專利名稱：無襯底引出半導(dǎo)體器件的柵介質(zhì)層陷阱密度的測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的可靠性測試方法，特別涉及針對無襯底引出的半導(dǎo)體器 件(例如圍柵器件)，測試其柵介質(zhì)層中陷阱密度的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件是制造電子產(chǎn)品的重要元件。半導(dǎo)體器件的更新?lián)Q代推進(jìn)了半導(dǎo)體技 術(shù)的發(fā)展和半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)步，特別是對中央處理器CPU和存儲(chǔ)器的性能提升。從上世紀(jì) 末開始，芯片制造工藝發(fā)展十分迅速，先后從微米級(jí)別，一直發(fā)展到今天小于32nm的技術(shù)。在光刻技術(shù)提升有限，且先進(jìn)光刻技術(shù)無法達(dá)到批量生產(chǎn)目的的背景下，不斷減 小最小圖形實(shí)現(xiàn)能力意味著成本的不斷提高和成品率的下降。目前，以45nm平面管工藝為 例，該技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了工藝的極限，會(huì)引入嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)，致使器件的關(guān)態(tài)電流增大、 跨導(dǎo)減小等。提升半導(dǎo)體器件的柵控制能力已經(jīng)成為目前的研究重點(diǎn)，而圍柵器件則是可 以達(dá)到優(yōu)秀的柵控能力、緩解短溝道效應(yīng)的重要器件之一。同時(shí)，在一個(gè)新工藝投入使用時(shí)，這種工藝所制造的半導(dǎo)體器件的柵介質(zhì)可靠性 測試也是十分重要的課題。半導(dǎo)體器件柵介質(zhì)層中的電子、空穴陷阱，即某些懸掛鍵或者說 是缺陷，會(huì)導(dǎo)致器件的閾值電壓漂移，開態(tài)電流減小，產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)/正偏壓溫度不穩(wěn)定性 (NBTI/PBTI)，同時(shí)增大柵漏電流，降低了器件的使用可靠性和使用壽命，因此針對介質(zhì)層 中的陷阱的研究測試可以為器件制造提供優(yōu)化方案，同時(shí)針對陷阱的可靠性測試也是表征 器件工作壽命的重要方式之一。針對傳統(tǒng)平面管器件的較為準(zhǔn)確的陷阱測試方法主要是電荷泵測試，這種測試要 求器件必須有襯底信號(hào)引出；而新型的器件，例如圍柵器件，只有柵、源、漏三端引出，所以 經(jīng)典的電荷泵測試無法應(yīng)用在無襯底引出的器件上。目前，針對圍柵器件其獨(dú)有的三維環(huán) 繞型柵介質(zhì)陷阱情況的測試，業(yè)已成為集成電路制造中關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的空白，針對無襯底引出的半導(dǎo)體器件提供一種簡 便有效的柵介質(zhì)陷阱測試方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種無襯底引出半導(dǎo)體器件的柵介質(zhì)層陷阱密度的測試方法，所述半導(dǎo)體器件的 源端和漏端相對于溝道的中心線呈左右對稱結(jié)構(gòu)，將半導(dǎo)體參數(shù)測試儀的探針分別與器 件的柵、源端和漏端連接，其中測試儀連接源端和漏端的探針及電纜連接線也是左右對稱 的(即兩根探針及電纜連接的長度相等且形狀、結(jié)構(gòu)對稱)；首先控制半導(dǎo)體器件柵、源端 和漏端的偏壓設(shè)置，使器件保持在一個(gè)不形成反型層且柵介質(zhì)層陷阱不限制電荷的初始狀 態(tài)；然后依次重復(fù)進(jìn)行下述步驟1) ；3)，形成循環(huán)，同時(shí)在源端和漏端檢測直流電流1)改變偏壓設(shè)置并持續(xù)Tl時(shí)間，使多數(shù)載流子通過源端和漏端送入溝道，溝道產(chǎn) 生反型層，且部分反型層載流子被柵介質(zhì)層陷阱限制；
