專利名稱：一種用于預(yù)估m(xù)os管的閾值電壓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于預(yù)估MOS管的閾值電壓的方法。
背景技術(shù)：
金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS,Metal-Oxide-Semiconductor)器件是半導(dǎo)體器件向高密度和小尺寸發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。MOS結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS晶體管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為CM0S-1C。圖1示出了 MOS管的基本工作原理。以N型MOS管為例，當(dāng)在NMOS的金屬柵極施加相對(duì)于源極的正電壓時(shí)，柵極的正電荷在P型硅襯底上感應(yīng)出等量的負(fù)電荷，隨著Vgs的增加，襯底中接近二氧化硅氧化物層的表面處的負(fù)電荷也越多。當(dāng)Ves比較小時(shí)，柵極的正電荷還不能使硅-二氧化硅界面處積累可運(yùn)動(dòng)的電子電荷，僅形成帶固定負(fù)電荷的耗盡層。這時(shí)，雖然有漏極相對(duì)于源極的正電壓Vds的存在，但因?yàn)闆](méi)有可運(yùn)動(dòng)的電子，所以并沒(méi)有明顯的源漏電流出現(xiàn)。隨著Vffi不斷增大，耗盡層向襯底下部延伸，并有少量的電子被吸弓I到表面，形成可運(yùn)動(dòng)的電子電荷，隨著Vffi的增加，表面積累的可運(yùn)動(dòng)電子數(shù)量越來(lái)越多。當(dāng)電子積累達(dá)到一定水平時(shí)，表面處的半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子變成了電子，即相對(duì)于原來(lái)的p型半導(dǎo)體具有了 N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)，這種情況稱為表面反型。當(dāng)NMOS晶體管表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所對(duì)應(yīng)的值，稱為NMOS晶體管的閾值電壓VU閾值電壓Vt是MOS管最重要的參數(shù)之一，其將直接影響到電路的功能和產(chǎn)品的良率。影響閾值電壓的因素之一是作為介質(zhì)的二氧化硅(柵介質(zhì)層)中的電荷以及電荷的性質(zhì)。MOS晶體管中的柵介質(zhì)層通常由硅襯底在高溫下氧化形成，即形成圖1中的二氧化硅層。對(duì)于鋁柵器件，即以鋁為柵電極的MOS管而言，由于通常會(huì)在高電壓高磁場(chǎng)的等離子環(huán)境下進(jìn)行鋁濺射，因此會(huì)有大量的電荷被柵介質(zhì)層收集并且無(wú)法被導(dǎo)出。在如此制成的MOS管被投入使用時(shí)，這些電荷會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生屏蔽作用，從而影響閾值電壓。為解決這個(gè)問(wèn)題，目前業(yè)界普遍采用在經(jīng)過(guò)鋁濺射后先行制備數(shù)片用于參數(shù)測(cè)試，根據(jù)參數(shù)測(cè)試的結(jié)果來(lái)判斷目前的工藝條件是否合格。然而，采用先行片的缺點(diǎn)在于產(chǎn)品需要在線等待先行片的結(jié)果，這通常需要2 3天的時(shí)間。而每當(dāng)鋁濺射機(jī)臺(tái)進(jìn)行計(jì)劃維護(hù)或維修之后，產(chǎn)品的閾值電壓又會(huì)有漂移，這就需要重新制備先行片。眾所周知，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的電子行業(yè)，時(shí)間就是市場(chǎng)占有率，誰(shuí)贏得了先機(jī)，就能占有更大的戰(zhàn)場(chǎng)，因此使用這種傳統(tǒng)的方法將很有可能帶來(lái)巨大的損失。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于以更方便并且成本更低的方法預(yù)估MOS管的閾值電壓，從而有效地控制最終產(chǎn)品的性能以及良率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于預(yù)估MOS管的閾值電壓的方法，所述方法包括以下步驟:在制備所述MOS管之前制備測(cè)試片，所述測(cè)試片具有所述MOS管的MOS電容結(jié)構(gòu)，其中使用制備所述MOS管的同一等離子薄膜沉積工藝設(shè)備來(lái)制備所述MOS電容結(jié)構(gòu)中的柵極；測(cè)量所述測(cè)試片的C-V曲線；根據(jù)所測(cè)得的C-V曲線確定所述測(cè)試片的等離子損傷程度；以及根據(jù)所確定的等離子損傷程度預(yù)估所述MOS管的閾值電壓。