本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種氟注入工藝穩(wěn)定性測(cè)試方法，用于提升氟注入工藝穩(wěn)定性和器件的長(zhǎng)期可靠性。

背景技術(shù)：

高電子遷移率晶體管hemt器件的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處，存在高濃度、高遷移率的二維電子氣，在沒加任何外界電壓偏置的時(shí)候處于導(dǎo)通狀態(tài)，這種hemt器件稱為耗盡型hemt器件。利用這些特性制作的器件在制備高頻率、大功率電子器件等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。然而，因降低靜態(tài)功耗、實(shí)現(xiàn)高速邏輯電路等需求，往往還需要增強(qiáng)型hemt器件，確保在無外界偏壓下，器件的溝道處于關(guān)斷狀態(tài)。

目前，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型hemt器件的方法有多種，其中氟注入方法因具有制作工藝簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好、損傷小，且與常規(guī)耗盡型hemt器件的制作工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為增強(qiáng)型hemt器件的重要實(shí)現(xiàn)方法。其原理是，按照設(shè)計(jì)要求將氟離子通過半導(dǎo)體工藝注入到柵極下方的勢(shì)壘層內(nèi)，強(qiáng)負(fù)電性的氟離子會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的二維電子氣產(chǎn)生耗盡作用，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型hemt器件。

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，勢(shì)壘層內(nèi)的氟離子在外界應(yīng)力(如電場(chǎng))條件下不穩(wěn)定，使得器件性能退化。對(duì)于器件退化的原因，一種重要的解釋是勢(shì)壘層內(nèi)的氟離子在長(zhǎng)時(shí)間高電場(chǎng)作用下失去電子變?yōu)殡娭行?，?duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的二維電子氣產(chǎn)生耗盡作用減弱，因此使得器件閾值電壓等參數(shù)變化，這一過程稱為氟離子的離化。影響氟離子離化的原因有多種，包括氟注入工藝條件以及所加的外界應(yīng)力等，因此，科學(xué)地評(píng)估不同氟注入工藝的穩(wěn)定性，尤其是在高工作電壓下的穩(wěn)定性，對(duì)于優(yōu)化氟注入工藝，制備出高性能的氟注入增強(qiáng)型器件有重要的幫助。

到目前為止，對(duì)于勢(shì)壘層內(nèi)氟離子在電場(chǎng)下的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)仍然缺乏研究。隨著第三代半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，對(duì)于器件的穩(wěn)定性要求越來越高。因此，需要一種有效的測(cè)試方法，評(píng)估不同氟注入工藝在高電場(chǎng)下的穩(wěn)定性，從而篩選出最佳的氟注入工藝，提升氟注入工藝質(zhì)量及器件的長(zhǎng)期可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對(duì)上述問題，提出了一種基于電容結(jié)構(gòu)的氟注入工藝穩(wěn)定性測(cè)試方法，通過對(duì)高場(chǎng)下勢(shì)壘層內(nèi)氟離子的分布進(jìn)行表征，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氟注入工藝穩(wěn)定性的評(píng)估。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

(1)制作氟注入工藝電容：

在自下而上依次為襯底、成核層、緩沖層、插入層和勢(shì)壘層的半導(dǎo)體材料上淀積金屬電極，經(jīng)過退火制備出歐姆電極；在勢(shì)壘層內(nèi)注入氟離子，并在氟離子的位置上淀積金屬電極，制備出柵電極；該柵電極與歐姆電極形成電容結(jié)構(gòu)；

(2)在電容的柵電極上施加不同的電壓測(cè)試出電容的電容值，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制氟注入電容的cv特性曲線，通過cv特性曲線得到電容的平帶電壓vfb(t0)，其中t0為初始時(shí)刻，t0＝0；

(3)施加應(yīng)力并測(cè)量電容的平帶電壓：

(3a)對(duì)電容的柵電極施加反向應(yīng)力，施加應(yīng)力的時(shí)長(zhǎng)為t，同時(shí)監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)該電容歐姆電極的電流i1(t)和柵電極的電流i2(t)；

(3b)根據(jù)電流和電荷量的關(guān)系，計(jì)算在施加應(yīng)力時(shí)長(zhǎng)為t時(shí)，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子的電量分別為：

(3c)停止施加應(yīng)力，在電容c的柵電極上施加不同的電壓，測(cè)量得到電容的電容值，繪制氟注入電容的cv特性曲線，根據(jù)電容的cv特性曲線得到施加應(yīng)力后電容的平帶電壓vfb(t)；

