CN107180769B - 基于电容结构的氟注入工艺稳定性测试方法 - Google Patents

基于电容结构的氟注入工艺稳定性测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电容结构的氟注入工艺稳定性测试方法，主要解决目前监测氟注入工艺稳定性的问题。其实现方案为：首先制备氟注入电容，并测量电容的平带电压Vfb(t0)；然后对电容施加时长为tk反向应力，监测并统计应力过程中该电容的欧姆电极I1(t)和栅电极的电流I2(t)；最后测量施加应力后该电容的平带电压Vfb(tk‑1)和Vfb(tk)，计算得到电容势垒层内离化氟离子距离栅电极的等效位置d(tk)。本发明具有测试电容易于制备、测试方法简单可靠和测试结果准确的优点，可用于提升氟注入工艺稳定性和器件的长期可靠性。

Description

基于电容结构的氟注入工艺稳定性测试方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种氟注入工艺稳定性测试方法，用于提升氟注入工艺稳定性和器件的长期可靠性。
背景技术
高电子迁移率晶体管HEMT器件的异质结构界面处，存在高浓度、高迁移率的二维电子气，在没加任何外界电压偏置的时候处于导通状态，这种HEMT器件称为耗尽型HEMT器件。利用这些特性制作的器件在制备高频率、大功率电子器件等方面具有巨大的优势。然而，因降低静态功耗、实现高速逻辑电路等需求，往往还需要增强型HEMT器件，确保在无外界偏压下，器件的沟道处于关断状态。
目前，实现增强型HEMT器件的方法有多种，其中氟注入方法因具有制作工艺简单、可重复性好、损伤小，且与常规耗尽型HEMT器件的制作工艺兼容等优点，成为增强型HEMT器件的重要实现方法。其原理是，按照设计要求将氟离子通过半导体工艺注入到栅极下方的势垒层内，强负电性的氟离子会对异质结构界面处的二维电子气产生耗尽作用，从而实现增强型HEMT器件。
实际应用中发现，势垒层内的氟离子在外界应力(如电场)条件下不稳定，使得器件性能退化。对于器件退化的原因，一种重要的解释是势垒层内的氟离子在长时间高电场作用下失去电子变为电中性，对异质结构界面处的二维电子气产生耗尽作用减弱，因此使得器件阈值电压等参数变化，这一过程称为氟离子的离化。影响氟离子离化的原因有多种，包括氟注入工艺条件以及所加的外界应力等，因此，科学地评估不同氟注入工艺的稳定性，尤其是在高工作电压下的稳定性，对于优化氟注入工艺，制备出高性能的氟注入增强型器件有重要的帮助。
到目前为止，对于势垒层内氟离子在电场下的稳定性监测仍然缺乏研究。随着第三代半导体器件的快速发展，对于器件的稳定性要求越来越高。因此，需要一种有效的测试方法，评估不同氟注入工艺在高电场下的稳定性，从而筛选出最佳的氟注入工艺，提升氟注入工艺质量及器件的长期可靠性。
发明内容
本发明目的在于针对上述问题，提出了一种基于电容结构的氟注入工艺稳定性测试方法，通过对高场下势垒层内氟离子的分布进行表征，可实现对不同氟注入工艺稳定性的评估。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)制作氟注入工艺电容：
在自下而上依次为衬底、成核层、缓冲层、插入层和势垒层的半导体材料上淀积金属电极，经过退火制备出欧姆电极；在势垒层内注入氟离子，并在氟离子的位置上淀积金属电极，制备出栅电极；该栅电极与欧姆电极形成电容结构；
(2)在电容的栅电极上施加不同的电压测试出电容的电容值，根据测试数据绘制氟注入电容的CV特性曲线，通过CV特性曲线得到电容的平带电压Vfb(t0)，其中t0为初始时刻，t0＝0；
(3)施加应力并测量电容的平带电压：
(3a)对电容的栅电极施加反向应力，施加应力的时长为t，同时监测并统计该电容欧姆电极的电流I1(t)和栅电极的电流I2(t)；
(3b)根据电流和电荷量的关系，计算在施加应力时长为t时，电容势垒层内离化氟离子的电量分别为：
(3c)停止施加应力，在电容C的栅电极上施加不同的电压，测量得到电容的电容值，绘制氟注入电容的CV特性曲线，根据电容的CV特性曲线得到施加应力后电容的平带电压Vfb(t)；
(3d)多次改变施加应力的时长，重复(3a)，(3b)和(3c)的测试步骤，依次记录测试数据，其中，记录第k次施加应力时，施加应力的时长为tk，电容势垒层内离化氟离子的电量为施加应力后电容的平带电压为Vfb(tk)，k为测量序号，k＝1，2，3，…，n，n为施加应力的总次数。
(4)计算离化氟离子空间位置：
(4a)根据半导体物理理论，在第k次施加应力时，电容势垒层内离化氟离子的电量Q(tk)满足如下关系式：
其中，ε为电介质常数，S为栅电极的面积，d(tk)为第k次施加应力期间，电容势垒层内离化氟离子距离栅电极的等效位置，Vfb(tk-1)为第k-1次施加应力后电容的平带电压，Vfb(tk)为第k次施加应力后电容的平带电压；
