專利名稱：評估半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種評估具有MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的方法，具體的，涉及一種評估半導(dǎo)體器件的方法，其通過泄漏路徑來分離柵極泄漏電流。
背景技術(shù)：
近年來，積極地發(fā)展了使用半導(dǎo)體器件的功能性電路。為了實現(xiàn)高功能性電路，必須使器件以高速工作以便實現(xiàn)高功能性電路，對此必須減小器件的尺寸并將器件集成。但是，當器件變的更小時，引起了閾值電壓下降或擊穿，產(chǎn)生所謂的短溝道效應(yīng)，其意味著不能通過柵極電壓控制漏極電流。為了抑制短溝道效應(yīng)，將柵絕緣膜減薄是很有效的。但是，當柵絕緣膜變薄時，柵極泄漏電流增大以引起電路操作的失效。
另一方面，依照非專利文獻1(Nicollian and Brews，MOS Physics andTechnology，p.378，圖9.4)，在襯底中具有較小雜質(zhì)濃度的MOS電容器的情況下，耗盡層從柵電極的邊緣橫向延伸。由于耗盡層邊緣部分的寬度比柵電極正下方的耗盡層寬度要小，因此耗盡層邊緣部分具有比柵電極正下方的耗盡層更大的電場。因此，來自耗盡層邊緣部分的柵極泄漏電流增加。由此，在襯底中具有低雜質(zhì)濃度的MOS電容器中產(chǎn)生的柵極泄漏電流包括從整個的電極平面中流動的面內(nèi)(in-plane)泄漏電流和來自耗盡層邊緣部分的泄漏電流。
此外，在例如晶體管的場效應(yīng)半導(dǎo)體器件中，從半導(dǎo)體的邊緣部分沿源極至漏極的方向(溝道長度方向)產(chǎn)生泄漏電流。與此相關(guān)的，使用圖12A與12C的晶體管的頂視圖，以及圖12B與12D的晶體管的截面圖，來簡單描述來自上述耗盡層邊緣部分的泄漏電流和來自半導(dǎo)體邊緣部分的泄漏電流。
耗盡層邊緣泄漏電流對應(yīng)于來自耗盡層邊緣部分的泄漏電流，其為圖12A的晶體管頂視圖中虛線圍繞的區(qū)域中產(chǎn)生的電流，并且與晶體管的截面圖12B中的箭頭指示的方向流動的電流對應(yīng)。硅邊緣泄漏電流對應(yīng)于來自半導(dǎo)體邊緣部分的沿源極至漏極方向(溝道長度方向)的泄漏電流對應(yīng)，其為晶體管的頂視圖12C中虛線圍繞的區(qū)域中產(chǎn)生的電流，并且與晶體管的截面圖12D中的箭頭指示的方向流動的電流對應(yīng)。當絕緣體變薄時，該區(qū)域變得較其它區(qū)域更薄。因此，施加高電場而產(chǎn)生泄漏電流。硅邊緣泄漏電流取決于半導(dǎo)體的蝕刻形狀，并且是只在場效應(yīng)晶體管中產(chǎn)生的泄漏電流。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，已知在導(dǎo)體(柵電極)的平面中產(chǎn)生來自耗盡層的邊緣部分和來自半導(dǎo)體的邊緣部分的泄漏電流。但是，不可能通過泄漏路徑定量地分離柵極泄漏電流。由此，定量地改進柵絕緣膜以進行適當?shù)捻憫?yīng)是不可能的。
考慮到實際的狀況，本發(fā)明的一個目的是一種用于評估半導(dǎo)體器件的方法，其通過泄漏路徑分離柵極泄漏電流。而且，本發(fā)明的另一個目的是適當?shù)胤答佒凉ば蛑幸允沟脰沤^緣膜能夠得到定量地改進。
依照本發(fā)明的評估半導(dǎo)體器件的方法包括向具有半徑r的導(dǎo)體(柵電極)施加電壓以測量柵極泄漏電流的第一步驟，將柵極泄漏電流除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積來計算電流密度Jg的第二步驟，以及通過使用具有半徑r的倒數(shù)和電流密度Jg的公式Jg＝2A/r+B(A與B分別為常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流的第三步驟。