(3d)多次改變施加應(yīng)力的時(shí)長(zhǎng)，重復(fù)(3a)，(3b)和(3c)的測(cè)試步驟，依次記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，其中，記錄第k次施加應(yīng)力時(shí)，施加應(yīng)力的時(shí)長(zhǎng)為tk，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子的電量為施加應(yīng)力后電容的平帶電壓為vfb(tk)，k為測(cè)量序號(hào)，k＝1，2，3，…，n，n為施加應(yīng)力的總次數(shù)。

(4)計(jì)算離化氟離子空間位置：

(4a)根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，在第k次施加應(yīng)力時(shí)，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子的電量q(tk)滿足如下關(guān)系式：

其中，ε為電介質(zhì)常數(shù)，s為柵電極的面積，d(tk)為第k次施加應(yīng)力期間，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子距離柵電極的等效位置，δvfb(tk-1)為第k-1次施加應(yīng)力后電容的平帶電壓，vfb(tk)為第k次施加應(yīng)力后電容的平帶電壓；

(4b)聯(lián)立(3d)和(4a)中的計(jì)算表達(dá)式，得到電容第k次施加應(yīng)力期間，勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子距離柵電極的等效位置d(tk)：

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明制作氟注入電容的工藝與制作常規(guī)hemt器件的工藝兼容，工藝技術(shù)成熟穩(wěn)定；

2)本發(fā)明由于僅需測(cè)量施加應(yīng)力過程中電容歐姆電極和柵電極的電流，以及測(cè)量施加應(yīng)力前后該電容的平帶電壓，結(jié)合數(shù)學(xué)公式計(jì)算，即可獲得氟注入電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子空間位置，因而測(cè)量方法簡(jiǎn)單可靠，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，有利于評(píng)估氟注入工藝的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2是氟注入電容的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中測(cè)試氟注入電容cv特性曲線的電路示意圖；

圖4是本發(fā)明中對(duì)氟注入電容柵電極施加反向應(yīng)力的電路示意圖；

圖5是本發(fā)明中氟注入電容離化氟離子空間的位置變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1，制作氟注入電容。

1a)選取自下而上依次為襯底、成核層、緩沖層、插入層和勢(shì)壘層的半導(dǎo)體材料，在半導(dǎo)體材料上淀積金屬電極，制備出歐姆電極；

1b)利用反應(yīng)離子刻蝕法將cf4氣體注入到勢(shì)壘層內(nèi)，利用在注入過程中存在的高能電場(chǎng)使cf4氣體分解產(chǎn)生氟離子，實(shí)現(xiàn)將氟離子注入到勢(shì)壘層內(nèi)；

1c)在氟離子注入勢(shì)壘層的位置上淀積金屬電極，經(jīng)過退火制備出柵電極；

上述步驟1a)制備的柵電極與步驟1c)制備的歐姆電極形成電容結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中圖2(a)為縱向結(jié)構(gòu)圖，圖2(b)為頂視圖，從圖2(a)中可以看出，柵極與歐姆電極形成了電容，從圖2(b)中可以看出氟注入電容為兩端結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)柵電極和一個(gè)歐姆電極。

步驟2，測(cè)量電容的平帶電壓。

2a)連接測(cè)量電容平帶電壓的電路圖：

參照?qǐng)D3，其連接方式為：將電容測(cè)試儀的一端接地，另一端連接可控電壓源，將可控電壓源的一端連接?xùn)烹姌O，電容的歐姆電極接地；通過可控電壓源改變施加在柵電極上的電壓，得到不同電壓下電容的電容值，繪制電容的cv特性曲線，其中，cv特性曲線的橫坐標(biāo)為電壓，縱坐標(biāo)為電容值；

2b)根據(jù)繪制的cv特性曲線，利用半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備中自帶軟件計(jì)算得到電容的平帶電容值cfb，在電容的cv特性曲線中，將平帶電容cfb所對(duì)應(yīng)的電壓值確定為平帶電壓，記初始t0＝0時(shí)刻的平帶電壓為vfb(t0)；

步驟3，施加應(yīng)力并測(cè)量電容的平帶電壓。

3a)連接在柵電極施加反向應(yīng)力的電路：

參照?qǐng)D4，其連接方式為：將第一個(gè)電流表的一端連接到歐姆電極，另一端接地；將電壓源的一端與柵電極相連，另一端與第二個(gè)電流表連接，該第二個(gè)電流表的另一端接地，讀取第一個(gè)電流表的示數(shù)得到歐姆電極的電流i1(t)，讀取第二個(gè)電流表的示數(shù)得到柵電極電流i2(t)；

