CN101975889A - 提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，包括步骤：获得所述电容器的三元件等效电路模型的阻抗公式；获得所述电容器的并联等效电路模型的阻抗公式；在第一频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第一电容值和第一电阻值；在第二频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第二电容值和第二电阻值；根据所述电容器的三元件等效电路模型和并联等效电路模型的阻抗相等，利用所述第一、第二频率值、所述第一、第二电容值、所述第一、第二电阻值计算获得所述电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值。本发明能够准确获得电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值。

Description

提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法

技术领域

本发明涉及一种提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法。

背景技术

由金属(M)-绝缘体(I)-半导体(S)组成的结构称为MIS结构，以这种结构形成的器件称为MIS器件。请参阅图1，图1是一种现有技术的MIS器件的三层结构示意图。所述MIS器件10包括依次层叠设置的金属层11、绝缘层1s以及半导体层15，通常所述金属层11称为栅极。若所述绝缘层13采用氧化物，则称为金属-氧化物-半导体(简写为MOS)器件。若采用硅片半导体层上生长一层薄氧化膜后再覆盖一层铝金属层，就形成最常见的MOS结构，通常所述氧化膜为SiO2。当所述半导体层15接地，金属层11上施加电压时，所述半导体层15的表面形成电荷层。

所述MIS器件10的功能主要决定于所述绝缘层13的厚度，若所述绝缘层13的厚度足够大(对于绝缘层是SiO2层的情况，大于5nm)，则基本上不导电，这时即为MIS电容器。当所述MIS器件10构成一个电容器时，所述金属层11和半导体层15形成电容器的两个极板。随着集成电路技术的发展，MIS电容器的使用越来越广泛。

然而，随着集成电路器件尺寸的不断减小，MIS电容器的栅极串联电阻(gate series resistance)对栅极延迟时间(gate delay time)的影响越来越大。相关文献(IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.46，NO.7，JULY 1999)提供了一种测量电容的方法，但是没有给出具体如何确定栅极串联电阻值或者泄露电阻值。为了准确的获得栅极延迟时间，获得准确的MIS电容器的栅极串联电阻值成为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够准确提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法。

一种提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，包括如下步骤：获得所述电容器的三元件等效电路模型的阻抗公式；获得所述电容器的并联等效电路模型的阻抗公式；在第一频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第一电容值和第一电阻值；在第二频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第二电容值和第二电阻值；根据所述电容器的三元件等效电路模型和并联等效电路模型的阻抗相等，利用所述第一、第二频率值、所述第一、第二电容值、所述第一、第二电阻值计算获得所述电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值。

本发明优选的一种技术方案，当所述电容器的三元件等效电路模型的阻抗、电容、栅极串联电阻、泄露电阻分别为Z、C、R_s、R_p时，

本发明优选的一种技术方案，当所述电容器的并联等效电路模型的阻抗、电容、电阻分别为Z′、C′、R′时，

其中，

本发明优选的一种技术方案，所述电容器的三元件等效电路模型和并联等效电路模型的阻抗相等，

本发明优选的一种技术方案，当所述电容器的并联等效电路模型在所述第一频率f₁下，所述第一电容、第一电阻分别为C′₁、R′₁时，

其中，

本发明优选的一种技术方案，当所述电容器的并联等效电路模型在所述第二频率f₂下，所述第二电容、第二电阻分别为C′₁、R′₂时，其中，

本发明优选的一种技术方案，所述电容器的三元件等效电路模型的电容

本发明优选的一种技术方案，所述电容器的三元件等效电路模型的泄露电阻

本发明优选的一种技术方案，所述电容器的三元件电路等效模型的栅极串联电阻

本发明优选的一种技术方案，所述电容器是MIS电容器。

与现有技术先比，本发明的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，在电容器的并联等效电路的模型下，通过测量不同频率下的电容器的C-V特性曲线，从而准确的获得电容器的泄露电阻值和栅极串联电阻值，进而能够准确的获得所述电容器的栅极延迟时间。