第一步驟是提供半導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的電位差的步驟，并優(yōu)選半導(dǎo)體的電位等于較低電位電源Vss的電位。許多情況下較低電位電源的電位是地電位(＝0V)。第二步驟中，其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積對應(yīng)于導(dǎo)體的面積πr2。因此，可使用該值πr2。第三步驟中，系數(shù)與2A和B對應(yīng)。耗盡層邊緣泄漏電流與2A成比例，面內(nèi)泄漏電流與B成比例。
依照本發(fā)明的另一種評估半導(dǎo)體器件的方法包括向?qū)w施加電壓以測量柵極泄漏電流的第一步驟，將柵極泄漏電流除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積來計算電流密度Jg的第二步驟，以及通過使用具有半導(dǎo)體的溝道寬度W和溝道長度L的倒數(shù)與電流密度Jg的公式Jg＝A/W+B/L+C(A、B與C分別為常數(shù))的系數(shù)，來計算耗盡層邊緣泄漏電流、面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流的第三步驟。
第一步驟是提供半導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的電位差的步驟，其優(yōu)選包括在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)區(qū)的電位等于較低電位電源Vss的電位。第二步驟中，其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積對應(yīng)于包括在半導(dǎo)體中的溝道形成區(qū)，并具有與溝道寬度乘以溝道長度所給出的面積W×L(W是溝道寬度，L是溝道長度)相對應(yīng)的區(qū)域。因此，可使用該值W×L。第三步驟中，系數(shù)與A、B和C對應(yīng)。耗盡層邊緣泄漏電流與A成比例，面內(nèi)泄漏電流與B成比例，硅邊緣泄漏電流與C成比例。
本發(fā)明中，半導(dǎo)體器件具有MOS結(jié)構(gòu)(半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體的疊層結(jié)構(gòu))，并且與例如MOS電容器或晶體管的器件相對應(yīng)。此外，如上所述，耗盡層邊緣泄漏電流與來自耗盡層邊緣部分的泄漏電流相對應(yīng)，面內(nèi)泄漏電流與來自柵電極平面的泄漏電流相對應(yīng)，硅邊緣泄漏電流與來自半導(dǎo)體邊緣部分的沿源極至漏極方向(溝道長度方向)的泄漏電流相對應(yīng)。


附圖中圖1A和1B分別是描述依照本發(fā)明評估半導(dǎo)體器件的方法的流程圖；圖2A和2B分別是MOS電容器的截面圖和頂視圖；圖3A和3B分別是示出MOS電容器的柵極泄漏電流密度對于電極半徑和關(guān)于電極半徑倒數(shù)的依賴關(guān)系曲線圖；圖4是示出MOS電容器的柵極泄漏電流對于絕緣膜厚度的依賴關(guān)系曲線圖；圖5A和5B是晶體管的截面圖和頂視圖；圖6A和6B分別是示出n溝道晶體管的柵極泄漏電流密度對于溝道長度和關(guān)于溝道寬度的依賴關(guān)系曲線圖；圖7A和7B分別是示出p溝道晶體管的柵極泄漏電流密度對于溝道長度和關(guān)于溝道寬度的依賴關(guān)系曲線圖；圖8A和8B分別是示出n溝道晶體管的柵極泄漏電流密度對于溝道長度的倒數(shù)和對于溝道寬度倒數(shù)的依賴關(guān)系曲線圖；圖9是示出n溝道晶體管的柵極泄漏電流對于絕緣膜膜厚度的依賴關(guān)系曲線圖；圖10A和10B分別是示出p溝道晶體管的柵極泄漏電流密度對于溝道長度倒數(shù)和對于溝道寬度倒數(shù)的依賴關(guān)系曲線圖；圖11是示出p溝道晶體管的柵極泄漏電流對于絕緣膜膜厚度的依賴關(guān)系曲線圖；和圖12A到12D是描述硅邊緣泄漏電流和耗盡層邊緣泄漏電流的圖。
具體實施例方式
(實施例模式)本發(fā)明的實施例模型將參照附圖來描述。