優(yōu)選地，在預(yù)防保養(yǎng)或者維修所述等離子薄膜沉積工藝設(shè)備之后制備所述測(cè)試片。優(yōu)選地，所述等離子薄膜沉積工藝為物理氣相沉積工藝。在一些實(shí)施例中，所述等離子薄膜沉積工藝為磁控濺射鍍膜，并且所述等離子薄膜沉積工藝設(shè)備為磁控濺射鍍膜機(jī)臺(tái)。優(yōu)選地，制備測(cè)試片包括提供襯底、在所述襯底上沉積柵介質(zhì)層并且通過(guò)等離子薄膜沉積工藝在所述柵介質(zhì)層上制備所述柵極。優(yōu)選地，所述柵介質(zhì)層的厚度在0-1000 A的范圍內(nèi)，所述柵極的厚度也在0 1000 A的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述柵介質(zhì)層由二氧化硅SiO2制成，并且其中所述柵極由金屬鋁制成。本發(fā)明還提供了制備MOS管的方法，所述方法包括:使用上述任意一種方法預(yù)估所述MOS管的閾值電壓；根據(jù)預(yù)估得到的閾值電壓判斷將用于制備所述MOS管的工藝條件是否合格；在所述工藝條件合格的情況下制備所述MOS管。本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)的通過(guò)制備具有MOS管產(chǎn)品最終結(jié)構(gòu)的先行片來(lái)評(píng)估工藝條件的方法。根據(jù)本發(fā)明所提供的方法，通過(guò)分析等離子薄膜沉積工藝對(duì)僅包括MOS電容結(jié)構(gòu)的測(cè)試片造成的損傷來(lái)預(yù)估MOS管產(chǎn)品的閾值電壓將大大縮短生產(chǎn)線的循環(huán)時(shí)間，從而有利于生廣商搶占市場(chǎng)，提聞經(jīng)濟(jì)效益。


以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。其中:圖1示出了 MOS管的基本工作原理。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的測(cè)試片的結(jié)構(gòu)。圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例預(yù)估MOS管的閾值電壓的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更加明顯易懂，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明。需要說(shuō)明的是，附圖中的各結(jié)構(gòu)只是示意性的而不是限定性的，以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠最佳地理解本發(fā)明的原理，其不一定按比例繪制。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的測(cè)試片200的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，不同于包括完整的MOS管結(jié)構(gòu)的先行片，測(cè)試片200僅包括襯底203、柵介質(zhì)層202以及金屬柵極201。對(duì)比圖1可以看出，測(cè)試片200包括了 MOS管中最基本的MOS電容結(jié)構(gòu)，其中包括了會(huì)對(duì)MOS管的閾值電壓產(chǎn)生很大影響的柵介質(zhì)層。以金屬柵極的材料為鋁的鋁制柵極MOS管為例，在制備測(cè)試片200時(shí)首先提供襯底203，其可以是P型或者N型半導(dǎo)體硅襯底。然后，可以例如通過(guò)對(duì)襯底203進(jìn)行熱氧化操作在該襯底上形成具有目標(biāo)厚度的柵氧化層作為柵介質(zhì)層202。最后，在所述柵氧化層表面鍍敷金屬鋁膜，這通常可以使用物理氣相沉積方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如真空蒸鍍、濺射鍍膜、電弧等離子體鍍等等。以磁控濺射鍍膜為例，將測(cè)試片200的襯底及柵介質(zhì)層部分置于真空腔室中，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同作用下使高能等離子體轟擊鋁靶材表面，使濺出的鋁原子沉積在柵介質(zhì)層表面，由此形成鋁膜。