2)改變偏壓設(shè)置并持續(xù)T2時(shí)間，使反型層載流子分別引回源端和漏端，但已經(jīng)被 柵介質(zhì)層陷阱限制住的載流子不流回溝道；3)改變偏壓設(shè)置并持續(xù)T3時(shí)間，使被柵介質(zhì)層陷阱限制的載流子僅通過漏端流 出；最后，根據(jù)下述公式計(jì)算柵介質(zhì)層陷阱密度Qt Qt = ^~‘LJzqFWL上式中，Is為源端直流電流；Id為漏端直流電流；W為器件的溝道寬度；L為器 件的溝道長度；q為單位電荷電量，Q= 1.62X10_19庫侖；F為循環(huán)的周期頻率，F(xiàn)= 1/ (T1+T2+T3)。優(yōu)選的，上述方法中，所述初始狀態(tài)時(shí)柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置分別為VgO、VsO 和 Vdl，其中 VgO = VsO = 0 0. 1VDD, Vdl = (0. 5 0. 75) VDD。優(yōu)選的，上述步驟1)中Tl = 50-100微秒；柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置分別為Vgl、 VsO 和 VdO，其中 Vgl = (0. 9 1)VDD，VsO = VdO = 0 0. 1VDD,同時(shí)要求 VdO 與初始狀 態(tài)設(shè)置的VgO相同；優(yōu)選的，上述步驟2)中T2 = 5-10微秒；柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置分別為VgO、 Vsx, Vdx，其中 VgO < Vsx, 0 < Vsx < 0. 1VDD, Vdx = Vsx。優(yōu)選的，上述步驟幻中T3 = 100-200微秒；柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置分別為 VgO、VsO 和 Vdl，其中 VgO = VsO = 0 0. 1VDD, Vdl = (0. 5 0. 75) VDD。本發(fā)明所提供的半導(dǎo)體器件柵介質(zhì)層陷阱的測試方法能夠非常簡便而且有效的 測試出器件柵介質(zhì)的質(zhì)量情況，得出柵介質(zhì)各種不同材料、不同工藝下的陷阱分布情況，要 求設(shè)備簡單，且不損壞被測器件，測試成本低廉；且測試快速，在短時(shí)間內(nèi)即可得到器件柵 介質(zhì)陷阱分布，適于大批量自動(dòng)測試；操作與經(jīng)典的可靠性測試(電荷泵)兼容，簡單易操 作，非常適用于新一代圍柵器件制造過程中的工藝監(jiān)控和成品質(zhì)量檢測，同時(shí)，也適用于其 他無襯底引出器件。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例所測試的圍柵器件的剖面圖。圖2為半導(dǎo)體參數(shù)測試儀與器件連接關(guān)系示意圖。圖3a為實(shí)施例測試前初始狀態(tài)，圍柵器件剖面所處狀態(tài)示意圖。圖北為實(shí)施例測試時(shí)序1時(shí)器件中的電子流動(dòng)方向示意圖。圖3c為實(shí)施例測試時(shí)序2時(shí)器件中的電子流動(dòng)方向示意圖。圖3d為實(shí)施例測試時(shí)序3時(shí)器件中的電子流動(dòng)方向示意圖。圖4為實(shí)施例測試時(shí)序3時(shí)N型圍柵器件的能帶與電子流向示意圖。圖1 圖4中1-被測器件；2-測試儀器；3-源端接觸電纜和探針；4-漏端接觸電纜和探針； 101-源端；102-漏端；103-溝道；104-柵介質(zhì)層；105-柵；106-對稱中心線；107-柵介質(zhì) 陷阱；108-由源端提供，被靠近源端一側(cè)的柵介質(zhì)陷阱限制住的載流子；109-由漏端提供， 被靠近漏端一側(cè)的柵介質(zhì)陷阱限制住的載流子；110-由源端多數(shù)載流子形成的反型層；111-由漏端多數(shù)載流子形成的反型層；112-導(dǎo)帶；113-價(jià)帶；114-電子流動(dòng)方向。