CN1687800A - 一种绝缘体上硅的电学参数的表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘体上硅(SOI)的电学参数的表征方法，属于微电子与固体电子学、硅基集成光电子器件材料的一种表征方法。其特征在于所述的方法以四探针测试平台为基础，附加导电样品台，搭建起一套赝MOS(Metal－Oxide－Semiconductor：金属－氧化物－半导体)系统，采用类似于MOSFET的分析手段表征绝缘体上的硅材料的埋层氧化物电荷密度，界面态密度等电学参数。具有简便易行、成本低、测试过程迅速等优点，可以作为SOI材料规模化生产的在线表征方法。

Description

一种绝缘体上硅的电学参数的表征方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘体上硅(SOI)的电学参数的表征方法，更确切地说是用赝MOS测试系统表征薄型或超薄型顶层硅的SOI材料的电学参数的方法。属于硅基集成光电子器件的一种表征方法。

技术背景

绝缘体上的硅(SOI)电路具有高速，低功率，抗辐照等优点，在航空航天，军工电子，便携式通讯等方面具有重要的应用背景，被认为是二十一世纪的硅集成电路技术，倍受人们重视(J.P.Colige，Silicon on InsulatorTechnology，Material to VLSI，Kulwer Academic Publication 1991)。该材料以其独特的体硅-绝缘层-单晶硅薄膜的多层复合结构，已经成为硅技术领域内至关重要的部分，得到了广泛的应用。

但是，由于SOI材料是由两种不同的物质——硅和绝缘层(通常是二氧化硅)组成，并且存在两个Si/SiO₂界面，是多层异质结构，不同于传统的均质体材料，所以用于传统体硅以及其他半导体材料的很多表征方法，不再适用于SOI材料。材料的基本信息，尤其是电学信息的不确定，在一定程度上限制了其在相关领域的进一步应用。所以，SOI材料的电学表征工作，是SOI技术的重要组成部分。SOITEC公司Sorin等人针对以Smart-Cut为主的SOI材料电学表征作了很多工作，并建立起了一系列SOI材料的表征方法(Sorin Cristoloveanu and Sheng S.Li，Electrical characterization ofSilicon-On-Insulator Materials and Devices，Kluwer Academic Publication1995)。近些年来随着集成电路的发展，对于薄型和超薄型顶层硅SOI材料的需求越来越广泛。SIMOX(Separation IMplantation OXide：隔离氧注入)方法以其工艺简单，可重复性好，形成SOI厚度均匀等优点，成为制备薄型和超薄SOI材料的主流技术之一。但是，先前发展起来的研究手段主要关注厚(＞1μm)顶层硅的表征工作，并不能完全移植到到现有的薄型以及超薄型顶层硅的工作中来。因此就需要改进原有的模型以适应薄型以及超薄顶层硅的SOI材料。

发明内容

本发明提供一种薄型或超薄型顶层硅的SOI的电学参数表征方法。

具体表征步骤是：

1)首先，将待测SOI样品的顶层硅用ICP刻蚀的方法，把顶层硅刻蚀出独立的硅岛，并保持一定的距离，而埋层氧化物(Buried oxide)保持完整；

2)将步骤1)所得的SOI圆片置于导电样品台上，双探针压在硅岛的中央部分，两探针相距一定距离，从双探针以及导电样品台上引出三个端口，连结到半导体I-V参数测试仪上，组成一个类MOS结构的测试系统；

在上述三个端口中，从SOI圆片上引出的端口1接地，另一个端口2接高电位或低电位，在顶层硅中建立电场，载流子在电场作用下在顶层硅中发生迁移形成电流；在导电样品台上的端口3上施加电压V_G，以控制顶层硅中载流子浓度分布，从而能达到类似于MOSFET的电压控制模式；

3)扫描导电样品台上的端口3的电压，测出SOI顶层硅上1、2两个端口之间的电流，从而得到一组I_D-V_G曲线；

4)在I_D-V_G曲线上读出亚阈值斜率S和平带电压V_FB值，利用公式(1)、(2)和(3)方便计算出BOX层的界面态密度和电荷密度。

$V_{\mathrm{FB}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_{D\left(A\right)}}{n_i}\right)-\frac{Q_{\mathrm{OX}}}{C_{\mathrm{OX}}}----\left(1\right)$

式中N_D(A)为顶层硅的施主(受主)载流子密度，n_i为本征载流子密度，Q_ox为埋层氧化物(BOX)的固定电荷密度，C_ox为BOX的单位电容，q为电子电量，k为波尔兹曼常数，T为用开氏温标表示的室温。(SorinCristoloveanu and Sheng S.Li，“Electrical characterization ofSilicon-On-Insulator Materials and Devices”，Kluwer Academic Publication1995)由此，从ID～VG曲线的积累区中读出平带电压，在已知SOI顶层硅掺杂浓度的情况下，即可计算出BOX的电荷密度。

在弱反应区，I_D～V_G曲线可以近似地表示成如下公式：

$I_D=I_0\exp \left(\frac{V_G}{S}\right)----\left(2\right)$

式中S是亚阈值斜率：

$S=\frac{\mathrm{kT}}{q}(1+\frac{C_{\mathrm{Si}}+{\mathrm{qD}}_{\mathrm{it}}}{C_{\mathrm{ox}}})----\left(3\right)$

