CN102157411A - Mosfet器件电学特性变化测量结构及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MOSFET器件电学特性变化测量结构，包括：有源区，位于有源区之上的栅极，所述栅极为开尔文结构的电阻，所述栅极的两端各具有两个多晶硅电阻端点。本发明的优点在于区别和确定栅长变化、栅氧厚度变化和掺杂变化对MOSFET器件性能的影响，而这三个工艺变化即是器件电性波动的主要因素，是建立器件蒙特卡罗(monte carlo)模型和角(corner)模型的主要参数，确定这三个工艺变化可以使蒙特卡罗(monte carlo)模型和角(corner)模型更为精确，这在90nm以上工艺对角(corner)模型要求越来越高的情况下显得尤为重要，并且有助于提取45nm以上工艺中器件放置不同虚拟栅极数量和距离的应力模型。本发明还提供一种MOSFET器件电学特性变化测量方法。

Description

MOSFET器件电学特性变化测量结构及测量方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种MOSFET器件电学特性变化测量结构及测量方法。

背景技术

90纳米以上制程中，由于特征尺寸很小，晶圆中不同位置MOSFET的栅长变化对开启电流的影响非常明显。栅长变化分为芯片内部不同位置的变化(本地变化：local variation)和不同芯片之间的变化(全局变化：global variation)。确定栅长变化可以更精确的建立器件的蒙特卡罗(monte carlo)模型和角(corner)模型。传统的方法是在线对多晶硅线宽进行光学量测，要求在特定的时间即特定的工艺步骤后量测，不能进行离线测量，一旦错过特定的工艺步骤就无法再进行多晶硅线宽测量，如果一片晶圆在厂里没有进行量测，器件工程师就无法得知多晶硅线宽的变化，这同时需要工艺、测量和器件部门的共同配合，增加了执行的难度。并且传统方法多晶硅线宽测量和MOSFET的电性测量是分开的，各自有自己的测试结构，不能得到多晶硅线宽变化和MOSFET电学特性变化的一一对应的关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种MOSFET器件电学特性变化测量结构及测量方法，以准确确定因栅长变化、栅氧厚度变化和掺杂引起的开启阈值电压的变化量和开启饱和电流的变化量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种MOSFET器件电学特性变化测量结构，包括：有源区，位于有源区之上的栅极，所述栅极为开尔文结构的电阻，所述栅极的两端各具有两个多晶硅电阻端点。

本发明还提供一种使用前述的MOSFET器件电学特性变化测量结构的MOSFET器件电学特性变化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据工艺确定所述测量结构的宽度和栅长；

收集若干晶圆中所有芯片中的测量结构的电性数据：开启阈值电压VT、开启饱和电流IDSAT和栅电阻值Rg，同时收集前述晶圆中所有芯片中的大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox；

根据所有测得的栅电阻阻值Rg数据确定MOSFET晶体管的栅长中值Lg_和栅长变化的3倍标准偏差值ΔLg，根据所述大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox确定栅氧厚度中值Tox和栅氧厚度变化的3倍标准偏差值ΔTox；根据已有的器件模型输入测量结构的宽度、栅长和ΔLg、ΔTox，计算出它们各自引起的开启阈值电压VT和开启饱和电流IDSAT变化；

根据所述测得的所有测量结构的电性数据VT、IDSAT计算出VT总的变化量和IDSAT总的变化量，减去栅长变化和栅氧厚度变化引起的VT变化和IDSAT变化即是掺杂引起的VT、IDSAT变化。

可选的，所述栅电阻值Rg的确定方法为：在所述测量结构栅极两端分别位于最外侧的两个端点上施加电压，测量得到所述测量结构栅极上中间两个端点间的电压差，及所述测量结构栅极两端位于最外侧的端点上的电流值，将所述电压差除以所述电流值即得到所述栅电阻值Rg。

可选的，所述根据所有测得的栅电阻阻值Rg数据确定MOSFET晶体管的栅长中值Lg_和栅长变化的3倍标准偏差值ΔLg的方法为：依据公式Lg＝Wres＝Rsh*Lres/Rg，其中，Rsh为多晶硅栅的方块电阻，Lres为多晶硅电阻的长度，Wres为多晶硅电阻的宽度，即MOSFET栅长Lg，由测量得到的Rg数据得到相应的栅长数据，进而确定栅长中值Lg，依据多个栅长数据得到其3倍标准偏差值ΔLg。

可选的，所述根据所述大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox确定栅氧厚度中值Tox和栅氧厚度变化的3倍标准偏差值ΔTox的方法为：依据公式Tox＝W*L*εox/Cox，其中，W为器件宽度，L为栅长，εox为栅氧的介电数，由测量得到大尺寸器件的栅氧电容Cox得到相应的栅氧厚度值，进而确定栅氧厚度中值Tox，依据多个栅氧厚度值得到其3倍标准偏差值ΔTox。