在上述連接的施加反向應(yīng)力的電路中，利用電容的歐姆電極接地能保持電容溝道電勢(shì)恒定的特性，再利用電壓源對(duì)柵電極施加的反向偏置電壓，使柵電極的電勢(shì)低于電容溝道的電勢(shì)，產(chǎn)生由電容溝道指向柵電極的高電場(chǎng)，即為在柵電極施加反向應(yīng)力；

3b)對(duì)電容的柵電極施加反向應(yīng)力，施加應(yīng)力的時(shí)長(zhǎng)為t，同時(shí)監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)該電容歐姆電極的電流i1(t)和柵電極的電流i2(t)；

3c)對(duì)電容的柵電極施加反向應(yīng)力，在勢(shì)壘層內(nèi)產(chǎn)生由電容的溝道區(qū)指向柵電極的高電場(chǎng)e，在電場(chǎng)的作用下，使得勢(shì)壘層內(nèi)的氟離子發(fā)生離化失去帶負(fù)電的電子e，電子在電場(chǎng)的作用下向電容的溝道區(qū)移動(dòng)并進(jìn)入溝道，導(dǎo)致歐姆電極電流i1(t)和柵電極電流i2(t)不再相等，兩者的差值是氟離子離化失去的電子形成的電流，根據(jù)電流和電荷量的關(guān)系，計(jì)算在施加應(yīng)力時(shí)長(zhǎng)為t時(shí)，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子的電量分別為：

3d)停止施加應(yīng)力，在電容c的柵電極上施加不同的電壓，測(cè)量得到電容的電容值，繪制氟注入電容的cv特性曲線，根據(jù)電容的cv特性曲線得到施加應(yīng)力后電容的平帶電壓vfb(t)；

3e)多次改變施加應(yīng)力的時(shí)長(zhǎng)，重復(fù)3b)，3c)和3d)的測(cè)試步驟，依次記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，其中，記錄第k次施加應(yīng)力時(shí)，施加應(yīng)力的時(shí)長(zhǎng)為tk，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子的電量為施加應(yīng)力后電容的平帶電壓為vfb(tk)，k為測(cè)量序號(hào)，k＝1，2，3，…，n，n為施加應(yīng)力的總次數(shù)。

步驟4，計(jì)算離化氟離子空間位置：

4a)根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，在第k次施加應(yīng)力時(shí)，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子的電量q(tk)滿足如下關(guān)系式：

其中，ε為電介質(zhì)常數(shù)，s為柵電極的面積，d(tk)為第k次施加應(yīng)力期間，電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子距離柵電極的等效位置，δvfb(tk-1)為第k-1次施加應(yīng)力后電容的平帶電壓，vfb(tk)為第k次施加應(yīng)力后電容的平帶電壓；

4b)聯(lián)立(3e)和(4a)中的計(jì)算表達(dá)式，得到電容第k次施加應(yīng)力期間，勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子距離柵電極的等效位置d(tk)：

4c)將k的不同取值1，2，…，n代入步驟4b)，依次求得不同應(yīng)力處理時(shí)長(zhǎng)t1，t2，…，tn對(duì)應(yīng)離化氟離子距離柵電極的等效位置：d(t1)，d(t2)，...，d(tn)，其中：

d1為應(yīng)力處理時(shí)長(zhǎng)為t1時(shí)電容離化氟離子距離柵電極的等效位置，d2為應(yīng)力處理時(shí)長(zhǎng)為t2時(shí)電容離化氟離子距離柵電極的等效位置，dn為應(yīng)力處理時(shí)長(zhǎng)為tn時(shí)電容離化氟離子距離柵電極的等效位置；結(jié)果如圖5所示，其中在第k次施加應(yīng)力后，電容施加反向應(yīng)力的總時(shí)間為tk＝t1+t2+…+tk。

在保證測(cè)量精度的前提下，時(shí)間間隔越小，獲得的離化氟離子空間位置越準(zhǔn)確。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解本發(fā)明的內(nèi)容和原理后，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，例如本發(fā)明可以用來測(cè)試氟注入電容勢(shì)壘層內(nèi)離化氟離子的位置，也可以測(cè)量氟et和mos等器件中離化離子的位置，以及研究器件勢(shì)壘層中的氧等其它離子的離化以及陷阱的退陷等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。