首先，作為具有MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，將介紹MOS電容器的例子。來自導(dǎo)體邊緣部分的泄漏電流被認為與導(dǎo)體的外圍長度成比例。在這種關(guān)系下，當包括圓形導(dǎo)體的MOS電容器具有電極半徑r和比例常數(shù)A時，來自導(dǎo)體邊緣部分的泄漏電流Ig1以Ig1＝2πr×A(公式1)來表示。同樣的，來自導(dǎo)體平面的泄漏電流Ig2以Ig2＝πr2×B(公式2)來表示。但是，在公式1和2中，通過柵絕緣膜的厚度、施加于導(dǎo)體的電壓和硅晶片襯底的摻雜密度的函數(shù)來給出比例常數(shù)A與B。因此，包括來自導(dǎo)體邊緣部分和來自導(dǎo)體平面的泄漏電流的柵極泄漏電流Ig3由公式1和公式2之和來給出，其表示為Ig3＝Ig1+Ig2＝2πr×A+πr2×B(公式3)。
從公式3中得出，以Jg＝Ig3/πr2＝2A/r+B(公式4)來表示柵極泄漏電流的電流密度Jg。接著，從公式4，得出電流密度Jg與電極半徑r的倒數(shù)成比例。因此，可從通過使用公式4所給出的線的斜率(2A)和截距(B)分別得到來自導(dǎo)體邊緣部分的泄漏電流和來自導(dǎo)體平面的泄漏電流，以擬合電流密度和電極半徑r的倒數(shù)(線性方程)之間的關(guān)系。
依照本發(fā)明的使用上述模型用于評估半導(dǎo)體器件的方法，包括如圖1A所示的三個步驟。
第一步驟中，向具有半徑r的導(dǎo)體施加電壓以測量柵極泄漏電流。這里，在半導(dǎo)體和導(dǎo)體之間提供電位差，使得半導(dǎo)體的電位等于較低電位電源Vss的電位(許多情況下為0V)，并測量向?qū)w施加電壓時流過的電流(柵極泄漏電流)。
第二步驟中，計算電流密度Jg。更具體的，柵極泄漏電流除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域的面積來計算電流密度Jg。得到其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域的面積作為導(dǎo)體的面積πr2。
第三步驟中，從具有導(dǎo)體半徑r的倒數(shù)和電流密度Jg的公式Jg＝2A/r+B(A和B分別是常數(shù))的系數(shù)，來計算耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流。更具體的，計算每個泄漏電流的電流密度的值。耗盡層邊緣泄漏電流與公式中的斜率2A成比例，面內(nèi)泄漏電流與其截距成比例。如果必要的話，可通過使用所計算的每個泄漏電流密度和其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積來計算每個泄漏電流。
下面，作為具有MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，將介紹晶體管的例子。在晶體管結(jié)構(gòu)中，柵極泄漏電流被認為在導(dǎo)體平面中、自耗盡層的邊緣部分以及自半導(dǎo)體的邊緣部分產(chǎn)生，并且面內(nèi)泄漏電流、硅邊緣泄漏電流和耗盡層邊緣泄漏電流被認為分別與導(dǎo)體面積、溝道長度和溝道寬度成比例。由于通過這些泄漏電流之和給出實際測量的柵極泄漏電流，因此用Ig5＝L×A+W×B+L×W×C(公式5)表示Ig5，其中L代表TFT的溝道長度(柵極長度)，W代表溝道寬度(柵極寬度)，比例常數(shù)A、B與C通過柵絕緣膜的厚度、溝道的摻雜密度和向?qū)w施加的電壓的函數(shù)來給出。公式5中，第一項(L×A)、第二項(W×B)和第三項(L×W×C)分別代表硅邊緣泄漏電流、耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流。從公式5中得出，由Jg＝Ig5/(L×W)＝A/W+B/L+C(公式6)來表示柵極泄漏電流的電流密度Ig。
依照本發(fā)明的使用上述模式評估半導(dǎo)體器件的方法，包括如圖1B所示的三個步驟。
