專利名稱：載流子遷移率的提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造及設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種MOSFET反型層中載流子 遷移率的提取方法。
背景技術(shù)：
長期以來為了使得器件的性能獲得提升，MOS器件的發(fā)展一直遵循著Moore定律， 其特征尺寸不斷地按比例縮小(scaling down) 0然而，目前器件的特征尺寸已經(jīng)接近了物 理和技術(shù)的雙重極限，因此必須通過其他方式來提高器件的工作速度。例如，通過改變溝道 材料、對(duì)溝道引入應(yīng)力來提高器件中載流子的遷移率，從而提高器件的驅(qū)動(dòng)電流。但是，無 論是那一種實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)于器件的制造來說，最終都需要準(zhǔn)確地提取載流子的遷移率。然而，影響遷移率的準(zhǔn)確提取存在著多種影響因素，諸如反型層電荷、漏-源電 壓、柵極泄漏電流等，這些都會(huì)對(duì)遷移率的準(zhǔn)確提取構(gòu)成障礙。特別是一直以來人們?cè)谔崛?載流子遷移率時(shí)，均假設(shè)橫向電場(chǎng)沿溝道方向?yàn)槌?shù)，但是隨著器件特征尺寸進(jìn)入到深亞 微米技術(shù)代以后，橫向電場(chǎng)沿溝道方向不均勻性的影響表現(xiàn)得非常顯著，這就給載流子遷 移率的準(zhǔn)確提取帶來了很大的誤差。因此，如何準(zhǔn)確地提取載流子的遷移率成為了亟待解 決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是解決現(xiàn)有技術(shù)中無法準(zhǔn)確 地提取載流子遷移率的缺陷。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提出載流子遷移率的提取方法，包括以下步驟測(cè) 量給定MOS器件的轉(zhuǎn)移特性Ids(Vgs)以及輸出特性Ids(Vds)，其中，Vgs為柵源電壓，Vds為漏 源電壓，Ids為漏極電流；給定Vgs的初始值，并假設(shè)溝道橫向電場(chǎng)Ex的初始值；根據(jù)所述Vgs 的初始值和Ex的初始值，以及轉(zhuǎn)移特性Ids(Vgs)和輸出特性Ids(Vds)，獲得載流子遷移率的 計(jì)算值；根據(jù)所述載流子遷移率的計(jì)算值計(jì)算對(duì)應(yīng)的Ids的計(jì)算值；將所述Ids的計(jì)算值與 實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量值進(jìn)行比較，判斷兩者誤差是否滿足精度要求；如果兩者誤差不滿足 精度要求，則進(jìn)一步調(diào)整所述溝道橫向電場(chǎng)Ex的值，并重復(fù)上述步驟，直至滿足精度要求； 如果兩者誤差滿足精度要求，則獲得所述Vgs的初始值對(duì)應(yīng)的載流子遷移率值，并按照預(yù)定 步長繼續(xù)調(diào)整所述Vgs的值，并重復(fù)上述步驟，直至獲得給定Vgs的范圍內(nèi)載流子遷移率的曲 線。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)所述Vgs的初始值和Ex的初始值，獲得載流子遷
移率的計(jì)算值包括根據(jù)以下公式計(jì)算載流子遷移率，
中，μ eff為載流子的有效遷移率，L為MOS器件的有效溝道長度，W為MOS器件的有效溝道寬度，Ids為漏極電流，Vds為漏源電壓，
為反型層電荷，Cgc(Vgs)為柵極到MOS器件溝道的電容，ε d為擴(kuò)散能量，q為電子電量，乙為柵介質(zhì)電容，￡dyrff/q為擴(kuò)散 系數(shù)，F(xiàn)(Vgs)為反映Ex的函數(shù)，其中， 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述Qinv可通過采用低頻或RF射頻方式的Split Capacitance-Voltage (C-V)方法進(jìn)行測(cè)量。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，由于MOS管尺寸 越來越小，導(dǎo)致單個(gè)MOS管的電容也越來越小，因此在本發(fā)明中，可對(duì)若干個(gè)相同的MOS管 并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，從而提高測(cè)量精度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過以下公式根據(jù)載流子遷移率的計(jì)算值計(jì)算對(duì)應(yīng)的