圖5為實(shí)施例在器件柵、源端、漏端施加電壓邏輯圖和這三端對應(yīng)的電流輸出情 況示意圖，其中A為柵電壓偏置時(shí)序圖；B為漏端電壓偏置時(shí)序圖；C為源漏電壓偏置時(shí)序 圖；D為源端電流Is時(shí)序示意圖；E為漏端電流Id時(shí)序示意圖。圖 5 中:501-Vgl ；502-Vg0 ；503-Vdl ；504_Vd0 ；505-Vdx ；506_Vs0 ；507-Vsx ； 508-+Ql+Q2(“ + ”代表流入此端，“-”代表流出此端，下同)；509—Q2 ；510-+Q3+Q4 ；511—Q4 ； 512—Q1-Q3。
具體實(shí)施例方式下面以圍柵結(jié)構(gòu)的器件為例詳細(xì)描述本發(fā)明的方法，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解，本發(fā)明的柵介質(zhì)陷阱測試方法同樣適用于其他無襯底引出器件。圍柵器件的剖面圖如圖1所示，該器件的源端101和漏端102以溝道103 —半處 為中心線106呈左右對稱結(jié)構(gòu)，環(huán)繞型的柵105通過柵介質(zhì)層104與源101、漏102和溝道 103隔離。將半導(dǎo)體參數(shù)測試儀2的三個(gè)測試探針分別連接到該圍柵器件1的柵、源端和漏 端，其中連接源端和漏端的兩個(gè)探針及其電纜連接線3和4的長度和形成保持左右對稱，如 圖2所示。針對對該圍柵器件進(jìn)行柵介質(zhì)陷阱密度的測試，步驟如下1)初始狀態(tài)分別將探針A、探針B、探針C連接到圍柵器件的柵、源端、漏端后，將探針A、探針 B、探針C的偏壓設(shè)定為VgO、VsO和Vdl，如圖5中所標(biāo)記的初始狀態(tài)位置偏壓設(shè)置所示。初始狀態(tài)要求探針B和探針C的電纜連接線長度和形狀保持對稱，測試儀器到被 測試圍柵器件中心結(jié)構(gòu)要對稱。這里，VgO和VsO可以取為地信號(hào)，即零偏壓，或者可以取本圍柵器件關(guān)態(tài)工作電 壓VSS，但保證此時(shí)VgO = VsO ；Vdl可以取大于器件開態(tài)工作電壓(VDD) —半的值，比如 2/3VDD，此時(shí)器件內(nèi)部狀態(tài)如圖3a所示溝道103區(qū)域?yàn)闊o反型層；同時(shí)柵介質(zhì)層104絕大 多數(shù)電荷陷阱被排空，即無源漏內(nèi)的多數(shù)載流子被柵介質(zhì)陷阱107捕獲。2)時(shí)序1過程通過儀器自動(dòng)控制，將探針A、探針C端口電壓同時(shí)改變至Vgl、VdO，探針B保持不 變，如圖5中所標(biāo)記的時(shí)序1狀態(tài)偏壓設(shè)置所示。Vgl可以取VDD，VdO可以取取本圍柵器件關(guān)態(tài)工作電壓VSS或者零偏壓，同時(shí)要 確保VdO與VgO相同。此時(shí)器件內(nèi)部的載流子形成反型層，一段很短的時(shí)間后，在電場的作 用下，載流子被柵介質(zhì)層陷阱捕獲。這里，反型層載流子來源于源端和漏端，即探針B和探針C，因?yàn)橐呀?jīng)在初始狀態(tài) 將測試儀器到探針B和探針C的通路設(shè)計(jì)為嚴(yán)格對稱，所以反型層一半來源于源端，即探針 B ；另外一半來源于漏端，即探針C。由于電子/空穴陷阱的性質(zhì)，認(rèn)為在柵壓Vgl形成的垂 直電場作用下填充源端側(cè)面陷阱的載流子108來源于源端所提供的反型層，而填充漏端側(cè) 面陷阱的載流子109來源于漏端所提供的反型層。這兩部分被陷阱限制住的電荷量分別為 Ql和Q3。由于對稱性，可認(rèn)為Ql Q3，如圖3b所示。時(shí)序1持續(xù)一段時(shí)間Tl，Tl與柵介質(zhì)層104材料、厚度和溝道103長度相關(guān)，大約 為50-100微秒，達(dá)到圖北所示狀態(tài)，積累層區(qū)域穩(wěn)定，積累層中由源端101所提供的部分(即由源端多數(shù)載流子形成的反型層110)電荷量為Q2 ；而由漏端102所提供的部分(即由 漏端多數(shù)載流子形成的反型層111)電荷量為Q4。由于對稱性，可認(rèn)為Q2 Q4，如圖北所示。