附图说明

图1是一种现有技术的MIS器件的三层结构示意图。

图2是本发明的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法的流程图。

图3是MIS电容器的三元件等效电路的示意图。

图4是MIS电容器的串联等效电路的示意图。

图5是MIS电容器的并联等效电路的示意图。

图6是MOS电容器的高频并联等效电路的C-V特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

请参阅图2，图2是本发明的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法的流程图。所述方法主要包括步骤：获得所述电容器的三元件等效电路模型的阻抗公式；获得所述电容器的并联等效电路模型的阻抗公式；在第一频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第一电容值和第一电阻值；在第二频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第二电容值和第二电阻值；根据所述电容器的三元件等效电路模型和并联等效电路模型的阻抗相等，利用所述第一、第二频率值、所述第一、第二电容值、所述第一、第二电阻值计算获得所述电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻。

下面结合图3-图6，详细说明本发明的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法。请参阅图3，图3是MIS电容器在小信号模型下的三元件等效电路的示意图。所述电容器的电容C与泄露电阻(leakage resistance)Rp并联后与栅极串联电阻Rs串联。此时，所述MIS电容器等效电路模型的阻抗

$Z=R_s+\frac{R_p(1-\mathrm{jw}{\mathrm{CR}}_p)}{1+w^2{C}^2{R}_p^2}---\left(1\right)$

请参阅图4，图4是MIS电容器在低泄露电阻情况下的串联等效电路的示意图，其中，R′_s表示所述电容器的等效栅极串联电阻，C′_s表示所述电容器的等效电容。请参阅图5，图5是MIS电容器在低栅极串联电阻情况下的并联等效电路的示意图，其中，R′表示所述电容器的等效泄露电阻，C′表示所述电容器的等效电容。所述电容器的并联等效电路的阻抗

$Z^{\′}=\frac{D^{\′}-j}{{\mathrm{wC}}^{\′}(1+D^{\′2})}---\left(2\right)$

其中， $D^{\′}=\frac{1}{{\mathrm{wC}}^{\′}{R}^{\′}}---\left(3\right)$

所述R′，C′的值可以通过测量获得。所述电容器的三元件等效电路模型和并联等效电路模型的阻抗相等，即

$R_s+\frac{R_p(1-\mathrm{jw}{\mathrm{CR}}_p)}{1+w^2{C}^2{R}_p^2}=\frac{D^{\′}-j}{{\mathrm{wC}}^{\′}(1+D^{\′2})}---\left(4\right)$

上述式子(4)中的实部、虚部分别相等，从而得到

$R_s+\frac{R_p}{1+w^2{C}^2{R}_p^2}=\frac{D^{\′}}{{\mathrm{wC}}^{\′}(1+D^{\′2})}---\left(5\right)$

$\frac{{{\mathrm{wCR}}^2}_p}{1+w^2{C}^2{R}_p^2}=\frac{1}{{\mathrm{wC}}^{\′}(1+D^{\′2})}---\left(6\right)$

请参阅图6，图6是MOS电容器在高频并联等效电路情况下的C-V特性曲线图，其中，横坐标Gate Voltage表示施加到所述电容器的栅极的电压，单位为V，纵坐标Capacitance表示所述电容器的电容，单位是fF/μm²。所述特性曲线是在所述电容器的电容面积(Capacitor Area)为100μm*25μm，介质厚度T＝2.8nm的情况下，在100kHz、1MHz分别测得的二条曲线。若所述电容器的并联等效电路模型在第一频率f₁下，测得所述电容器的等效泄露电阻为R′₁，所述电容器的等效电容为C′₁，则将f₁、R′₁、C′₁代入上述式子(6)可以得到，

$\frac{2\mathrm{\π}{f}_1{{\mathrm{CR}}^2}_p}{1+{\left(2\mathrm{\π}{f}_1\right)}^2{C}^2{R}_p^2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_1{C}_1^{\′}(1+D_1^{\′2})}---\left(7\right)$