本发明的MOSFET器件电学特性变化测量结构及测量方法的优点在于区别和确定栅长变化、栅氧厚度变化和掺杂变化对MOSFET器件性能的影响，而这三个工艺变化即是器件电性波动的主要因素，是建立器件蒙特卡罗(monte carlo)模型和角(corner)模型的主要参数，确定这三个工艺变化可以使蒙特卡罗(montecarlo)模型和角(corner)模型更为精确，这在90nm以上工艺对角(corner)模型要求越来越高的情况下显得尤为重要，并且有助于提取45nm以上工艺中器件放置不同虚拟栅极数量和距离的应力模型。

附图说明

图1为本发明的MOSFET器件电学特性变化测量结构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明所述的MOSFET器件电学特性变化测量结构及测量方法可利用多种替换方式实现，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑涵盖在本发明的保护范围内。

请参看图1，图1为本发明的MOSFET器件电学特性变化测量结构的结构示意图。如图1所示，本发明的MOSFET器件电学特性变化测量结构包括：有源区，位于有源区之上的栅极100，所述栅极100为开尔文(kelvin)结构的电阻，所述栅极100的两端各具有两个多晶硅电阻端点，即端点1、端点2、端点3和端点4。

本发明的MOSFET器件电学特性变化测量方法包括以下步骤：

首先，根据工艺确定前述MOSFET器件电学特性变化测量结构的宽度和栅长，为了得到准确的栅电阻值，测量结构的宽度取大于1微米的值，栅长为工艺允许的最小值，即多晶硅栅的特征线宽，以45纳米工艺为例，MOSFET的宽度W为10微米，栅长L为0.04微米。本发明的测量结构中，为了能测量到栅的电阻，将测量结构的栅做成kelvin结构的电阻，从而既可以测量MOSFET器件电性，又可以测量栅电阻。

其次，使用自动测试设备对前述测量结构进行测量，收集若干晶圆中所有芯片中的测量结构的电性数据：开启阈值电压VT、开启饱和电流IDSAT和栅电阻值Rg，同时收集前述晶圆中所有芯片中的大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox，例如宽度和栅长都为10微米的MOSFET器件的栅氧电容值Cox。大尺寸MOSFET器件长宽都应为2微米以上，这样可以减小器件长宽工艺波动对电容的影响，保证不同尺寸得到的Cox值是一致的。

测量时，向晶圆中所有芯片中的测量结构的端点1和端点4加电压，测量端点2的电压V₂和端点3的电压V₃及端点1的电流I₁，从而得出栅电阻值Rg＝(V₂-V₃)/I₁。

再次，根据所有测得的栅电阻阻值Rg数据确定MOSFET晶体管的栅长中值Lg_和栅长变化的3倍标准偏差值ΔLg，根据大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox确定栅氧厚度中值Tox和栅氧厚度变化的3倍标准偏差值ΔTox。根据已有的器件模型输入测量结构的宽度、栅长和ΔLg、ΔTox，计算出它们各自引起的开启阈值电压VT和开启饱和电流IDSAT变化。

由于栅电阻Rg＝(Rsh×Lres)/Wres(公式1)，其中Rsh为多晶硅栅的方块电阻，Lres为多晶硅电阻的长度，Wres为多晶硅电阻的宽度，即MOSFET栅长Lg。则由公式(1)得到：Lg＝Wres＝Rsh*Lres/Rg(公式2)。由测量得到的Rg数据，就可以得到相应的栅长数据，进而确定栅长中值Lg，依据多个栅长数据得到其3倍标准偏差值ΔLg。

根据已有的MOSFET SPICE模型，输入器件宽度值W＝10微米，再分别代入栅长中值Lg和栅长变化的3倍标准偏差值ΔLg，得到VT之差ΔVT_Lg和IDSAT之差ΔIDSAT_Lg，即得到栅长变化造成的电学特性变化。

栅氧厚度中值Tox和栅氧厚度变化的3倍标准偏差值ΔTox可以由测量得到大尺寸器件的栅氧电容Cox同栅氧厚度Tox之间的换算得到：Tox＝W*L*εox/Cox，其中W为器件宽度，L为栅长，εox为栅氧的介电数。

同样根据已有的MOSFET SPICE模型，输入测量结构器件尺寸W＝10微米、L＝0.04微米，分别代入栅氧厚度中值Tox和栅氧厚度变化的3倍标准偏差值ΔTox，得到VT之差ΔVT_Tox和IDSAT之差ΔIDSAT_Tox，它们即是栅氧厚度变化造成的电学特性变化。