3)時(shí)序2過程通過儀器自動(dòng)控制，將探針A、探針B、探針C端口電壓同時(shí)改變至VgO、Vsx、Vdx， 保證VgO < Vsx = Vdx < 1/10VDD。如圖5中所標(biāo)記的時(shí)序3狀態(tài)偏壓設(shè)置所示。此時(shí)反型層110和111的電荷Q2、Q4在VgO、VSx、Vdx的作用下分別被反向抽取回 源端101和漏端102。此時(shí)序時(shí)間T2極短，約為5-10微妙。Ql和Q3這兩部分載流子由于 無強(qiáng)場趨勢，所以沒有足夠的時(shí)間逃離被限制狀態(tài)，仍保存在陷阱中。視圍柵器件尺寸和開 啟電壓VDD而定。圍柵內(nèi)反型層載流子和被陷阱限制部分載流子分布和走勢圖如圖3c所示。4)時(shí)序3過程通過儀器自動(dòng)控制，將探針A、探針B、探針C端口電壓同時(shí)改變至VgO、Vdl、* VsO，具體偏壓設(shè)置同初始狀態(tài)，此時(shí)由于Vdl的作用，柵介質(zhì)層中陷阱所限制住的載流子 將跳出被限制狀態(tài)，進(jìn)入溝道103形成溝道自由載流子，在漏端電壓作用下返回漏端102， 這部分載流子的電荷量將為Q1+Q3。此過程保持一定的時(shí)間T3，T3約為100-200微秒，同 樣視圍柵器件的尺寸和介質(zhì)層材料而定。如圖3d所示。圖4說明了時(shí)序3的能帶(導(dǎo)帶112和價(jià)帶113)結(jié)構(gòu)和被陷阱限制載流子逃脫 陷阱控制后的走向114。在圖4中假設(shè)圍柵器件為N型器件，多數(shù)載流子為電子，但本發(fā)明 不僅限于N型器件?；卯?dāng)時(shí)序3進(jìn)行完畢，儀器系統(tǒng)自動(dòng)控制重復(fù)時(shí)序1、時(shí)序2、時(shí)序3，形成循環(huán)， 同時(shí)探針B、探針C記錄直流電流輸出情況，即對所得的交流電流在一個(gè)比較大的時(shí)間范圍 (如500毫秒)內(nèi)進(jìn)行平均。這樣，在時(shí)序1、時(shí)序2、時(shí)序3這樣一個(gè)周期內(nèi)，流經(jīng)源端(探針B)的多數(shù)載流子 數(shù)量為(注“ + ”代表流入，“_”代表流出)+01 +02 —020+Ql時(shí)序1 時(shí)序2 時(shí)序3 —個(gè)周期流經(jīng)漏端(探針C)的多數(shù)載流子數(shù)量為±Q3 1-Q4-Q1-Q3=Ql時(shí)序1 時(shí)序2 時(shí)序3 —個(gè)周期所以，在一個(gè)周期內(nèi)，漏端/源端所能監(jiān)控到的凈電荷量為Q1。當(dāng)形成多個(gè)周期后，漏端/源端可以得到一個(gè)平均后的直流電流值，可以表示為 如下公式I Is = I Id = IqXQlXFF = 1/(T1+T2+T3)其中Is為源端直流電流，Id為漏端直流電流，Ql為由源端提供的被圍柵器件的 一半柵介質(zhì)層陷阱限制住的載流子數(shù)量，F(xiàn)為周期頻率，q為單位電荷電量，q = 1. 62 X 10_19 庫侖。假設(shè)單位介質(zhì)層陷阱密度為Qt，那么可以通過監(jiān)控Tl、T2、T3、Is、Id，且利用已知參 數(shù)圍柵器件溝道寬度W、圍柵器件溝道長度L和常量q來表示，如下
Qt 二 Vl 1 1qFWL其中將Id和Is的絕對值做平均是為了取出參數(shù)提取中的誤差。上述實(shí)施例針對圍柵器件給出了柵介質(zhì)陷阱密度的測試方法，該方法同樣適用于 其他無襯底引出半導(dǎo)體器件，如超薄體SOI器件(UTBSOI)的柵介質(zhì)質(zhì)量檢測。
權(quán)利要求