其中， $D_1^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_1{C}_1^{\′}{R}_1^{\′}}---\left(8\right)$

若所述电容器的并联等效电路模型在第二频率f₂下，测得所述电容器的等效泄露电阻为R′₂，所述电容器的等效电容为C′₂，则将f₂、R′₂、C′₂代入上述式子(6)可以得到，

$\frac{2\mathrm{\π}{f}_2{{\mathrm{CR}}^2}_p}{1+{\left(2\mathrm{\π}{f}_2\right)}^2{C}^2{R}_p^2}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_2{C}_2^{\′}(1+D_2^{\′2})}---\left(9\right)$

其中， $D_2^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_2{C}_2^{\′}{R}_2^{\′}}---\left(10\right)$

根据上述式子(7)、(8)、(9)、(10)即可得到所述电容器的三元件等效电路模型的电容

$C=\frac{f_1^2{C}_1^{\′}(1+D_1^{\′2})-f_2^2{C}_2^{\′}(1+D_2^{\′2})}{f_1^2-f_2^2}---\left(11\right)$

利用上述式子(6)和(11)即可得到所述电容器的三元件等效电路的泄露电阻

$R_P=\frac{1}{\sqrt{w^2{C}^{\′}C(1+D^{\′2})-w^2{C}^2}}---\left(12\right)$

利用上述式子(5)和(11)即可得到所述电容器的三元件等效电路的栅极串联电阻

$R_s=\frac{D^{\′}}{{\mathrm{wC}}^{\′}(1+D^{\′2})}-\frac{R_p}{1+w^2{C}^2{R}_p^2}---\left(13\right)$

与现有技术先比，本发明的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，在电容器的并联等效电路的模型下，通过测量不同频率下的电容器的C-V特性曲线，从而准确的获得电容器的泄露电阻值和栅极串联电阻值，进而能够准确的获得所述电容器的栅极延迟时间。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (10)

1.一种提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于，包括如下步骤：

获得所述电容器的三元件等效电路模型的阻抗公式；

获得所述电容器的并联等效电路模型的阻抗公式；

在第一频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第一电容值和第一电阻值；

在第二频率下，测量所述电容器的并联等效电路模型的第二电容值和第二电阻值；

根据所述电容器的三元件等效电路模型和并联等效电路模型的阻抗相等，利用所述第一、第二频率值、所述第一、第二电容值、所述第一、第二电阻值计算获得所述电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值。

2.如权利要求1所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：当所述电容器的三元件等效电路模型的阻抗、电容、栅极串联电阻、泄露电阻分别为Z、C、R_s、R_p时，

3.如权利要求2所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：当所述电容器的并联等效电路模型的阻抗、电容、电阻分别为Z′、C′、R′时，

其中，

4.如权利要求3所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：所述电容器的三元件等效电路模型和并联等效电路模型的阻抗相等，

$R_s+\frac{R_p}{1+w^2{C}^2{R}_p^2}=\frac{D^{\′}}{{\mathrm{wC}}^{\′}(1+D^{\′2})},\frac{{{\mathrm{wCR}}^2}_p}{1+w^2{C}^2{R}_p^2}=\frac{1}{{\mathrm{wC}}^{\′}(1+C^{\′2})}.$

5.如权利要求4所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：当所述电容器的并联等效电路模型在所述第一频率f₁下，所述第一电容、第一电阻分别为C′₁、R′₁时，

其中，

6.如权利要求5所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：当所述电容器的并联等效电路模型在所述第二频率f₂下，所述第二电容、第二电阻分别为C′₂、R′₂时，

其中，

7.如权利要求6所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：所述电容器的三元件等效电路模型的电容

8.如权利要求7所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：所述电容器的三元件等效电路模型的泄露电阻

9.如权利要求所7述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：所述电容器的三元件电路等效模型的栅极串联电阻

10.如权利要求1到9中任意一项权利要求所述的提取电容器的栅极串联电阻值或者泄露电阻值的方法，其特征在于：所述电容器是MIS电容器。

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