光电压法，赝晶体管法以及SOI-MOS器件法等。但是这些方法中，或物理模型复杂，或表征工艺繁琐，达不到便捷、可靠的要求。因此，要想表征BOX的电荷密度，还需要发明一种新的针对薄膜以及超薄SOI材料的快捷的方法。

发明内容

本发明提供了一种绝缘体上硅(SOI)的埋层氧化物电荷密度的快速表征方法，更明确地说本发明是用汞探针测试系统表征SOI材料的埋层氧化物电荷密度的方法。

本发明是采用汞探针C-V测试系统，通过考察顶层硅被腐蚀前后C-V曲线的变化，来表征薄膜以及超薄SOI材料的BOX电荷密度。图1为该方法的示意图。首先用汞探针测试SOI材料的初始C-V曲线(图1.a)，然后用选择性腐蚀液把顶层硅腐蚀掉，露出BOX层。再用汞探针测试腐蚀后材料的C-V曲线(图1.b)。图2所示为腐蚀前后的两条C-V曲线。

对于传统的C-V模型，SIS(Semiconductor-Insulator-Semiconductor，半导体-绝缘体-半导体)结构模型的高频电容可以表示为：

$C=\frac{C_{\mathrm{OX}}}{1+\frac{C_{\mathrm{OX}}}{C_{S1}}+\frac{C_{\mathrm{OX}}}{C_{S2}}}---\left(1\right)$

$V=-{\mathrm{\ψ}}_{S1}+{\mathrm{\ψ}}_{S2}+\frac{-Q_{S1}-Q_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}}+W_{12}+W_{\mathrm{MS}}---\left(2\right)$

其中C_ox是BOX电容，C_s1.C_s2分别是BOX与顶层硅的界面电容，以及BOX与衬底硅之间的界面电容，ψ_s1、ψ_s2分别是顶层硅和衬底硅的能带弯曲势，Q_s1、Q_s2分别是BOX与顶层硅界面上的氧化物固定电荷密度，以及BOX与衬底硅界面间的氧化物固定电荷密度，W_MS、W₁₂分别是金属-半导体，顶层硅-衬底硅的功函数差。对于SIMOX样品的BOX上下的硅来说，W₁₂可以近似看作零。氧化物电荷主要有三种：固定电荷，陷阱电荷和可动电荷。测量中采用0.5伏/秒以下的电压扫描步长(即频率)，以抑制回滞现象的产生。这样得到的曲线，正向和反向扫描基本重合，也就是说，BOX中没有明显的可动电荷存在。固定电荷和陷阱电荷通常存在于BOX的上、下界面处。(参见E.H.Nicollian and J.R.Brews，MOS Physics and Technology，Wiley，New York(1982))

然而对于薄膜和超薄SOI材料，必须另行考虑。首先，根据MOS电容理论，由于硅耗尽引起的高频表面电容，主要存在于硅衬底和氧化物的界面处。这一理论模型将硅视作足够厚的，电荷才可以储存在硅/氧化物界面以及反型层中。而在实际的实验中，顶层硅只有260nm厚，远小于1μm的最大耗尽层宽度。在反向偏压下整个顶层硅全部处于耗尽状态，也就是说，传统理论模型中的本征层和反型层之间的界面不存在了。于是，在SIS模型中存在于BOX上界面的电容C_s1就不存在了。

并且，在SIS模型中，由于顶层硅能带的弯曲，导致顶层硅的上界面(汞/顶层硅)和下界面(顶层硅/BOX)的势是不同的(ψ_s1)。这就在顶层硅内部产生了一个自建电场(V_TS)，其方向总是与C-V的电压方向相反。

所以，对于薄膜SOI结构，电容-电压(C_SIS-V_SIS)关系应表示为：

$C_{\mathrm{SIS}}=\frac{C_{\mathrm{OX}}}{1+\frac{C_{\mathrm{OX}}}{C_{S2}}}---\left(3\right)$

$V_{\mathrm{SIS}}=V_{\mathrm{TS}}+{\mathrm{\ψ}}_{S2}+\frac{-Q_{S1}-Q_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}}+W_{\mathrm{MS}}---\left(4\right)$

这里的V_TS表示的是顶层硅两个界面的电势差，由衬底和BOX层的表面势决定。顶层硅被腐蚀后，使BOX同顶层硅的界面消失，所以，此时的电容-电压(C_MOS-V_MOS)曲线就可以用传统的MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属-氧化物-半导体)结构来分析：

$C_{\mathrm{MOS}}=\frac{C_{\mathrm{OX}}}{1+\frac{C_{\mathrm{OX}}}{C_{S2}}}---\left(5\right)$

$V_{\mathrm{MOS}}={\mathrm{\ψ}}_{S2}+\frac{-Q_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}}+W_{\mathrm{MS}}---\left(6\right)$

在图2所示曲线中，可计算出MOS结构的平带电压V_FB，MOS，

$V_{\mathrm{FB},\mathrm{MOS}}=\frac{-Q_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}}---\left(7\right)$

通过上式可以计算出BOX下界面(BOX/衬底)的固定电荷密度Q_S2。

考察SIS和MOS曲线的横向漂移，可以由此计算出BOX上界面的电荷密度。当C_MOS＝C_SIS(ψ_s2|MOS＝ψ_s2|SIS)

$V_{\mathrm{SIS}}-V_{\mathrm{MOS}}=V_{\mathrm{TS}}-\frac{Q_{S1}}{C_{\mathrm{OX}}}---\left(8\right)$