1.一種無襯底引出半導(dǎo)體器件的柵介質(zhì)層陷阱密度的測試方法，所述半導(dǎo)體器件的源 端和漏端相對于溝道的中心線呈左右對稱結(jié)構(gòu)，將半導(dǎo)體參數(shù)測試儀的探針分別與器件的 柵、源端和漏端連接，并使測試儀連接源端和漏端的探針及電纜連接線左右對稱；首先控制 半導(dǎo)體器件柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置，使器件處于不形成反型層且柵介質(zhì)層陷阱不限制 電荷的初始狀態(tài)；然后依次重復(fù)進(jìn)行下述步驟1) ；3)，形成循環(huán)，同時(shí)在源端和漏端檢測 直流電流1)改變偏壓設(shè)置并持續(xù)Tl時(shí)間，使多數(shù)載流子通過源端和漏端送入溝道，溝道產(chǎn)生反 型層，且部分反型層載流子被柵介質(zhì)層陷阱限制；2)改變偏壓設(shè)置并持續(xù)T2時(shí)間，使反型層載流子分別引回源端和漏端，但已經(jīng)被柵介 質(zhì)層陷阱限制住的載流子不流回溝道；3)改變偏壓設(shè)置并持續(xù)T3時(shí)間，使被柵介質(zhì)層陷阱限制的載流子僅通過漏端流出；最 后，根據(jù)下述公式計(jì)算柵介質(zhì)層陷阱密度Qt OtJm^qFWL上式中，Is為源端直流電流；Id為漏端直流電流；W為器件的溝道寬度；L為器件的溝 道長度；q為單位電荷電量，q= 1.62 X 10_19庫侖；F為循環(huán)的周期頻率，F(xiàn) = 1/(T1+T2+T3)。
2.如權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述初始狀態(tài)時(shí)，柵、源端和漏端的偏 壓設(shè)置分別為 VgO, VsO 和 Vdl，其中 VgO = VsO = 0 0. 1VDD, Vdl = (0. 5 0. 75) VDD。
3.如權(quán)利要求2所述的測試方法，其特征在于，所述步驟1)柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置 分別為 Vgl、VsO 和 VdO，其中 Vgl = (0. 9 1)VDD，VsO = VdO = 0 0. 1VDD，且 VdO 與初 始狀態(tài)設(shè)置的VgO相同。
4.如權(quán)利要求2所述的測試方法，其特征在于，所述步驟幻柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置 分別為 VgO、Vsx、Vdx，其中 VgO < Vsx,0 < Vsx < 0. 1VDD, Vdx = Vsx。
5.如權(quán)利要求2所述的測試方法，其特征在于，所述步驟；3)柵、源端和漏端的偏壓設(shè)置 分別為 VgO, VsO 和 Vdl，其中 VgO = VsO = 0 0. 1VDD, Vdl = (0. 5 0. 75) VDD。
6.如權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述步驟1)中Tl= 50-100微秒。
7.如權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述步驟2)中T2= 5-10微秒。
8.如權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于，所述步驟幻中T3= 100-200微秒。
全文摘要
本發(fā)明提供了無襯底引出半導(dǎo)體器件的柵介質(zhì)層陷阱密度的測試方法。所述器件的源漏左右對稱，測試儀連接源漏的探針及電纜左右對稱，首先控制柵、源、漏的偏壓設(shè)置使器件處于不形成反型層且柵介質(zhì)層陷阱不限制電荷的初始狀態(tài)，然后通過改變偏壓設(shè)置依次循環(huán)進(jìn)行下述步驟1)將載流子通過源漏送入溝道產(chǎn)生反型層，且部分載流子被柵介質(zhì)層陷阱限制；2)將反型層載流子分別引回源漏，但被柵介質(zhì)層陷阱限制住的載流子不流回溝道；3)使柵介質(zhì)層陷阱限制的載流子僅通過漏端流出；根據(jù)循環(huán)周期、器件溝道尺寸和源漏直流電流計(jì)算出柵介質(zhì)層陷阱密度。該方法簡便有效，設(shè)備簡單，成本低廉，適用于無襯底引出器件，特別是圍柵器件的柵介質(zhì)層陷阱測試。
文檔編號(hào)G01N27/60GK102053114SQ20101052876
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者樊捷聞, 王潤聲, 艾玉杰, 鄒積彬, 黃如 申請人:北京大學(xué)