|ds的計(jì)算值
其中，為載流子遷移率的計(jì)算值，Vt
為MOS器件的閾值電壓。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述判斷Ids的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量值兩者 之間誤差是否滿足精度要求包括根據(jù)所述公式IIdsl-IdstlI/I IdstlI < δ進(jìn)行判斷，其中，Idsl 為計(jì)算值，Ids。為測(cè)量值，δ為預(yù)設(shè)精度值。其中，δ為0.0005-0. 001。通過本發(fā)明實(shí)施例能夠獲得準(zhǔn)確的載流子遷移率μ eff的曲線。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1為本發(fā)明實(shí)施例的采用RF射頻方式的Split C-V方法測(cè)量若干個(gè)完全相同 的MOS管并聯(lián)結(jié)構(gòu)Qinv的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的若干個(gè)完全相同的MOS管并聯(lián)結(jié)構(gòu)測(cè)量中單個(gè)MOS管版圖 結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的載流子遷移率提取方法流程圖；和圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲得的F(Vgs)隨柵極電壓變化的曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。在MOS器件反型層中，載流子的輸運(yùn)特性可由漂移-擴(kuò)散模型來描述，表現(xiàn)為載流 子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生漂移和在濃度梯度作用下發(fā)生擴(kuò)散，即有
(1)其中，Ids為漏極電流，W為MOS器件的有效溝道寬度，L為MOS器件的有效溝道長度，Oiv= J1Cge為反型層電荷，Cge(Vgs)為柵極到MOS器件溝道的電容，yeff為載流 —00
子的有效遷移率，Ex為沿著溝道方向的橫向電場(chǎng)，ε d為擴(kuò)散能量，q為電子電量，￡dyrff/q 為擴(kuò)散系數(shù)，I為載流子濃度沿溝道方向的梯度。 假設(shè)沿溝道方向的橫向電場(chǎng)隨柵極電壓發(fā)生改變時(shí)可以表達(dá)為 上述公式中，Vds為漏源電壓，L為MOS器件的有效溝道長度，F(xiàn)(Vgs)為未知值。貝Ij 有， 其中，C。x為柵介質(zhì)電容，將式(2)式和(3)式代入式(1)，經(jīng)過計(jì)算，載流子的有效 遷移率可以寫成 綜合上述，考慮了橫向電場(chǎng)沿溝道方向的不均勻性后，載流子的有效遷移率可以 用公式(4)來描述。其中，在本發(fā)明實(shí)施例中，W和L的測(cè)量可采用多種方法，例如利用同一工藝流程 在同一芯片上制作一系列MOS器件，其掩模版的設(shè)計(jì)中，各個(gè)MOS管的溝道長度Lm各不相 同，而溝道寬度以及源漏區(qū)的尺寸則完全相同，利用MOS管的總電阻隨溝道長度變化的關(guān) 系曲線，可以提取得到AL，則L = LtrAy其中Δ L為掩模設(shè)計(jì)的溝道長度經(jīng)光刻、柵堆疊 刻蝕以及摻雜雜質(zhì)擴(kuò)散等工藝因素引入的溝道長度變化量。在本發(fā)明實(shí)施例中，Qinv的測(cè)量可采用多種方法，例如Qinv可通過低頻方式Split C-V方法進(jìn)行測(cè)量。在本發(fā)明中，為了提高Qinv的測(cè)量精度，作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可采 用RF射頻方式的Split C-V方法測(cè)量Qinv，如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的采用RF射頻方 式的Split C-V方法測(cè)量若干個(gè)完全相同的MOS管并聯(lián)結(jié)構(gòu)Qinv的示意圖。更為優(yōu)選地， 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，由于MOS管尺寸越來越小，因而導(dǎo)致單個(gè)MOS管的電容也越 來越小，因此在本發(fā)明中，可對(duì)若干個(gè)并聯(lián)的MOS管進(jìn)行測(cè)量，從而可以有效地提高測(cè)量精 度，如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例的若干個(gè)完全相同的MOS管并聯(lián)結(jié)構(gòu)測(cè)量中單個(gè)MOS管的 版圖結(jié)構(gòu)的示意圖。