CN102042799B - 提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法。该方法是将器件源漏接地，衬底接较小的正偏压，使漏-体二极管正偏但不导通。从负到正的扫描栅电压，测量衬底的产生-复合电流与栅电压的关系曲线，利用正偏二极管的产生-复合电流峰值位置的移动，准确的提取场效应晶体管的栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度。本发明所需的测试结构简单，灵敏度高，能够准确的反映栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的依赖关系。

Description

提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法。

背景技术

集成电路越来越高的集成密度和复杂程度要求对电路设计提出了精度高，周期短，成本低，设计差错尽量少等一系列要求。半导体器件的关键参数作为工艺和设计之间的接口，对保证集成电路设计的成功具有决定性意义。由于传统的电流-电压或者电容-电压特性提取场效应晶体管的关键参数时易受到非理想因素影响而降低参数提取的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法。

本发明提供的提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法，包括如下步骤：

1)将场效应晶体管的源端接地，设置衬底电压使漏衬底二极管正偏但不导通；

2)设置栅电压从负电压扫描到正电压，测量产生-复合电流，得到产生-复合电流与栅电压的关系曲线；其中，扫描的栅电压范围包含产生-复合电流出现峰值时所对应的栅电压；

3)若已知栅氧化层厚度T_ox，根据公式I得到衬底掺杂浓度N_a；

若已知衬底掺杂浓度N_a，根据公式I得到栅氧化层厚度T_ox；

$T_{\mathrm{ox}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}{O}_2}(V_{\mathrm{peak}}+0.55-V_d/2)}{\sqrt{2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}q{N}_a({\mathrm{\Φ}}_F-V_d/2)}}---\left(I\right)$

所述公式I中，T_ox是场效应晶体管的栅氧化层厚度，N_a是衬底掺杂浓度，V_peak是所述产生-复合电流的峰值所应对应的栅电压，q是电子电量，V_d是漏端偏置电压，ε₀是真空介电常数，ε_SiO2是二氧化硅的相对介电常数，ε_Si是硅的相对介电常数，Ф_F是衬底硅能带图中禁带中线和费米能级的能量差；

若栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度均未知，则在不同的漏端偏置下测量相应的产生-复合电流出现峰值时所对应的栅电压，根据公式I得到栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度。

上述方法中，在栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度均未知的情况下，根据公式I得到栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度后，可按照下述方法对栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的数据进行验证：

使用Synopsys公司提供的ISE Sentaurus器件模拟工具，设置不同的栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度，重复前述方法的步骤2)，得到不同栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度对应的产生-复合电流；利用步骤2)所得产生-复合电流峰值对应的栅电压和漏端偏置电压，根据公式I得到栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度，与使用ISE Sentaurus器件模拟工具设置的栅氧化层厚度和掺杂浓度进行对比，完成所述栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的数据验证。

本发明提供的提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法，是一种基于SRH产生-复合理论的提取方法。该方法利用正向栅控二极管的产生-复合电流峰值位置的移动，能够灵敏准确的提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度。该方法准确度高，结构简单，适用于提取各种场效应晶体管的结构参数，尤其适宜于工程上提取场效应晶体管的结构参数。

附图说明

图1为正向栅控二极管测试偏执结构图。

图2为不同衬底电压下的产生-复合电流。

图3同一衬底掺杂浓度下不同栅氧化层厚度和对应的产生-复合电流。

图4为已知衬底掺杂浓度条件下栅氧化层厚度的模型和模拟结果的比较。

图5为栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度均未知的情况下模型的提取结果与模拟结果的相对计算误差。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1、

下面给出使用正向栅控二极管产生-复合电流提取SOI场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的具体过程：

1)将SOI场效应晶体管的源漏接地，衬底偏置电压分别设置为0.35V、0.4V、0.45V和0.5V，使漏-衬二极管正偏但不导通，测试结构图如图1所示；其中，1为栅电压，2为栅极，3为源极，4为漏极，5为氧化层，6为衬底，7为衬底电压。

2)栅电压从-0.5V扫描到+0.5V，电压范围包含使产生-复合电流出现峰值对应的栅电压。在漏端测量产生-复合电流，得到产生-复合电流与栅电压的关系曲线，如图2所示；

3)假设已知衬底掺杂浓度，根据公式I，可以提取栅氧化层厚度。将栅氧化层厚度的模型提取结果与软件模拟结果进行比较，从表1可以看出二者吻合的较好，栅氧化层厚度的模型和模拟结果的相对误差如图4所示；

假设栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度均未知，则在漏端偏置为0.1V和0.4V的条件下测量相应的产生-复合电流峰值对应的栅电压，根据公式I即可同时提取栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度，提取结果见表2。

按照如下数据设置四种衬底掺杂浓度：1e17cm^-3，5e16cm^-3，1e16cm^-3，5e15cm^-3，利用Synopsys公司提供的ISE Sentaurus器件模拟软件进行模拟，对每种衬底掺杂浓度按照如下数据设置不同的栅氧化层厚度：100nm，150nm，200nm，250nm。重复步骤2)，得到不同栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度对应的产生-复合电流。固定衬底掺杂浓度时，产生-复合电流峰值随栅氧化层厚度的漂移如图3所示。

图5为栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度均未知的情况下模型的提取结果与模拟结果的相对计算误差。由图5所示，栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的相对误差都小于20％。

表1、衬底掺杂浓度已知时栅氧化层厚度的提取结果

表2、衬底掺杂浓度和栅氧化层厚度均未知时，二参数的提取结果

栅氧化层厚度(nm)(模拟结果)	100	150	200	250
					栅氧化层厚度(nm)(模型结果)	106.1	166.4	226.0	286.4
氧化层厚度提取结果相对误差(％)	6.1	11	13	15
					衬底掺杂浓度(cm-3)(模拟结果)	0.95	0.88	0.82	0.83
衬底掺杂浓度提取结果相对误差(％)	5	12	15	17

Claims (1)

1.一种提取场效应晶体管栅氧化层厚度和衬底掺杂浓度的方法，包括如下步骤：

1)将场效应晶体管的源端接地，设置衬底电压使漏衬底二极管正偏但不导通；

2)设置栅电压从负电压扫描到正电压，测量产生-复合电流，得到产生-复合电流与栅电压的关系曲线；其中，扫描的栅电压范围包含产生-复合电流出现峰值时所对应的栅电压；

3)按照公式I计算得到衬底掺杂浓度N_a和/或栅氧化层厚度T_ox；

$T_{\mathrm{ox}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{SiO}}_2}(V_{\mathrm{peak}}+0.55-V_d/2)}{\sqrt{2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}q{N}_a({\mathrm{\Φ}}_F-V_d/2)}}---\left(I\right)$

所述公式I中，T_ox是场效应晶体管的栅氧化层厚度，N_a是衬底掺杂浓度，V_peak是所述产生-复合电流的峰值所对应的栅电压，q是电子电量，V_d是漏端偏置电压，ε₀是真空介电常数，

是二氧化硅的相对介电常数，ε_Si是硅的相对介电常数，Φ_F是衬底硅能带图中禁带中线和费米能级的能量差；

若已知栅氧化层厚度T_ox，根据公式I得到衬底掺杂浓度N_a；

若已知衬底掺杂浓度N_a，根据公式I得到栅氧化层厚度T_ox；

若栅氧化层厚度T_ox和衬底掺杂浓度N_a均未知，则在不同的漏端偏置下测量相应的产生-复合电流出现峰值时所对应的栅电压，根据公式I得到栅氧化层厚度T_ox和衬底掺杂浓度N_a。

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