CN114371194B - 使用电导法确定mos器件中半导体掺杂杂质分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法。通过在低温下，在栅极施加不同电压对MOS电容进行电导法测试，选择离平带电压最接近的电导曲线图象作为第一条曲线，得到它的角频率、表面势和耗尽区宽度；通过捕获速率与释放速率的比例关系以及掺杂杂质能级与费米能级差为定值关系，计算解得初始电导曲线的表面势，从而能够算出初始的耗尽区宽度和掺杂杂质浓度，两者耗尽区宽度的差为此浓度距离界面的位置。随着栅极电压继续向深度耗尽区移动，基于第一条电导曲线的运算逻辑可以计算出其位置的掺杂浓度与分布，获得掺杂浓度随深度变化的曲线。本发明利用低温电导法不仅能够精确表征掺杂杂质的分布，还能够节省成本和时间。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法。
背景技术
随着半导体器件在高温、高压和高频领域的广泛应用，各领域对半导体器件的可靠性的要求越来越高。理想的半导体外延掺杂应该是均匀的，但是半导体的生长会导致外延掺杂不均匀。此外，不仅在半导体生长时会导致掺杂不均，而且经实验证明，半导体在氧化过程中会出现掺杂的再分布，尤其在氧化物/半导体界面附近处的半导体中出现掺杂积累现象。
众所周知，掺杂杂质分布不均必然存在浓度梯，这不仅会导致器件迁移率降低、阈值电压不稳定，而且还会大大降低器件可靠性。因此，充分有效的检测掺杂杂质的分布显得尤为重要，这对于分析器件工艺和改进工艺有着重要的意义。
目前，电容-电压法是一种常用来测试半导体掺杂浓度的方法，但是这种方法只能计算出浓度差别不大位置处掺杂浓度，可能与大部分实际情况不符合。SIMS是一种较为精确的测试掺杂杂质随深度变化的测试方法，但是SIMS测试费用较高，且SIMS有非破坏性和破坏性两种方式：非破坏性方式只能间接提供信息，需要研究者后续进行分析才能获得掺杂分布；破坏性方式虽然可以直接获得掺杂分布，但是样品却无法后续继续使用。SRP也是一种较为常见的测试掺杂随深度变化的测试方法，但是SRP探针分辨率低，因此无法准确表征。
综上所述，鉴于目前掺杂杂质测试表征方法存在着上述问题，我们需要寻找一种有效且简便的测试方法对掺杂杂质分布精确表征，这对于预测和指导半导体工艺有着深远的意义。
发明内容
本发明提供一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，通过低温电导法实现半导体内掺杂杂质随深度分布的测试，这种方法能够节省成本和时间并进一步探明半导体器件现象和机理。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，包括如下步骤：
步骤一：制备计算掺杂杂质浓度所需的MOS电容；
步骤二：用电导法确定半导体MOS器件掺杂杂质分布：
S1：将制备的MOS电容置于温度范围在50K—80K；
S2：在MOS电容上施加不同的测试电压进行电导法测试，施加的测试电压使MOS电容处于耗尽状态，得到耗尽状态下不同电压所对应的电导曲线；
S3：从电导曲线中找到与平带电压差值最小的测试电压V1所对应的电导曲线，将该电导曲线排序为第一条电导曲线，得到第一条电导曲线上电导峰对应的角频率ωmax，1、表面势Vs1和耗尽区宽度x1；根据如下公式计算出测试电压V1下的理论表面势Vs0和理论耗尽区宽度x0；
RR1+RC＝ωmax，1 (1)；
其中：RC为捕获速率、RR1为在测试电压V1下的释放速率、σ为俘获界面、vt为热速度、ET为掺杂杂质能级、Ef为费米能级、Ec为导带能级、K为玻尔兹曼常数、T为温度、q为电荷量、Nc为导带有效状态密度、nx为导带电子浓度、ND为该温度下均匀掺杂杂质浓度、ε0为真空介电常数、εs为该半导体相对介电常数；
其中：σ、vt、ET-Ec、Ef-Ec、K、T、q、Nc、ωmax，1、ND均为已知量，可求得Vs0、RC和RR1的值，将Vs0带入公式(4)求得x0；