由于處在高電壓高磁場(chǎng)的等離子氛圍中，靠近測(cè)試片200表面的空間電荷將進(jìn)入柵介質(zhì)層202，導(dǎo)致大量電荷將滯留在該層中，對(duì)其造成等離子損傷。對(duì)于通過(guò)上述工藝過(guò)程制備的MOS管而言，這種等離子損傷將使得其閾值電壓產(chǎn)生偏移。根據(jù)本發(fā)明的方法，只需要在上述測(cè)試片200的基礎(chǔ)上進(jìn)行測(cè)量和分析就可以對(duì)閾值電壓的偏移進(jìn)行預(yù)估，而不需要做出完整的MOS管產(chǎn)品。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠清楚地認(rèn)識(shí)到，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)估MOS管閾值電壓的目的，制備測(cè)試片200所使用所有工藝流程及相應(yīng)的設(shè)備都與制備MOS管中的對(duì)應(yīng)部分所采用的工藝流程及設(shè)備完全一致，而上述工藝步驟也是制備相應(yīng)的MOS管所需要的流程。在MOS管的制備過(guò)程中，可以例如用磁控濺射鍍膜機(jī)臺(tái)(Metal Sputter)來(lái)實(shí)現(xiàn)柵極金屬膜的鍍敷。因此，在一些實(shí)施例中，可以選擇在預(yù)防保養(yǎng)或者維修該磁控濺射鍍膜機(jī)臺(tái)之后制備所述測(cè)試片以進(jìn)行測(cè)試分析，從而每次在這樣的情況下對(duì)將要制備的MOS管的閾值電壓進(jìn)行重新估計(jì)。在實(shí)踐中，鋁制柵極MOS管的柵介質(zhì)層通常在鋁濺射過(guò)程中直接暴露在等離子環(huán)境下，因此尤其適用本發(fā)明所提供的方法。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解的是本發(fā)明的方法也適用于對(duì)其他采用相似工藝制備的并且具有相似結(jié)構(gòu)的MOS管的閾值電壓進(jìn)行預(yù)估。下面結(jié)合圖3所示的流程圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明所提供的方法。如圖3所示，首先在步驟S301中制備測(cè)試片，所述測(cè)試片根據(jù)上文中相對(duì)于圖2所描述的工藝流程來(lái)制備并且具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)。然后在步驟S303中，對(duì)該測(cè)試片進(jìn)行C-V曲線測(cè)量。從圖2中可以清楚的看到，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)試片具有MOS電容的結(jié)構(gòu)，因此可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種方法來(lái)測(cè)量它的C-V曲線。所述C-V測(cè)量方法可以例如是交流阻抗電容測(cè)量方法，其中通過(guò)在測(cè)試片兩端加載交流電壓并測(cè)量產(chǎn)生的交流電流和相位來(lái)測(cè)量測(cè)試片的交流阻抗，而接著根據(jù)所測(cè)得的交流阻抗和相位計(jì)算得到測(cè)試片的容抗，最后根據(jù)容抗和測(cè)試頻率計(jì)算出相應(yīng)的電容值，由此得到測(cè)試片的C-V曲線。在步驟S305中，根據(jù)實(shí)際測(cè)得的C-V曲線來(lái)確定例如磁控濺射的等離子工藝對(duì)測(cè)試片的柵介質(zhì)層造成的損傷。舉例來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)所測(cè)得的C-V曲線相對(duì)于理想C-V曲線的漂移或畸變程度來(lái)確定。在步驟S307中，基于所確定的等離子損傷程度來(lái)確定MOS產(chǎn)品的閾值電壓。舉例來(lái)說(shuō)，可以將所確定的等離子損傷程度計(jì)入MOS產(chǎn)品的理想閾值電壓，由此得到將制備的MOS管的閾值電壓的估計(jì)值。所述理想閾值電壓可以例如是經(jīng)驗(yàn)值或者是前次得到的產(chǎn)品的實(shí)際閾值電壓?？梢岳缭趯?duì)磁控濺射鍍膜機(jī)臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行預(yù)防保養(yǎng)或維修之后執(zhí)行圖3所示的流程，從而根據(jù)預(yù)估得到的閾值電壓來(lái)判斷將用于制備所述MOS管的工藝條件是否合格。