显然，如果可以确切地知道V_TS，则可以计算出上界面电荷密度Q_S1。以p型为例，外加电压足够大的时候，顶层硅或积累(正电压)，或反型(负电压)，则由此不难推断，必然在某一电压下，顶层硅能带会恰好处于平带情况(V_TS＝0)。当外加电压大于这一电压时，衬底耗尽而顶层硅积累；反之亦然。顶层硅的能带弯曲和C-V扫描电压以及上界面固定电荷密度有关。所以当V_TS＝0时，V_SIS＝-Q_S1/q。我们定义此时的电压为SIS结构的平带电压(V_FB，SIS)，此时的电容为SIS结构的平带电容(C_FB，SIS)。根据(8)式，当V_TS＝0，V_SIS＝-Q_S1/q时，相应的V_MOS＝0。

$C_{\mathrm{FB},\mathrm{SIS}}=C_{\mathrm{MOS}}{|}_{(V_{\mathrm{MOS}}=0)}---\left(9\right)$

$V_{\mathrm{FB},\mathrm{SIS}}=-\frac{Q_{S1}}{C_{\mathrm{OX}}}---\left(10\right)$

首先根据(9)式在MOS曲线上确定C_FB,STS的值，然后再从图2的SIS曲线上求得V_FB，SIS。这样我们就可以通过(10)式得到上界面固定电荷密度：

Q_S1＝-C_OX·V_FB，SIS    (11)

至此，由公式 $V_{\mathrm{FB},\mathrm{MOS}}=\frac{-Q_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}}$ 和Q_S1＝-C_OX·V_FB，SIS分别表征出了BOX上、下界面的电荷密度。

综上所述，本发明快速表征方法，其特征在于具体表征步骤是：

(1)用汞探针C-V测试系统测量绝缘体上硅材料的C-V曲线；

(2)腐蚀除去绝缘体上硅材料的顶层硅；

(3)经步骤(2)腐蚀后的材料再次放入步骤(1)所用的C-V测试系统中测出C-V曲线；

(4)在两条C-V曲线上，利用公式 $V_{\mathrm{FB},\mathrm{MOS}}=\frac{-Q_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}}$ 和Q_S1＝-C_OX·V_FB，SIS计算出埋层氧化物的电荷密度，式中V_FBMOS为MOS结构的平带电压，Q_S2埋层氧化物与衬底间的电荷密度；C_OX为埋层氧化物电容；Q_S1埋层氧化物与顶层硅间的电荷密度；V_FBSIS为SIS结构的平带电压；

(5)两次C-V测试所用的设备均为SSM495或者其它带有汞探针的半导体参数测试系统；

(6)所述的顶层硅厚度1μm以内；

(7)腐蚀除去顶层硅所采用的腐蚀溶液为KOH、TMAH或者其他可以对硅与二氧化硅选择性腐蚀的溶液配方。

本方法不需要复杂的数学模型和工艺，甚至不需要光刻，大大提高了工作效率。这一表征方法的建立，对于目前开展的SOI材料的在线表征技术研究具有很深远的意义。

附图说明

图1是采用汞探针测试系统表征SOI材料BOX电荷密度示意图，(a)留有顶层硅的SIS结构；(b)腐蚀顶层硅后的MOS结构。

图2是MOS和SIS结构的C-V曲线。

具体实施方式

下列实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

实施1：(参阅图1、2)

1)取p型SIMOX-SOI样品置于SSM495汞探针半导体参数测试系统中，测得C-V曲线(图2中的SIS曲线)

2)采用50℃、33％KOH溶液腐蚀该SOI材料，把顶层硅腐蚀除去。

3)把腐蚀后的样品再次放到SSM495中，测得第二条C-V曲线(图2中MOS曲线)。

4)在图2中，依公式(7)可计算出MOS曲线的平带电压-0.148V，SIS曲线平带电压-1.30V，利用 $V_{\mathrm{FB},\mathrm{MOS}}=\frac{-Q_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}},$ $V_{\mathrm{FB},\mathrm{SIS}}=-\frac{Q_{S1}}{C_{\mathrm{OX}}}$ 得出BOX上界面(顶层硅/BOX)电荷密度为1.8×10¹¹cm^-2，下界面(BOX/衬底)电荷密度2.1×10¹⁰cm^-2。得到本方法的全部表征结果。

Claims (5)

1、一种绝缘体上硅材料的埋层氧化物电荷密度表征方法，其特征在于具体测试步骤是：

1)用汞探针C-V测试系统测量绝缘体上硅材料的C-V曲线；

2)腐蚀除去绝缘体上硅材料的顶层硅；

3)经步骤(2)腐蚀后的材料再次放入步骤(1)所用的C-V测试系统中测出C-V曲线；

4)在两条C-V曲线上，利用公式 $V_{\mathrm{FB},\mathrm{MOS}}=\frac{{-Q}_{S2}}{C_{\mathrm{OX}}}$ 和Q_S1＝-C_OX·V_FB，SIS计算出埋层氧化物的电荷密度，式中V_FB，MOS为MOS结构的平带电压，Q_S2埋层氧化物与衬底间的电荷密度；C_OX为埋层氧化物电容；Q_S1埋层氧化物与顶层硅间的电荷密度；V_FB，SIS为SIS结构的平带电压。

2、按权利要求1所述的表征方法，其特征在于两次C-V测试所用的设备均为SSM495或者其它带有汞探针的半导体参数测试系统。

3、按权利要求1所述的表征方法，其特征在于两次C-V测试的电压扫描频率应低于0.5伏/秒。

4、按权利要求1所述的表征方法，其特征在于所述的顶层硅厚度1μm以内。

5、按权利要求1所述的表征方法，其特征在于腐蚀除去顶层硅所采用的腐蚀溶液为KOH、TMAH或者其他可以对硅与二氧化硅选择性腐蚀的溶液配方。

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