S4：根据公式(1)和公式(2)，得到第i个测试电压Vi下的释放速率RRi；将RC和RRi带入到公式(5)中，求出距离氧化物/半导体界面xi-x0位置处掺杂浓度：
从而获得掺杂浓度NDDi随深度变化的信息；
其中：Gp为电导、ωmax，i为第i条电导曲线上的电导峰对应的角频率、q为电荷量；xi为第i个测试电压下第i条电导曲线所对应的耗尽区宽度、Vsi表示第i个测试电压下第i条电导曲线所对应的表面势、NDDi表示第i个测试电压下第i条电导曲线对应的掺杂浓度。
进一步的改进，所述半导体材料为硅、锗或碳化硅。
进一步的改进，所述步骤一包括如下步骤：
S5：在半导体表面氧化生成一层氧化物，形成栅介质；
S6：在栅介质上生长金属薄膜，形成栅电极；在半导体的背面生长金属薄膜，形成背电极；得到半导体MOS电容。
进一步的改进，所述步骤S6中的金属薄膜为镍或铝。
进一步的改进，所述步骤S6中生长金属薄膜的方式为热蒸镀或溅射法。
进一步的改进，所述半导体的导电类型为n型或p型。
进一步的改进，所述步骤S2中电导法测试的测试频率为1k-1M赫兹。
本发明的优点：
1.本发明利用低温电导法不仅能够得到掺杂杂质的精确表征，还能够节省成本和时间。
附图说明
图1为MOS电容结构示意图。
图2为MOS电容中半导体的能带图；
图3为部分电导曲线图；
图4为掺杂杂质的分布曲线图。
其中：Ev表示价带、Vdc表示直流电压、Vac表示交流电压。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示的一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，对n型SiC样品使用高温热氧化，热氧化的条件为：温度1150℃、氧化时间5h。氧化生成一层氧化硅作为栅介质层。
基于上述经过高温热氧化后的SiC得到的结构，使用热蒸镀方法，在氧化硅表面热蒸镀100nm金属镍作为栅电极，在半导体背面热蒸镀120nm镍作为背电极，形成SiC MOS电容。
将制备好的SiC MOS电容，在低温70K下进行电导法测试，栅极施加7V—1V的电压，70K时：平带电压在7.5V左右，电压步长为0.1V，此时MOS电容处于耗尽状态，能带图如图2所示。这样可获得一系列电导曲线部分/>曲线如图3所示。
本例中，耗尽区最靠近平带电压第一条出现电导曲线，即从电导曲线中找到与平带电压差值最小的测试电压V1所对应的电导曲线，将该电导曲线排序为第一条电导曲线，得到第一条电导曲线上电导峰对应的角频率ωmax，1、表面势Vs1(将MOS电容视为理想电容计算该表面势)和耗尽区宽度x1；根据如下公式计算出测试电压V1下的理论表面势Vs0和理论耗尽区宽度x0(也是初始耗尽区宽度)。
耗尽状态下的测试电压均小于平带电压或测试电压均大于平带电压；半导体的掺杂类型为n型时，测试电压小于平带电压，半导体的掺杂类型为P型时，测试电压大于平带电压。
该电导曲线的电导峰所对应的角频率ωmax，1＝95099、表面势Vs1＝-0.0204V和耗尽区宽度x1＝1.66e-5cm；通过下式计算出VS0与x0
RR1+RC＝ωmax，1 (1)
其中，σ为俘获界面通过查阅文献可获得，vt为热速度，ET-Ef为掺杂杂质能级与费米能级的差，Ef-Ec为费米能级和导带的差，k为玻尔兹曼常数，T为温度。将上述三个式子联立，可解出初始电导峰的表面势Vs0＝-0.00031995V从而能够算出初始的耗尽区宽度x0＝7.46e-6cm。
将上述将计算出的值带入RC与RR1的关系式，将RC与RR1带入下式，并计算出第一个位置处(距离界面x1-x0，即耗尽区宽度的差值就是掺杂杂质距离氧化物/半导体界面的位置)的掺杂浓度。
将步骤S3中所测得的每一个有电导峰所对应的电压下都对应一个表面势Vsi和耗尽区宽度xi(i≥2)；每个电压下RC的值不变，RRi的值为该电压下电导峰对应的角频率ωmax，i与RC的差；
