CN1687800A - 一种绝缘体上硅的电学参数的表征方法 - Google Patents
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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
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VG,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ID-VG曲线;
4)在ID-VG曲线上读出亚阈值斜率S和平带电压VFB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。
式中ND(A)为顶层硅的施主(受主)载流子密度,ni为本征载流子密度,Qox为埋层氧化物(BOX)的固定电荷密度,Cox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,ID~VG曲线可以近似地表示成如下公式:
式中S是亚阈值斜率:
CSi为顶层硅的单位电容,从ID(VG)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Dit。
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ID(VG)。
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Vd=0.2V,端口③接扫描电压VG。同时记录VG和端口②电流ID的值。
4.在图2所示的ID-VG曲线上读出S=0.187和VFB=-1.7V的值,利用公式(1)、(3)计算出BOX层的界面态密度Dit=5.05×1011cm-2eV-1和电荷密度Not=Qox/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Vd=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Not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Dit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ID-VG曲线;
(d)在ID-VG曲线上读出亚阈值斜率S和平带电压VFB,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Dit计算公式为:
式中:S:亚阈值斜率
k:玻尔兹曼常数
q:电子电量
Csi:顶层硅的单位电容
Cox: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VFB计算出埋层氧化物的电荷密度计算公式为:
式中:VFB: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
ni:本征载流子密度
Cox:埋层氧化物BOX的单位电容,Qox:埋层氧化物固定电荷密度
ND(A):顶层硅中的施主或受主载流子密度。
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