第一步驟中，向?qū)w施加電壓來測量柵極泄漏電流。這里，在半導(dǎo)體和導(dǎo)體之間提供電位差，使得包含于半導(dǎo)體中的雜質(zhì)區(qū)的電位等于較低電位電源的電位，以及測量當向?qū)w施加電壓時流過的電流(柵極泄漏電流)。
第二步驟中，計算電流密度Jg。更具體的，柵極泄漏電流的值除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積，來計算電流密度Jg。第二步驟中，可使用溝道寬度乘以溝道長度而給出的面積W×L來作為其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積，以計算電流密度Jg。
第三步驟中，使用具有半導(dǎo)體的溝道寬度W和溝道長度L的倒數(shù)和電流密度Jg的公式Jg＝A/W+B/L+C(A、B與C分別為常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流、面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流。更具體的，計算每個泄漏電流的電流密度值。硅邊緣泄漏電流與公式第一項的常數(shù)A成比例，耗盡層邊緣泄漏電流與其第二項的常數(shù)B成比例，面內(nèi)泄漏電流與其第二項的常數(shù)C成比例。如果必要的話，可通過使用計算出的每一個泄漏電流的電流密度和其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積來計算每一個泄漏電流。
也可把包括上述方法的本發(fā)明應(yīng)用到通過使用非晶半導(dǎo)體或多晶半導(dǎo)體制造的任意n溝道FET和p溝道FET，其中多晶半導(dǎo)體是在單晶硅晶片襯底或玻璃襯底上結(jié)晶或淀積的。此外，可把本發(fā)明應(yīng)用于任意的具有單漏極結(jié)構(gòu)的FET、具有LDD結(jié)構(gòu)的FET和具有GOLD結(jié)構(gòu)的FET。如用于上述FET的半導(dǎo)體，除了例如硅(Si)和鍺(Ge)的簡單物質(zhì)以外，也可使用例如GaAs、InP、SiC、ZnSe與GaN的化合物半導(dǎo)體和例如SiGe與AlxGaAs1-x的合金半導(dǎo)體。作為絕緣體，可以使用例如根據(jù)熱氧化處理制造的薄膜、根據(jù)TEOS(四乙基原硅酸鹽)氣體的制造工藝制造的薄膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜的單層膜，以及單層膜組合的多層膜。作為導(dǎo)體(柵電極)，除了多晶半導(dǎo)體(p-Si)以外，也可使用包括鎢(W)、鋁(Al)、鈦(Ti)或鉭(Ta)的單層膜或單層膜組合的多層膜。
此外，n溝道FET對應(yīng)于具有其中注入了作為施主的例如磷(P)、砷或銻(Sb)的雜質(zhì)的源區(qū)、漏區(qū)和LDD區(qū)，以及其中注入了作為受主的例如硼(B)、錫(Sn)或鋁(Al)雜質(zhì)的溝道區(qū)的FET。p溝道FET對應(yīng)于具有其中注入了作為受主的例如硼、錫或鋁雜質(zhì)的源區(qū)、漏區(qū)和LDD區(qū)，以及其中注入了作為施主的例如磷、砷或銻雜質(zhì)的溝道區(qū)的FET。
(實施例1)把MOS電容器作為半導(dǎo)體器件的一個示例來描述以下通過泄漏路徑來分離MOS電容器的柵極泄漏電流的方法。
首先，將參照截面圖2A和頂視圖2B來簡單描述用來在下面評估的制造MOS電容器的方法。
最初，在p型硅晶片襯底10上(電阻為2-7Ω)，通過CVD形成氮氧化硅膜作為絕緣膜11。該絕緣膜11形成為具有20nm、30nm、40nm、50nm和80nm的每一不同厚度。接著，對于柵電極12，通過濺射來分別淀積氮化鉭(TaN)和鎢(W)為30nm與370nm的厚度。接下來，為了得到0.125mm、0.25mm和0.5mm的半徑r，使用光致抗蝕劑掩模來進行構(gòu)圖和干法蝕刻。然后，形成具有分別包括氮化鉭和鎢的兩層的柵電極12。在硅晶片襯底10的背表面上，通過濺射來淀積400nm厚度的硅化鋁(AlSi)。此后，在350℃進行熱處理用于氫退火。利用依照上述工藝制造的MOS電容器來測量柵極泄漏電流，其中硅晶片襯底10的底部接地，并向柵電極12施加0-50V的電壓。