本發(fā)明將根據(jù)上述公式進(jìn)行載流子遷移率的提取，如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例 的載流子遷移率提取方法流程圖，包括以下步驟步驟S101，對(duì)于給定的MOS器件，測(cè)量其在不同漏源電壓下的轉(zhuǎn)移特性Ids(Vgs)以 及在不同柵極電壓下的輸出特性Ids(Vds)，其中，Vgs為柵源電壓，Vds為漏源電壓，Ids為漏極 電流。步驟S102，給定Vgs的初始值，例如Vgsl，同時(shí)假設(shè)一個(gè)溝道橫向電場(chǎng)Ex的初始值， 在本發(fā)明實(shí)施例中，由于橫向電場(chǎng)Ex由函數(shù)F(Vgs)反應(yīng)，如公式(2)，因此在本發(fā)明實(shí)施例 中，可以先假設(shè)一個(gè)F(Vgs)的初始值。根據(jù)Vgs的初始值和F(Vgs)的初始值，以及轉(zhuǎn)移特性Ids(Vgs)和輸出特性Ids(Vds),通過公式(4)獲得載流子遷移率的計(jì)算值yrffl。步驟S103，根據(jù)載流子遷移率的計(jì)算值μ effl計(jì)算對(duì)應(yīng)的Ids的計(jì)算值。在本發(fā)明
的一個(gè)實(shí)施例中，可通過公式
，其中，μ effl為載流子遷
移率的計(jì)算值，Vt為MOS器件的閾值電壓。步驟S104，實(shí)際測(cè)量Ids，并將Ids的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量值進(jìn)行比較，判 斷兩者誤差是否滿足精度要求。根據(jù)公式IIdsl-IdscJ/IIdscJ < δ進(jìn)行判斷，其中，Idsl為Ids 的計(jì)算值，IdstlSIds的測(cè)量值，δ為預(yù)設(shè)精度值。其中，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，δ可約 為0. 0005-0. 001，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可根據(jù)需要增大或縮小預(yù)設(shè)精度值。當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù) 人員還可選擇其他方式或公式判斷兩者誤差是否滿足精度要求。步驟S105,如果兩者誤差不滿足精度要求，即︳ ︳ Idsl-Ids0︳ / ︳ Idso < δ不成立，則進(jìn) 一步調(diào)整溝道橫向電場(chǎng)Ex的值，即進(jìn)一步調(diào)整F(Vgs)的值，并重復(fù)上述步驟S102至步驟 S104,直至能夠滿足精度要求。步驟S106，如果兩者誤差滿足精度要求，即 Idsl-Idso/︳ Ids0 < δ成立，則說明 載流子遷移率的計(jì)算值是準(zhǔn)確的，因此可以記錄對(duì)應(yīng)的F(Vgs)值以及對(duì)應(yīng)的載流子遷移率 的計(jì)算值，并按照預(yù)定步長繼續(xù)調(diào)整Vgs的值，并重復(fù)上述步驟S102至步驟S105，直至獲得 給定Vgs的范圍內(nèi)準(zhǔn)確的載流子遷移率的曲線。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定步長約為 lmV-5mV，當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù)人員也可根據(jù)具體工藝的不同，增加或減少預(yù)定步長。具體地，利用本發(fā)明實(shí)施例的方法，可得在柵氧化層厚度約為3nm，有效溝道長度 約為250nm時(shí)，F(xiàn)(Vgs)隨柵極電壓Vgs的變化關(guān)系曲線圖如圖4所示。通過本發(fā)明實(shí)施例能夠獲得準(zhǔn)確的載流子遷移率μ eff的曲線。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換 和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