再次，根据测得的前述晶圆上所有芯片中测量结构的电性数据VT、IDSAT计算出VT总的变化量和IDSAT总的变化量，减去栅长变化和栅氧厚度变化引起的VT变化和IDSAT变化即是掺杂引起的VT、IDSAT变化。

根据量测数据开启阈值电压VT和开启饱和电流IDSAT，得到总的VT变化ΔVT和IDSAT的变化ΔIDSAT，减去由于栅长变化造成的VT变化量ΔVT_Lg和IDSAT的变化量ΔIDSAT_Lg，得到由栅氧厚度和掺杂造成的VT变化ΔVT_ox_dose和IDSAT的变化ΔIDSAT_ox_dose：

ΔVT_ox_dose＝ΔVT-ΔVT_Lg(公式3)

ΔIDSAT_ox_dose＝ΔIDSAT-ΔIDSAT_Lg(公式4)

再从由栅氧厚度和掺杂造成的VT变化ΔVT_ox_dose和IDSAT的变化ΔIDSAT_ox_dose中减去由栅氧厚度Tox的变化造成的VT变化量ΔVT_Tox和IDSAT的变化量ΔIDSAT_Tox，进而计算出因掺杂引起的VT变化ΔVT_dose和IDSAT变化ΔIDSAT_dose：

ΔVT_dose＝ΔVT_ox_dose-ΔVT_Tox(公式5)

ΔIDSAT_dose＝ΔIDSAT_ox_dose-ΔIDSAT_Tox(公式6)

至此，用于建立MOSFET器件角(corner)模型的参数：栅长变化ΔLg、栅氧厚度变化ΔTox、掺杂引起的开启阈值电压VT的变化量和开启饱和电流IDSAT的变化量均得到确定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种MOSFET器件电学特性变化测量结构，其特征在于，包括：有源区，位于有源区之上的栅极，所述栅极为开尔文结构的电阻，所述栅极的两端各具有两个多晶硅电阻端点。

2.一种使用权利要求1所述的MOSFET器件电学特性变化测量结构的MOSFET器件电学特性变化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据工艺确定所述测量结构的宽度和栅长；

收集若干晶圆中所有芯片中的测量结构的电性数据：开启阈值电压VT、开启饱和电流IDSAT和栅电阻值Rg，同时收集前述晶圆中所有芯片中的大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox；

根据所有测得的栅电阻阻值Rg数据确定MOSFET晶体管的栅长中值Lg_和栅长变化的3倍标准偏差值ΔLg，根据所述大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox确定栅氧厚度中值Tox和栅氧厚度变化的3倍标准偏差值ΔTox；根据已有的器件模型输入测量结构的宽度、栅长和ΔLg、ΔTox，计算出它们各自引起的开启阈值电压VT和开启饱和电流IDSAT变化；

根据所述测得的所有测量结构的电性数据VT、IDSAT计算出VT总的变化量和IDSAT总的变化量，减去栅长变化和栅氧厚度变化引起的VT变化和IDSAT变化即是掺杂引起的VT、IDSAT变化。

3.如权利要求2所述的MOSFET器件电学特性变化测量方法，其特征在于，所述栅电阻值Rg的确定方法为：在所述测量结构栅极两端分别位于最外侧的两个端点上施加电压，测量得到所述测量结构栅极上中间两个端点间的电压差，及所述测量结构栅极两端位于最外侧的端点上的电流值，将所述电压差除以所述电流值即得到所述栅电阻值Rg。

4.如权利要求2所述的MOSFET器件电学特性变化测量方法，其特征在于，所述根据所有测得的栅电阻阻值Rg数据确定MOSFET晶体管的栅长中值Lg_和栅长变化的3倍标准偏差值ΔLg的方法为：依据公式Lg＝Wres＝Rsh*Lres/Rg，其中，Rsh为多晶硅栅的方块电阻，Lres为多晶硅电阻的长度，Wres为多晶硅电阻的宽度，即MOSFET栅长Lg，由测量得到的Rg数据得到相应的栅长数据，进而确定栅长中值Lg，依据多个栅长数据得到其3倍标准偏差值ΔLg。

5.如权利要求2所述的MOSFET器件电学特性变化测量方法，其特征在于，所述根据所述大尺寸MOSFET器件的栅氧电容值Cox确定栅氧厚度中值Tox和栅氧厚度变化的3倍标准偏差值ΔTox的方法为：依据公式Tox＝W*L*εox/Cox，其中，W为器件宽度，L为栅长，εox为栅氧的介电数，由测量得到大尺寸器件的栅氧电容Cox得到相应的栅氧厚度值，进而确定栅氧厚度中值Tox，依据多个栅氧厚度值得到其3倍标准偏差值ΔTox。

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