圖3A示出了柵極泄漏電流的電流密度對于電極半徑的依賴關(guān)系，其中當向絕緣膜施加4MV/cm的電場時產(chǎn)生柵極泄漏電流，在對數(shù)刻度中，橫坐標表示電極半徑r(mm)，縱坐標表示電流密度Jg(A/μm2)。更具體的，對于對數(shù)刻度，“0.0E+00”、“5.0E-15”、“1.0E-14”、“1.5E-14”、“2.0E-14”與“2.5E-14”分別表示“0”、“5.0×10-15”、“1.0×10-14”、“1.5×10-14”、“2×10-14”與“2.5×10-14”，在隨后的曲線圖中相同。
進而，圖3A中，通過連接圓形標記(○)給出的線示出絕緣膜為20nm厚度時的結(jié)果，通過連接三角形標記(△)給出的線示出絕緣膜為30nm厚度時的結(jié)果，通過連接菱形標記(◇)給出的線示出絕緣膜為40nm厚度時的結(jié)果，通過連接矩形標記(□)給出的線示出絕緣膜為50nm厚度時的結(jié)果，通過連接交叉標記(×)給出的線示出絕緣膜為80nm厚度時的結(jié)果，其與圖3B中相同。
從圖3A中，得出隨著電極半徑變大，電流密度的增加不依賴于的絕緣膜的膜厚度。如果柵極泄漏電流主要取決于面內(nèi)泄漏電流，則電流密度不取決于電極半徑。因此，得出柵極泄漏電流包括來自電極平面以外的區(qū)域中的泄漏電流。
圖3B示出柵極泄漏電流的電流密度對于電極半徑倒數(shù)的依賴關(guān)系，其中當向絕緣膜施加4MV/cm的電場時產(chǎn)生柵極泄漏電流，在對數(shù)刻度中，橫坐標表示電極半徑的倒數(shù)1/r(mm-1)，縱坐標表示電流密度Jg(A/μm2)。
從圖3B，得出電流密度與電極半徑的倒數(shù)成正比，而不依賴于絕緣膜的膜厚度。這里，從上述的公式4中，得出當柵極泄漏電流為面內(nèi)泄漏電流和耗盡層邊緣泄漏電流之和時，電流密度與電極半徑的倒數(shù)成正比。因此，從圖3B中得出柵極泄漏電流為面內(nèi)泄漏電流和耗盡層邊緣泄漏電流之和。
接著，圖4示出在圖3B中線的斜率和截距基礎(chǔ)上，計算出的面內(nèi)泄漏電流和耗盡層邊緣泄漏電流，其中電極半徑為0.5mm，在對數(shù)刻度中，橫坐標表示絕緣膜的膜厚度(nm)，縱坐標表示電流密度Jg(A/μm2)。
從圖4中得出當絕緣膜的膜厚度為40nm或更大時，柵極泄漏電流主要取決于耗盡層邊緣泄漏電流，當絕緣膜的膜厚度為40nm或更小時，除了耗盡層邊緣電流以外還產(chǎn)生面內(nèi)泄漏電流。
柵極泄漏電流以及電流值中面內(nèi)泄漏電流對于電流值中耗盡層邊緣泄漏電流的比率根據(jù)向柵電極施加的電壓變化。
(實施例2)將TFT作為半導(dǎo)體器件的一個示例來描述以下通過泄漏路徑來分離MOS電容器的柵極泄漏電流的方法。
首先，將參照截面圖5A和頂視圖5B來簡單描述用來在下面評估中的制造TFT的方法。
最初，在玻璃襯底20上，形成厚度為150nm的氧化硅膜作為絕緣膜21，然后，在絕緣膜21上，形成50nm厚的非晶半導(dǎo)體(a-Si/非晶硅)膜。接著，在非晶半導(dǎo)體膜中添加催化劑(優(yōu)選為鎳)，并進行熱處理或激光輻照以形成結(jié)晶半導(dǎo)體膜。接著，作為溝道摻雜，在形成n溝道TFT的情況下，進行摻雜工序以向結(jié)晶半導(dǎo)體膜摻雜濃度為4×1013原子/cm2的磷，而在形成p溝道TFT的情況下，進行摻雜工序以向結(jié)晶半導(dǎo)體膜摻雜濃度為2×1013原子/cm2的硼。然后，在進行完結(jié)晶化半導(dǎo)體膜的構(gòu)圖之后，形成絕緣膜(柵絕緣膜)25。分別地將絕緣膜25形成為具有20nm、30nm、40nm、50nm和80nm的不同厚度的每一種。
