CN105895548A - 一种基于栅调制产生电流提取mosfet衬底掺杂浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于栅调制产生电流提取MOSFET衬底掺杂浓度的方法，利用栅调制产生电流曲线对衬底掺杂敏感的特性，使用与被测器件尺寸相同的已知衬底掺杂的MOSFET作为比对器件，将被测的MOSFET器件进行测试I_GM‑V_G曲线。由于在测试设置相同情形下，对比器件与被测器件的I_GM‑V_G曲线峰值相同，只是在栅电压VG上的位置发生漂移。因此测量出被测器件与对比器件的I_GM‑V_G曲线之间的栅压漂移量，并利用相同的曲线峰值所对应的沟道空穴浓度P_S相等这一原理进行计算，从而得出被测器件的衬底掺杂浓度。本发明方法具有准确性高、测试简单快速的特点，更易探测出衬底掺杂的变化；测试时直流测试，对设备要求较低且快速的特点。

Description

一种基于栅调制产生电流提取MOSFET衬底掺杂浓度的方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及金属氧化物场效应管(MOSFET)的电学性能测试，具体是一种基于栅调制产生电流提取MOSFET衬底掺杂浓度的方法。

背景技术

MOSFET的衬底掺杂浓度决定着器件的传输性能，是半导体工艺中非常重要的一个参量。传统的测量方法中较为常用的为电容电压CV方法，该方法把MOSFET栅、氧化层和衬底当一个电容器，利用高低频测试获得CV曲线，从曲线上提取出衬底信息来。这一方法的特点是比较准确，但测试设备要求较高，必须具备高低频率脉冲测试模块，而目前具备类似模块的设备非常昂贵，而一般的设备操作不方便，测试反应速度慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于栅调制产生电流提取MOSFET衬底掺杂浓度的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于栅调制产生电流提取MOSFET衬底掺杂浓度的方法，步骤如下：

(1)设置MOSFET的测试端电压I_GM，固定漏端电压V_D，悬浮MOSFET的源端，衬底接地；对MOSFET的栅电压V_G进行扫描，漏电流即为I_GM；在相同的测试条件下，被测器件、已知尺寸和衬底掺杂与被测MOSFET相同的对比器件进行测试I_GM-V_G曲线，标记对比器件的已知衬底掺杂浓度为N_A0；

(2)被测器件相比对比器件的I_GM曲线在栅电压V_G轴上发生漂移，其漂移量为ΔV_G，此时两个器件的I_GM峰值点对应的VG和衬底掺杂分布标记为对比器件(V_G0，N_A0)和被测器件为(V_G1，N_A1)，其中V_G0、V_G1直接从曲线上获取；

(3)在峰值处，被测器件和对比器件的沟道界面处的空穴浓度相同，此时沟道空穴浓度的P_S为：

$P_S(U_G,U_D)=N_A\exp \{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_A}{C_{ox}^2}+U_{GF}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_A\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_A}{2C_{ox}^2}+U_{GF}+U_D}\]\}---\left(1\right)$

其中N_A为衬底掺杂，Cox为栅氧化层电容，U_GF为栅电压，q为电子电量，U_D为漏端电压，ε_s为相对介电常数，β＝q/kT，T为温度；

因此有对比器件的P_S0与被测器件的P_S1相等，即P_S0＝P_S1，于是有：

$\begin{array}{c}{N}_{A0}\exp \{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}}{C_{ox}^2}+U_{G0}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}}{2C_{ox}^2}+U_{G0}+U_D}\]\}\\ =N_{A1}\exp \{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}}{C_{ox}^2}+U_{G1}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}}{2C_{ox}^2}+U_{G1}+U_D}\]\}\end{array}---\left(2\right)$

(4)将N_A0、V_G0、V_G1带入，求解方程(2)，即可求出被测器件的衬底掺杂浓度N_A1。

作为本发明进一步的方案：所述步骤(1)中，MOSFET的漏端电压|V_D|小于0.3V。

本发明的基本原理，利用栅调制产生电流曲线对衬底掺杂敏感的特性，使用与被测器件尺寸相同的已知衬底掺杂的MOSFET作为比对器件，将被测的MOSFET器件进行测试I_GM-V_G曲线。由于在测试设置相同情形下，对比器件与被测器件的I_GM-V_G曲线峰值相同，只是在栅电压VG上的位置发生了漂移。因此测量出被测器件与对比器件的I_GM-V_G曲线之间的栅压漂移量，并利用相同的曲线峰值所对应的沟道空穴浓度P_S相等这一原理进行计算，从而得出被测器件的衬底掺杂浓度。