将RC与RRi的值带入步骤S4中的式子中，求出距离氧化物/半导体界面xi-x0位置处掺杂浓度(xi-x0表示的是耗尽区宽度的差值就是掺杂杂质距离氧化物/半导体界面的位置)，从而获得掺杂浓度随深度变化的信息,如图4所示。
且由公式(5)可推导出任意电导曲线下的耗尽区宽度的求取公式，即：知道任一测试电压下所对应的表面势之后即可求出耗尽区宽度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示。
Claims (7)
1.一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制备计算掺杂杂质浓度所需的MOS电容；
步骤二：用电导法确定半导体MOS器件掺杂杂质分布：
S1：将制备的MOS电容置于温度范围在50K—80K；
S2：在MOS电容上施加不同的测试电压进行电导法测试，施加的测试电压使MOS电容处于耗尽状态，得到耗尽状态下不同电压所对应的电导曲线；
S3：从电导曲线中找到与平带电压差值最小的测试电压V1所对应的电导曲线，将该电导曲线排序为第一条电导曲线，得到第一条电导曲线上电导峰对应的角频率ωmax，1、表面势Vs1和耗尽区宽度x1；根据如下公式计算出测试电压V1下的理论表面势Vs0和理论耗尽区宽度x0；
RR1+RC＝ωmax，1 (1)；
其中：RC为捕获速率、RR1为在测试电压V1下的释放速率、σ为俘获界面、vt为热速度、ET为掺杂杂质能级、Ef为费米能级、Ec为导带能级、K为玻尔兹曼常数、T为温度、q为电荷量、Nc为导带有效状态密度、nx为导带电子浓度、ND为该温度下均匀掺杂杂质浓度、ε0为真空介电常数、εs为该半导体相对介电常数；
其中：σ、vt、ET-Ec、Ef-Ec、K、T、q、Nc、ωmax，1、ND均为已知量，可求得Vs0、RC和RR1的值，将Vs0带入公式(4)求得x0；
S4：根据公式(1)和公式(2)，得到第i个测试电压Vi下的释放速率RRi；将RC和RRi带入到公式(5)中，进而通过公式(6)求出距离氧化物/半导体界面xi-x0位置处掺杂浓度：
从而获得掺杂浓度NDDi随深度变化的信息；
其中：Gp为电导、ωmax，i为第i条电导曲线上的电导峰对应的角频率、q为电荷量；xi为第i个测试电压下第i条电导曲线所对应的耗尽区宽度、Vsi表示第i个测试电压下第i条电导曲线所对应的表面势、NDDi表示第i个测试电压下第i条电导曲线对应的掺杂浓度。
2.如权利要求1所述的一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，其特征在于，所述半导体材料为硅、锗或者碳化硅。
3.如权利要求1所述的一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，其特征在于，所述步骤一包括如下步骤：
S5：在半导体表面氧化生成一层氧化物，形成栅介质；
S6：在栅介质上生长金属薄膜，形成栅电极；在半导体的背面生长金属薄膜，形成背电极；得到半导体MOS电容。
4.如权利要求3所述的一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，其特征在于，所述步骤S6中的金属薄膜为镍或铝。
5.如权利要求3所述的一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，其特征在于，所述步骤S6中生长金属薄膜的方式为热蒸镀或溅射法。
6.如权利要求3所述的一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，其特征在于，所述半导体的掺杂类型为n型或p型。
7.如权利要求1所述的一种使用电导法确定MOS器件中半导体掺杂杂质分布的方法，其特征在于，所述步骤S2中电导法测试的测试频率为1k-1M赫兹。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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