然后，通過濺射分別淀積30nm厚度和370nm厚度的氮化鉭和鎢，之后，使用光致抗蝕劑掩膜以進行構(gòu)圖和干法蝕刻。接著，形成具有分別包括氮化鉭和鎢的兩層的柵電極26。接下來，為了形成源區(qū)和漏區(qū)(對應(yīng)圖5B的截面結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)區(qū)22和23)及溝道形成區(qū)24，依照絕緣膜25的膜厚度，適當?shù)馗淖兗铀匐妷?，使得在形成n溝道TFT時，進行摻雜工序以向結(jié)晶半導(dǎo)體膜摻雜濃度為3×1015至1×1016原子/cm2的磷，而適當?shù)馗淖兗铀匐妷菏沟迷谛纬蓀溝道TFT時，進行摻雜工序以向結(jié)晶半導(dǎo)體膜摻雜濃度為1×1016原子/cm2的硼。之后，在550℃進行4小時的熱處理來激活摻雜劑。
使用依照上述工序制造的晶體管來測量柵極泄漏電流，其中源區(qū)和漏區(qū)接地，在n溝道TFT的情況下向柵電極施加0到50V的電壓，而在p溝道TFT的情況下向柵電極施加0到-50V的電壓。
圖6A示出柵極泄漏電流密度對于溝道長度的依賴關(guān)系，其中當向具有8μm的溝道寬度(W)的n溝道晶體管的柵絕緣膜施加6MV/cm的電場時產(chǎn)生柵極泄漏電流，在對數(shù)刻度中，橫坐標表示溝道長度L(μm)，縱坐標表示電流密度Jg(A/μm2)。
然后，通過連接黑色菱形標記(◆)給出的線示出絕緣膜為20nm厚度時的結(jié)果，通過連接三角形標記(△)給出的線示出絕緣膜為30nm厚度時的結(jié)果，通過連接白色菱形標記(◇)給出的線示出絕緣膜為40nm厚度時的結(jié)果，通過連接矩形標記(□)給出的線示出絕緣膜為50nm厚度時的結(jié)果，通過連接圓形標記(○)給出的線示出絕緣膜為80nm厚度時的結(jié)果，其與圖6B、7A、7B、8A、8B、10A和10B中相同。
從圖6A中，得出電流密度對于溝道寬度的依賴性較低。此外，還得出其趨向不取決于絕緣膜的厚度。
圖6B示出柵極泄漏電流的電流密度對于溝道寬度的依賴關(guān)系，其中當向具有1.5μm的溝道長度(L)的n溝道晶體管的柵絕緣膜施加6MV/cm的電場時，產(chǎn)生柵極泄漏電流，在對數(shù)刻度中，橫坐標表示溝道寬度W(μm)，縱坐標表示電流密度Jg(A/μm2)。
從圖6B得出隨著溝道寬度變寬，電流密度減小。該趨向表明硅邊緣泄漏電流包含在柵極泄漏電流中。
從圖6A和6B中，得出面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流產(chǎn)生作為n溝道晶體管的柵極泄漏電流。
圖7A示出柵極泄漏電流的電流密度對于溝道長度的依賴關(guān)系，其中當向具有8μm的溝道寬度(W)的p溝道晶體管的柵絕緣膜施加6MV/cm的電場時產(chǎn)生柵極泄漏電流，在對數(shù)刻度中，橫坐標表示溝道長度L(μm)，縱坐標表示電流密度Jg(A/μm2)。
從圖7A中得出電流密度隨溝道長度變大而減小。如果柵極泄漏電流僅包括面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流，則電流密度不取決于溝道長度。因此，該結(jié)果表明柵極泄漏電流中還包括其他泄漏電流，例如耗盡層邊緣泄漏電流。
圖7B示出柵極泄漏電流密度對于溝道寬度的依賴關(guān)系，其中當向具有1.5μm的溝道長度(L)的p溝道晶體管的柵絕緣膜施加6MV/cm的電場時產(chǎn)生柵極泄漏電流，在對數(shù)刻度中，橫坐標表示溝道寬度W(μm)，縱坐標表示電流密度Jg(A/μm2)。
從圖7B得出，作為n溝道晶體管，電流密度隨溝道寬度變寬而減小。該趨向表明硅邊緣泄漏電流包含在柵極泄漏電流中。
從圖7A和7B中，可以相信，p溝道晶體管的柵極泄漏電流包括硅邊緣泄漏電流和其他泄漏電流，例如耗盡層邊緣泄漏電流。
接著，為了研究柵極泄漏電流的起因，證實密度對于溝道長度的倒數(shù)與溝道寬度的倒數(shù)的依賴性是否適合公式6。
圖8A示出n溝道晶體管的柵極泄漏電流密度對于溝道長度倒數(shù)的依賴關(guān)系。
從圖8A得出電流密度幾乎不取決于溝道長度的倒數(shù)。該結(jié)果表明來自耗盡層邊緣的泄漏電流非常小，可從公式6中排除。
圖8B示出n溝道晶體管的柵極泄漏電流密度對于溝道寬度倒數(shù)的依賴關(guān)系。