栅调制漏极产生电流为当MOSFET沟道处于非平衡的耗尽状态时，界面陷阱引发的产生效应而产生的一种漏极泄漏电流。当栅电压从积累区、耗尽区到反型区变化时，栅压-漏电流呈现出一个驼峰状。该产生电流具有非常小的特点，可至皮安级别，同时，该电流对衬底掺杂浓度的影响异常敏感，衬底掺杂做微小的变化都能引发产生电流曲线明显的漂移。因此利用栅调制产生电流可非常有效的测试MOSFET的衬底掺杂浓度，而且这种方法是直流测试，对设备要求相对不高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法具有准确性高、测试简单快速的特点，由于I_GM非常小，因此曲线对衬底掺杂的变化异常敏感，因此更易探测出衬底掺杂的变化；测试时直流测试，因此具有对设备要求较低且快速、成本低的特点。

附图说明

图1是对比MOSFET器件和被测MOSFET的I_GM-V_G曲线上示意原理图。

图2是本发明基于N型MOSFET得到的三种被测器件的衬底掺杂的实例图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

(1)利用Matlab仿真软件，取实验样品N型MOSFET为栅长0.28μm，栅氧化层厚度为4nm的对比N型MOSFET；给定衬底掺杂浓度N_A0为1×10¹⁵cm^-3，仿真出其I_GM-V_G曲线，曲线峰值点位于V_G0＝-0.08V；

(2)随机给出不知衬底掺杂器件的I_GM-V_G曲线，编号分别为1#、2#和3#；

(3)参见图2，三个随机曲线峰值点对应的栅电压分别为V_G1＝0.01V，V_G2＝0.12V和V_G3＝0.23V；

(4)通过将对比器件的N_A0和V_G0以及V_G1、V_G2和V_G3带入公式(2)，

$\begin{array}{c}{N}_{A0}\exp \{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}}{C_{ox}^2}+U_{G0}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}}{2C_{ox}^2}+U_{G0}+U_D}\]\}\\ =N_{A1}\exp \{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}}{C_{ox}^2}+U_{G1}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}}{2C_{ox}^2}+U_{G1}+U_D}\]\}\end{array}---\left(2\right)$

即可获得1#、2#和3#器件所对应的衬底掺杂浓度N_A1、N_A2和N_A3分别为1×10¹⁶cm^-3、5×10¹⁶cm^-3和1×10¹⁷cm^-3。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种基于栅调制产生电流提取MOSFET衬底掺杂浓度的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)设置MOSFET的测试端电压I_GM，固定漏端电压V_D，悬浮MOSFET的源端，衬底接地；对MOSFET的栅电压V_G进行扫描，漏电流即为I_GM；在相同的测试条件下，被测器件、已知尺寸和衬底掺杂与被测MOSFET相同的对比器件进行测试I_GM-V_G曲线，标记对比器件的已知衬底掺杂浓度为N_A0；

(2)被测器件相比对比器件的I_GM曲线在栅电压V_G轴上发生漂移，其漂移量为ΔV_G，此时两个器件的I_GM峰值点对应的VG和衬底掺杂分布标记为对比器件(V_G0，N_A0)和被测器件为(V_G1，N_A1)，其中V_G0、V_G1直接从曲线上获取；

(3)在峰值处，被测器件和对比器件的沟道界面处的空穴浓度相同，此时沟道空穴浓度的P_S为：

$P_S\left(U_G,U_D\right)=N_A\exp \left\{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_A}{C_{ox}^2}+U_{GF}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_A\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_A}{2C_{ox}^2}+U_{GF}+U_D}\]\right\}---\left(1\right)$

其中N_A为衬底掺杂，Cox为栅氧化层电容，U_GF为栅电压，q为电子电量，U_D为漏端电压，ε_s为相对介电常数，β＝q/kT，T为温度；

因此有对比器件的P_S0与被测器件的P_S1相等，即P_S0＝P_S1，于是有：

$\begin{array}{c}{N}_{A0}\exp \{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}}{C_{ox}^2}+U_{G0}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A0}}{2C_{ox}^2}+U_{G0}+U_D}\]\}\\ =N_{A1}\exp \left\{-\mathrm{\β}\[\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}}{C_{ox}^2}+U_{G1}-\frac{{\left(2{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}\right)}^{1/2}}{C_{ox}}\sqrt{\frac{{\mathrm{q\ϵ}}_s{N}_{A1}}{2C_{ox}^2}+U_{G1}+U_D}\]\right\}\end{array}---\left(2\right)$

(4)将N_A0、V_G0、V_G1带入，求解方程(2)，即可求出被测器件的衬底掺杂浓度N_A1。

2.根据权利要求1所述的基于栅调制产生电流提取MOSFET衬底掺杂浓度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，MOSFET的漏端电压|V_D|小于0.3V。