一種載流子遷移率的提取方法，其特征在于，包括以下步驟測(cè)量給定MOS器件的轉(zhuǎn)移特性Ids(Vgs)以及輸出特性Ids(Vds)，其中，Vgs為柵源電壓，Vds為漏源電壓，Ids為漏極電流；給定Vgs的初始值，并假設(shè)溝道橫向電場(chǎng)Ex的初始值；根據(jù)所述Vgs的初始值和Ex的初始值，以及轉(zhuǎn)移特性Ids(Vgs)和輸出特性Ids(Vds)，獲得載流子遷移率的計(jì)算值；根據(jù)所述載流子遷移率的計(jì)算值計(jì)算對(duì)應(yīng)的Ids的計(jì)算值；將所述Ids的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量值進(jìn)行比較，判斷兩者誤差是否滿足精度要求；如果兩者誤差不滿足精度要求，則進(jìn)一步調(diào)整所述溝道橫向電場(chǎng)Ex的值，并重復(fù)上述步驟，直至滿足精度要求；如果兩者誤差滿足精度要求，則獲得所述Vgs的初始值對(duì)應(yīng)的載流子遷移率值，并按照預(yù)定步長繼續(xù)調(diào)整所述Vgs的值，重復(fù)上述步驟，直至獲得給定Vgs的范圍內(nèi)載流子遷移率的曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的載流子遷移率的提取方法，其特征在于，根據(jù)所述Vgs的初始值和Ex的初始值，獲得載流子遷移率的計(jì)算值包括根據(jù)以下公式計(jì)算載流子遷移率 其中，μ eff為載流子的有效遷移率，L為MOS器件的有效溝道長度，W為MOS器件的有效溝道寬度，Ids為漏極電流，Vds為漏源電壓， 反型層電荷，Cgc(Vgs)為柵極到MOS器件溝道的電容， 為擴(kuò)散能-co量，q為電子電量，Cra^柵介質(zhì)電容，￡#@八為擴(kuò)散系數(shù)』％3)為反映艮的函數(shù)，其中，
3.如權(quán)利要求2所述的載流子遷移率的提取方法，其特征在于，通過公式 計(jì)算對(duì)應(yīng)的Ids的計(jì)算值，Vt為MOS器件的閾值電壓。
4.如權(quán)利要求2所述的載流子遷移率的提取方法，其特征在于，所述Qinv通過采用低頻 或RF射頻方式的Split C-V方法進(jìn)行測(cè)量。
5.如權(quán)利要求4所述的載流子遷移率的提取方法，其特征在于，對(duì)若干個(gè)相同的MOS管 并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。
6.如權(quán)利要求1所述的載流子遷移率的提取方法，其特征在于，所述判斷Ids的計(jì)算值 與實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量值兩者之間誤差是否滿足精度要求包括根據(jù)所述公式I Idsl-IdscJ/I IdscJ < δ進(jìn)行判斷，其中，Idsl為計(jì)算值，Ids。為測(cè)量值，δ 為預(yù)設(shè)精度值；如果所述|ldsl-Ids(l|/|lds(ll < δ成立，則判斷Ids的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量值 兩者之間誤差滿足精度要求；如果所述|ldsl-Ids(l|/|lds(ll < δ不成立，則判斷Ids的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量 值兩者之間誤差不滿足精度要求。
7.如權(quán)利要求6所述的載流子遷移率的提取方法，其特征在于，所述δ為 0.0005-0. 001。
8.如權(quán)利要求1所述的載流子遷移率的提取方法，其特征在于，所述預(yù)定步長為 lmV-5mV。
全文摘要
本發(fā)明提出一種載流子遷移率的提取方法，包括測(cè)量給定MOS器件的轉(zhuǎn)移特性以及輸出特性；根據(jù)柵源電壓Vgs的初始值和溝道橫向電場(chǎng)Ex的初始值獲得載流子遷移率的計(jì)算值；根據(jù)載流子遷移率的計(jì)算值計(jì)算對(duì)應(yīng)的漏極電流Ids的計(jì)算值；將Ids的計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量的Ids的測(cè)量值進(jìn)行比較，判斷兩者誤差是否滿足精度要求；如果兩者誤差不滿足精度要求，則進(jìn)一步調(diào)整溝道橫向電場(chǎng)Ex的值，并重復(fù)上述步驟，直至滿足精度要求；如果兩者誤差滿足精度要求，則獲得Vgs的初始值對(duì)應(yīng)的載流子遷移率值，并按照預(yù)定步長繼續(xù)調(diào)整所述Vgs的值，重復(fù)上述步驟，直至獲得給定Vgs的范圍內(nèi)載流子遷移率的曲線。通過本發(fā)明實(shí)施例能夠獲得準(zhǔn)確的載流子遷移率μeff的曲線。
文檔編號(hào)G01R19/00GK101840458SQ20101017764
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者梁仁榮, 王敬, 許軍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)