(4b)联立(3d)和(4a)中的计算表达式，得到电容第k次施加应力期间，势垒层内离化氟离子距离栅电极的等效位置d(tk)：
本发明具有如下优点：
1)本发明制作氟注入电容的工艺与制作常规HEMT器件的工艺兼容，工艺技术成熟稳定；
2)本发明由于仅需测量施加应力过程中电容欧姆电极和栅电极的电流，以及测量施加应力前后该电容的平带电压，结合数学公式计算，即可获得氟注入电容势垒层内离化氟离子空间位置，因而测量方法简单可靠，测试结果准确，有利于评估氟注入工艺的稳定性。
附图说明
图1是本发明实现流程图；
图2是氟注入电容的结构示意图；
图3是本发明中测试氟注入电容CV特性曲线的电路示意图；
图4是本发明中对氟注入电容栅电极施加反向应力的电路示意图；
图5是本发明中氟注入电容离化氟离子空间的位置变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，制作氟注入电容。
1a)选取自下而上依次为衬底、成核层、缓冲层、插入层和势垒层的半导体材料，在半导体材料上淀积金属电极，制备出欧姆电极；
1b)利用反应离子刻蚀法将CF4气体注入到势垒层内，利用在注入过程中存在的高能电场使CF4气体分解产生氟离子，实现将氟离子注入到势垒层内；
1c)在氟离子注入势垒层的位置上淀积金属电极，经过退火制备出栅电极；
上述步骤1a)制备的欧姆电极，步骤1c)制备的栅电极，两者形成电容结构，如图2所示，其中图2(a)为纵向结构图，图2(b)为顶视图，从图2(a)中可以看出，栅极与欧姆电极形成了电容，从图2(b)中可以看出氟注入电容为两端结构，包括一个栅电极和一个欧姆电极。
步骤2，测量电容的平带电压。
2a)连接测量电容平带电压的电路图：
参照图3，其连接方式为：将电容测试仪的一端接地，另一端连接可控电压源，将可控电压源的一端连接栅电极，电容的欧姆电极接地；通过可控电压源改变施加在栅电极上的电压，得到不同电压下电容的电容值，绘制电容的CV特性曲线，其中，CV特性曲线的横坐标为电压，纵坐标为电容值；
2b)根据绘制的CV特性曲线，利用半导体测试设备中自带软件计算得到电容的平带电容值Cfb，在电容的CV特性曲线中，将平带电容Cfb所对应的电压值确定为平带电压，记初始t0＝0时刻的平带电压为Vfb(t0)；
步骤3，施加应力并测量电容的平带电压。
3a)连接在栅电极施加反向应力的电路：
参照图4，其连接方式为：将第一个电流表的一端连接到欧姆电极，另一端接地；将电压源的一端与栅电极相连，另一端与第二个电流表连接，该第二个电流表的另一端接地，读取第一个电流表的示数得到欧姆电极的电流I1(t)，读取第二个电流表的示数得到栅电极电流I2(t)；
在上述连接的施加反向应力的电路中，利用电容的欧姆电极接地能保持电容沟道电势恒定的特性，再利用电压源对栅电极施加的反向偏置电压，使栅电极的电势低于电容沟道的电势，产生由电容沟道指向栅电极的高电场，即为在栅电极施加反向应力；
3b)对电容的栅电极施加反向应力，施加应力的时长为t，同时监测并统计该电容欧姆电极的电流I1(t)和栅电极的电流I2(t)；
3c)对电容的栅电极施加反向应力，在势垒层内产生由电容的沟道区指向栅电极的高电场E，在电场的作用下，使得势垒层内的氟离子发生离化失去带负电的电子e，电子在电场的作用下向电容的沟道区移动并进入沟道，导致欧姆电极电流I1(t)和栅电极电流I2(t)不再相等，两者的差值是氟离子离化失去的电子形成的电流，根据电流和电荷量的关系，计算在施加应力时长为t时，电容势垒层内离化氟离子的电量分别为：
3d)停止施加应力，在电容C的栅电极上施加不同的电压，测量得到电容的电容值，绘制氟注入电容的CV特性曲线，根据电容的CV特性曲线得到施加应力后电容的平带电压Vfb(t)；
3e)多次改变施加应力的时长，重复3b)，3c)和3d)的测试步骤，依次记录测试数据，其中，记录第k次施加应力时，施加应力的时长为tk，电容势垒层内离化氟离子的电量为施加应力后电容的平带电压为Vfb(tk)，k为测量序号，k＝1，2，3，…，n，n为施加应力的总次数。
步骤4，计算离化氟离子空间位置：
4a)根据半导体物理理论，在第k次施加应力时，电容势垒层内离化氟离子的电量Q(tk)满足如下关系式：
其中，ε为电介质常数，S为栅电极的面积，d(tk)为第k次施加应力期间，电容势垒层内离化氟离子距离栅电极的等效位置，Vfb(tk-1)为第k-1次施加应力后电容的平带电压，Vfb(tk)为第k次施加应力后电容的平带电压；
4b)联立(3e)和(4a)中的计算表达式，得到电容第k次施加应力期间，势垒层内离化氟离子距离栅电极的等效位置d(tk)：
4c)将k的不同取值1，2，…，n代入步骤4b)，依次求得不同应力处理时长t1，t2，…，tn对应离化氟离子距离栅电极的等效位置：d(t1)，d(t2)，...，d(tn)，其中：