從圖8B中，在20nm厚的柵絕緣膜時，測量柵極泄漏電流的噪聲很大，其示出測量的限度。除了20nm厚的柵絕緣膜的情況，得出電流密度與溝道寬度的倒數(shù)成正比。因此，該結(jié)果表明硅邊緣泄漏電流包括在柵極泄漏電流中。此外，依照公式6，由于根據(jù)擬合的線的截距表示根據(jù)公式6的面內(nèi)泄漏電流，其不為零，因此柵極泄漏電流還包括面內(nèi)泄漏電流。
下面，在溝道長度為8μm及溝道寬度為8μm的情況下，按照圖8A或8B擬合的線得到斜率和截距，并且使用公式6來得到柵絕緣膜的厚度和電流密度之間的關(guān)系。圖9示出其結(jié)果。耗盡層邊緣泄漏電流的密度小于1×10-16A/μm2，并大大小于硅邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流的密度，因此，圖9中未示出耗盡層邊緣泄漏電流的密度。
從圖9，得出柵極泄漏電流主要包括面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流，其趨向于隨柵絕緣膜的厚度變小而增加。
下面，還是對于p溝道晶體管，以同樣的方式搜索電流密度對于溝道長度的倒數(shù)和溝道寬度的倒數(shù)的依賴關(guān)系。
圖10A示出p溝道晶體管的柵極泄漏電流密度對于溝道長度的倒數(shù)的依賴關(guān)系。從10A得出電流密度與溝道長度的倒數(shù)成正比。
圖10B示出p溝道晶體管的柵極泄漏電流的密度對于溝道寬度的倒數(shù)的依賴關(guān)系。從10B得出電流密度與溝道寬度的倒數(shù)成正比。
這些結(jié)果表明柵極泄漏電流包括硅邊緣泄漏電流和耗盡層邊緣泄漏電流。
下面，當溝道長度為8μm及溝道寬度為8μm的情況下，按照圖10A或10B擬合的線得到斜率和截距，并使用公式6來得到柵絕緣膜的厚度和電流密度之間的相關(guān)性。圖11示出其結(jié)果。
從圖11得出柵極泄漏電流包括面內(nèi)泄漏電流、硅邊緣泄漏電流和耗盡層邊緣泄漏電流。
比較圖9和圖11，得出與p溝道晶體管相比，n溝道晶體管的面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流都更大。作為該趨勢的原因，考慮如下。
在n溝道晶體管的情況下，由于在柵電極上施加正電壓，電子被感應(yīng)到柵絕緣膜和硅之間的界面，并注入到絕緣膜中。相反，在p溝道晶體管的情況下，由于在柵電極上施加負電壓，因此空穴被感應(yīng)到柵絕緣膜和硅之間的界面，并注入到絕緣膜中。由于硅與柵絕緣膜之間相對于空穴的勢壘比相對于電子的勢壘更高，假設(shè)施加給n溝道晶體管的柵極電壓的絕對值等于施加于n溝道晶體管的柵極電壓的絕對值，則電子更可能被注入。因此，由于電子更可能被注入到絕緣膜，因此在n溝道晶體管的情況下認為面內(nèi)泄漏電流是主要的。同時，由于空穴不太可能注入到絕緣膜中，因此在p溝道晶體管的情況下，認為面內(nèi)泄漏電流很小，而很可能泄漏的來自邊緣部分的泄漏電流很大。
如上所述，本發(fā)明能夠通過泄漏路徑來定量地分離柵極泄漏電流，并能夠向工序中適當?shù)胤答伿箹沤^緣膜得到定量性的改進。
盡管通過參考附圖舉例的方式全面的描述了本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說應(yīng)當理解各種改變和修改。因此，不脫離本發(fā)明以下的限定的改變和修改，都理解為包括于其中。
權(quán)利要求
1.一種評估半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包含半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體的疊層，包括向半徑為r的導(dǎo)體施加電壓以測量柵極泄漏電流；將柵極泄漏電流除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積來計算電流密度Jg；使用公式Jg＝2A/r+B(A和B分別是常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流；和通過使用公式Jg＝2A/r+B(A和B分別是常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流。