C_Si为顶层硅的单位电容，从I_D(V_G)曲线中读出亚阈值斜率后，可以很容易的利用公式(3)计算出SOI材料BOX的界面态密度D_it。

所述顶层硅的独立硅岛为多边形或圆形，多边形最小边长或圆形直径不小于2mm，最大边长或圆形直径不超过1cm；

所述的独立硅岛之间的间隔为1-20mm；

所述的导电样品台台面材料为铝、铜、金、铂或它们的合金；

所述的双探针材料为Wc或高速钢，探针间距不大于多边形硅岛的最大边长或圆形硅岛的直径；

所述的测试系统和MOSFET相类似，端口3相当于栅，端口1、端口2分别相当于源和漏，因此可将I-V曲线看作MOSFET中的转移特性曲线I_D(V_G)。

综上所述，本发明提供的电参数测试表征方法，避免了背景技术中介绍的Sorin方法，校准结构因子这一繁琐步骤，只用一条亚阈曲线就可以便捷的表征出SOI材料BOX层的界面态密度和电荷密度，大大简化了实验步骤，提高了表征效率。这一表征方法的建立，对于目前开展的SOI材料制备工艺和应用技术研究具有很深远的意义。可作为SOI材料规模生产的在线表征方法，具有简单、可行、低成本，测试过程迅速等优点。

附图说明

图1赝MOS表征系统示意图

图2利用图1所示的测试系统测出的亚阈曲线

图3利用本发明提供的方法测试材料辐照后电学参数变化的表征示例

具体实施方式

下列实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

实施例1：(参阅图1)

1.先采用ICP刻蚀的方法，把SOI圆片的顶层硅刻成5mm×5mm的方形结构，间距2mm，BOX保持完好。

2.然后将圆片置于导电样品台上，方形硅岛的中央部分压紧双探针，两探针相距3mm。从双探针以及导电样品台上引出三个端口，连结在HP4155半导体参数测试仪上。样品台表面材料为Al、Cu、Pt、Au或它们的合金中一种；探头为WC或高速钢。

3.将端口①接地，端口②接V_d＝0.2V，端口③接扫描电压V_G。同时记录V_G和端口②电流I_D的值。

4.在图2所示的I_D-V_G曲线上读出S＝0.187和V_FB＝-1.7V的值，利用公式(1)、(3)计算出BOX层的界面态密度D_it＝5.05×10¹¹cm^-2eV^-1和电荷密度N_ot＝Q_ox/q＝2.3×10¹¹cm^-2，得到本方法全部表征结果。

实施例2：

利用本发明提供的方法可以方便地表征SOI圆片经X射线辐照后的BOX界面态密度和电荷密度变化的情况。具体是在顶层硅上施加-15V的偏压，测试参数V_d＝0.5V。从图3中可以看出，经100keV辐照后，并未发生明显变化；经200，300krad(Si)辐照后，亚阈值斜率和平带电压都发生了变化。经测量，电荷密度N_ot从原来的2.0×10¹¹cm^-2增大为2.4×10¹²cm^-2和3.7×10¹²cm^-2，界面态密度D_it从原来的1.6×10¹¹cm^-2eV^-1增大到1.6×10¹²cm^-2eV^-1和3.0×10¹²cm^-2eV^-1。因此可以由此利用上述方法，表征出BOX界面态密度和电荷密度的变化。

Claims (10)

1、一种绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于：

(a)首先，将待测的绝缘层上硅材料的顶层硅刻蚀出独立的硅岛，埋层氧化物保持完整；

(b)将步骤(a)所得的绝缘上层硅材料置于导电样品台上，相距一定距离的双探针压在硅岛的中央部分，从双探针端口(1)、(2)和导电样品台上端口(3)，连结到半导体I-V参数测试仪，组成一个类MOS结构的测试系统；

(c)扫描导电端口(3)电压，测出绝缘层上硅材料顶层硅上端口(1)和端口(2)间的电流，得到一组I_D-V_G曲线；

(d)在I_D-V_G曲线上读出亚阈值斜率S和平带电压V_FB，利用公式方便计算出埋层氧化物的电荷密度和界面态密度。

2、按权利要求1所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于所述的顶层硅刻蚀出独立的硅岛为多边形或圆形，多边形的最小边长或圆形的直径不小于2mm，多边形的最大边长或圆形的直径不超过1cm。

3、按权利要求1或2所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于所述独立的硅岛是用ICP方法刻蚀的。

4、按权利要求1所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于独立硅岛之间的间隔为1-20mm。

5、按权利要求1所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于所述的制成双探针材料为WC或高速钢，探针间距不大于硅岛的最大边长或圆形硅岛的直径。

6、按权利要求1所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于所述的半导体I-V参数测试仪为带有源监控单元的测试仪。

7、按权利要求1或6所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于半导体测试仪型号为HP4155。

8、按权利要求1所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于端口3相当于栅，端口1和2分别相当于源和漏。

9、按权利要求1所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于界面态密度D_it计算公式为：

$S=\frac{\mathrm{kT}}{q}(1+\frac{C_{\mathrm{Si}}+{\mathrm{qD}}_{\mathrm{it}}}{C_{\mathrm{ox}}})$

式中：S：亚阈值斜率

      k：玻尔兹曼常数

      q：电子电量

      C_si：顶层硅的单位电容

      C_ox：为埋层氧化物BOX的单位电容

      T：开氏温标表示的室温。

10、按权利要求1所述的绝缘体上的硅的电学参数的表征方法，其特征在于从平带电压V_FB计算出埋层氧化物的电荷密度计算公式为：

$V_{\mathrm{FB}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{N_{D\left(A\right)}}{n_i}\right)-\frac{Q_{\mathrm{OX}}}{C_{\mathrm{OX}}}$

式中：V_FB：平带电压

      k：玻尔兹曼常数

      q：电子电量

      T：开氏温标表示的室温

      n_i：本征载流子密度

      C_ox：埋层氧化物BOX的单位电容，Q_ox：埋层氧化物固定电荷密度

      N_D(A)：顶层硅中的施主或受主载流子密度。

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