d1为应力处理时长为t1时电容离化氟离子距离栅电极的等效位置，d2为应力处理时长为t2时电容离化氟离子距离栅电极的等效位置，dn为应力处理时长为tn时电容离化氟离子距离栅电极的等效位置；结果如图5所示，其中在第k次施加应力后，电容施加反向应力的总时间为Tk＝t1+t2+…+tk。
在保证测量精度的前提下，时间间隔越小，获得的离化氟离子空间位置越准确。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容和原理后，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，例如本发明可以用来测试氟注入电容势垒层内离化氟离子的位置，也可以测量氟ET和MOS等器件中离化离子的位置，以及研究器件势垒层中的氧等其它离子的离化以及陷阱的退陷等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于电容结构的氟注入工艺稳定性测试方法，包括：
(1)制作氟注入工艺电容：
在自下而上依次为衬底、成核层、缓冲层、插入层和势垒层的半导体材料上淀积金属电极，制备出欧姆电极；在势垒层内注入氟离子，并在氟离子的位置上淀积金属电极，经过退火制备出栅电极；该栅电极与欧姆电极形成电容结构；
(2)在电容的栅电极上施加不同的电压测试出电容的电容值，根据测试数据绘制氟注入电容的CV特性曲线，通过CV特性曲线得到电容的平带电压Vfb(t0)，其中t0为初始时刻，t0＝0；
(3)施加应力并测量电容的平带电压：
(3a)对电容的栅电极施加反向应力，施加应力的时长为t，同时监测并统计该电容欧姆电极的电流I1(t)和栅电极的电流I2(t)；
(3b)根据电流和电荷量的关系，计算在施加应力时长为t时，电容势垒层内离化氟离子的电量分别为：
(3c)停止施加应力，在电容C的栅电极上施加不同的电压，测量得到电容的电容值，绘制氟注入电容的CV特性曲线，根据电容的CV特性曲线得到施加应力后电容的平带电压Vfb(t)；
(3d)多次改变施加应力的时长，重复(3a)，(3b)和(3c)的测试步骤，依次记录测试数据，其中，记录第k次施加应力时，施加应力的时长为tk，电容势垒层内离化氟离子的电量为施加应力后电容的平带电压为Vfb(tk)，k为测量序号，k＝1，2，3，…，n，n为施加应力的总次数。
(4)计算离化氟离子空间位置：
(4a)根据半导体物理理论，在第k次施加应力时，电容势垒层内离化氟离子的电量Q(tk)满足如下关系式：
其中，ε为电介质常数，S为栅电极的面积，d(tk)为第k次施加应力期间，电容势垒层内离化氟离子距离栅电极的等效位置，Vfb(tk-1)为第k-1次施加应力后电容的平带电压，Vfb(tk)为第k次施加应力后电容的平带电压；
(4b)联立(3d)和(4a)中的计算表达式，得到电容第k次施加应力期间，势垒层内离化氟离子距离栅电极的等效位置d(tk)：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)和步骤(3c)中的平带电压，按如下步骤确定：
首先，将电容测试仪的一端接地，另一端连接可控电压源，将可控电压源的一端连接栅电极，电容的欧姆电极接地；通过可控电压源改变施加在栅电极上的电压，得到不同电压下电容的电容值，绘制电容的CV特性曲线，其中，CV特性曲线的横坐标为电压，纵坐标为电容值；
然后，根据电容的CV特性曲线，利用半导体测试设备中自带软件计算得到电容的平带电容值Cfb，在电容的CV特性曲线中，将平带电容Cfb所对应的电压值确定为平带电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(3a)和步骤(3d)中在栅电极施加反向应力，是通过在栅电极施加反向偏置电压实现的，该实现方式如下：
将电容的欧姆电极接地，栅电极连接电压源；
利用电容的欧姆电极接地能保持电容沟道电势恒定的特性，再利用电压源对栅电极施加的反向偏置电压，使栅电极的电势低于电容沟道的电势，产生由电容沟道指向栅电极的高电场，即为在栅电极施加反向应力。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(3a)中的电容欧姆电极的电流I1(t)和栅电极的电流I2(t)，通过如下方式测得：
将第一个电流表的一端连接到欧姆电极，另一端接地；将电压源的一端与栅电极相连，另一端与第二个电流表连接，该第二个电流表的另一端接地，读取第一个电流表的示数得到欧姆电极的电流I1(t)，读取第二个电流表的示数得到栅电极电流I2(t)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中在势垒层内注入氟离子，是利用反应离子刻蚀法将CF4气体注入到势垒层内，利用在注入过程中存在的高能电场使CF4气体分解产生氟离子，实现将氟离子注入到势垒层内。
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