2.一種評估半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包含半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體的疊層，包括向?qū)w施加電壓以測量柵極泄漏電流；將柵極泄漏電流除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積來計算電流密度Jg；和通過使用公式Jg＝A/W+B/L+C(A、B與C分別為常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流、面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流。
3.一種評估半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包含半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體的疊層，包括使半導(dǎo)體的電位等于較低電位電源的電位，并向半徑為r的導(dǎo)體施加電壓以測量柵極泄漏電流；將柵極泄漏電流除以導(dǎo)體的面積πr2來計算電流密度Jg；使用公式Jg＝2A/r+B(A和B分別是常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流；和通過使用公式Jg＝2A/r+B(A和B分別是常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流。
4.一種評估半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包含半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體的疊層，包括使包含于半導(dǎo)體中的雜質(zhì)區(qū)的電位等于較低電位電源的電位，并向?qū)w施加電壓以測量柵極泄漏電流；將柵極泄漏電流除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積W×L(W是溝道寬度，L是溝道長度)來計算電流密度Jg；和通過使用公式Jg＝A/W+B/L+C(A、B與C分別為常數(shù))的系數(shù)來計算耗盡層邊緣泄漏電流、面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種評估包括半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件的方法。本發(fā)明具有向?qū)w施加電壓以測量電流值的第一步驟，將電流值除以其中半導(dǎo)體與導(dǎo)體交迭的區(qū)域面積來計算電流密度Jg的第二步驟，和通過使用具有半徑r的倒數(shù)和電流密度Jg的公式Jg＝2A/r+B(A和B分別是常數(shù))的系數(shù)，來計算耗盡層邊緣泄漏電流和面內(nèi)泄漏電流的第三步驟?？蛇x擇的，本發(fā)明具有第一步驟、第二步驟和另一使用具有半導(dǎo)體溝道寬度W的倒數(shù)與溝道長度L的倒數(shù)及電流密度Jg的公式Jg＝A/W+B/L+C(A、B與C分別為常數(shù))的系數(shù)，來計算耗盡層邊緣泄漏電流、面內(nèi)泄漏電流和硅邊緣泄漏電流的第三步驟。
文檔編號G01R31/26GK1580798SQ20041007667
公開日2005年2月16日 申請日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月31日
發(fā)明者本田達也, 淺野悅子 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所