在所述工藝條件合格的情況下制備所述MOS管可以大大提高產(chǎn)品性能的可靠性。以上列舉了若干具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)闡明本發(fā)明，這些個(gè)例僅供說(shuō)明本發(fā)明的原理及其實(shí)施方式之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還可以做出各種變形和改進(jìn)。因此所有等同的技術(shù)方案均應(yīng)屬于本發(fā)明的范疇并為本發(fā)明的各項(xiàng)權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于預(yù)估MOS管的閾值電壓的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 在制備所述MOS管之前制備測(cè)試片，所述測(cè)試片具有所述MOS管的MOS電容結(jié)構(gòu)，其中使用制備所述MOS管的同一等離子薄膜沉積工藝設(shè)備來(lái)制備所述MOS電容結(jié)構(gòu)中的柵極； 測(cè)量所述測(cè)試片的C-V曲線； 根據(jù)所測(cè)得的C-V曲線確定所述測(cè)試片的等離子損傷程度；以及 根據(jù)所確定的等離子損傷程度預(yù)估所述MOS管的閾值電壓。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中在預(yù)防保養(yǎng)或者維修所述等離子薄膜沉積工藝設(shè)備之后制備所述測(cè)試片。
3.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述等離子薄膜沉積工藝為物理氣相沉積工藝。
4.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述等離子薄膜沉積工藝為磁控濺射鍍膜，并且所述等離子薄膜沉積工藝設(shè)備為磁控濺射鍍膜機(jī)臺(tái)。
5.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中制備測(cè)試片包括提供襯底、在所述襯底上沉積柵介質(zhì)層并且通過(guò)等離子薄膜沉積工藝在所述柵介質(zhì)層上制備所述柵極。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中所述柵介質(zhì)層的厚度在0 1000人的范圍內(nèi)。
7.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中所述柵極的厚度在0 1000人的范圍內(nèi)。
8.按權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，其中所述柵介質(zhì)層由二氧化硅SiO2制成，并且其中所述柵極由金屬鋁制成。
9.一種制備MOS管的方法，其特征在于，所述方法包括: 使用權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的方法預(yù)估所述MOS管的閾值電壓； 根據(jù)預(yù)估得到的閾值電壓判斷將用于制備所述MOS管的工藝條件是否合格； 在所述工藝條件合格的情況下制備所述MOS管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于預(yù)估MOS管的閾值電壓的方法，所述方法包括以下步驟在制備所述MOS管之前制備測(cè)試片，所述測(cè)試片具有所述MOS管的MOS電容結(jié)構(gòu)，其中使用制備所述MOS管的同一等離子薄膜沉積工藝設(shè)備來(lái)制備所述MOS電容結(jié)構(gòu)中的柵極；測(cè)量所述測(cè)試片的C-V曲線；根據(jù)所測(cè)得的C-V曲線確定所述測(cè)試片的等離子損傷程度；以及根據(jù)所確定的等離子損傷程度預(yù)估所述MOS管的閾值電壓。通過(guò)本發(fā)明的方法可以大大縮短鋁制柵極MOS管生產(chǎn)線的循環(huán)時(shí)間，從而有利于生產(chǎn)商搶占市場(chǎng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)H01L21/66GK103094144SQ201110358329
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者王者偉, 曾令旭, 牟亮偉, 黃兆興 申請(qǐng)人:無(wú)錫華潤(rùn)上華科技有限公司