[发明专利]金属氧化物半导体场效应晶体管电容‑电压特性修正方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术中，半导体器件可靠性领域，更具体的说，本发明提供一种针对串联电阻效应的金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性修正方法。

背景技术

金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor field effect transistor,简称MOSFET)是微处理器和半导体存储器等超大规模集成电路中的重要器件。金属氧化物半导体场效应晶体管是基于半导体平面工艺，在“清洁”硅片上用热氧化、蒸发和光刻等方法制备而成的，如图2所示，其结构主要由金属、绝缘层及半导体所组成，它类似于金属和介质形成的平板电容器。但是，由于半导体中的电荷密度比金属中的小得多，所以充电电荷在半导体表面形成的空间电荷区有一定的厚度(—微米量级)，而不像金属中那样，只集中在一薄层(～0.1nm)内。半导体表面空间电荷区的厚度随偏压而改变，所以金属氧化物半导体场效应晶体管电容是微分电容。

式2中Q_G是金属电极上的电荷面密度,A是电极面积。

在分析金属氧化物半导体场效应晶体管结构电性能时，常假设有一种理想的金属氧化物半导体场效应晶体管结构存在。其满足以下条件：(1)金属与半导体间功函数差为零；(2)在绝缘层(SiO₂)内没有电荷；(3)SiO₂与半导体界面处不存在界面态。

理想的金属氧化物半导体场效应晶体管结构在外形上与实际结构完全相同。在这个结构上加偏压V_G时，一部分在降在Si/SiO₂上，记作V_ox；一部分降在半导体表面空间电荷区，记作V_s，即

V_G＝V_ox+V_s(式3)

V_s又叫表面势。因为考虑的是理想情况，Si/SiO₂中没有任何电荷存在，半导体表面半导体表面空间电荷区电荷和金属电极上的电荷数量相等、符号相反，有

|Q_sc|＝|Q_G|(式4)

式中Q_sc是半导体表面空间电荷区电荷面密度。将式(3)、(4)代入式(2)，得到

式(5)表明金属氧化物半导体场效应晶体管电容由C_ox和C_s串联构成，其等效电路如图3所示。其中C_ox是以SiO₂为介质的氧化层电容，它的数值不随V_G改变；C_s是半导体表面空间区电容，其数值随V_G改变，因此

式6中，ε₀为真空电容率，ε_ox为氧化物介电常数，d_ox为样品器件氧化层厚度。

在金属氧化物半导体场效应晶体管电路的生产和开发研制中，金属氧化物半导体场效应晶体管的电容-电压测试是极为重要的工艺过程监控测试手段，也是器件参数分析和可靠性研究的有效工具。通常由高频金属氧化物半导体场效应晶体管的测试电容最大值估计栅介质膜的厚度；由其归一化的最小电容值确定衬底掺杂密度或作为离子注入工艺的监控模式；由其平带电压确定有效氧化物的电荷密度；由曲线的斜率确定衬底掺杂剖面，对于均匀掺杂衬底，曲线的斜率还可以反映界面陷阱的状况；由曲线的深耗尽程度估计少子产生寿命；滞后的电容-电压曲线与理想的电容-电压曲线比较可估计界面陷阱、室温可动电荷。另外，高频电容-电压测试配合准静态测试，可以定量分析Si/SiO₂界面陷阱的能量分布；与其他应力试验(如加温,加电)结合可以分析氧化物中的陷阱、可动电荷。但是这些分析测试必须在准确测量金属氧化物半导体场效应晶体管的高频电容-电压特性基础上才是有效的。

作为工艺监控，既希望测试结构准确可信，也希望样品制作简单。然而，实际过程中往往由于样品制备不当或测试等原因，引入寄生元件。通常主要会受到探针与栅的接触电阻的影响而使得金属氧化物半导体场效应晶体管电容-电压特性测试电路中引入串联电阻R。尽管在制备和测试过程中注意到了这些问题，但在许多情况下还不能使串联电阻达到忽略的程度。串联电阻的引入会使测试的电容C_m小于待测样品的电容C，导致无法准确的评估器件的特性。因此，电容-电压曲线在应用前需要先对其进行修正。