專利名稱：Mosfet器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)及測量方法。
背景技術(shù)：
90納米以上制程中，由于特征尺寸很小，晶圓中不同位置MOSFET的柵長變化對(duì)開啟電流的影響非常明顯。柵長變化分為芯片內(nèi)部不同位置的變化(本地變化=Iocal variation)和不同芯片之間的變化(全局變化glcAal variation) 0確定柵長變化可以更精確的建立器件的蒙特卡羅(monte carlo)模型和角(corner)模型。傳統(tǒng)的方法是在線對(duì)多晶硅線寬進(jìn)行光學(xué)量測，要求在特定的時(shí)間即特定的工藝步驟后量測，不能進(jìn)行離線測量，一旦錯(cuò)過特定的工藝步驟就無法再進(jìn)行多晶硅線寬測量，如果一片晶圓在廠里沒有進(jìn)行量測，器件工程師就無法得知多晶硅線寬的變化，這同時(shí)需要工藝、測量和器件部門的共同配合，增加了執(zhí)行的難度。并且傳統(tǒng)方法多晶硅線寬測量和MOSFET的電性測量是分開的，各自有自己的測試結(jié)構(gòu)，不能得到多晶硅線寬變化和MOSFET電學(xué)特性變化的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)及測量方法，以準(zhǔn)確確定因柵長變化、柵氧厚度變化和摻雜引起的開啟閾值電壓的變化量和開啟飽和電流的變化量。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)，包括有源區(qū)，位于有源區(qū)之上的柵極，所述柵極為開爾文結(jié)構(gòu)的電阻，所述柵極的兩端各具有兩個(gè)多晶硅電阻端點(diǎn)。本發(fā)明還提供一種使用前述的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量方法，其特征在于，包括以下步驟根據(jù)工藝確定所述測量結(jié)構(gòu)的寬度和柵長；收集若干晶圓中所有芯片中的測量結(jié)構(gòu)的電性數(shù)據(jù)開啟閾值電壓VT、開啟飽和電流IDSAT和柵電阻值Rg，同時(shí)收集前述晶圓中所有芯片中的大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值Cox ；根據(jù)所有測得的柵電阻阻值Rg數(shù)據(jù)確定MOSFET晶體管的柵長中值Lg_和柵長變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值△ Lg，根據(jù)所述大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值Cox確定柵氧厚度中值Tox和柵氧厚度變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值ΔΤοχ ；根據(jù)已有的器件模型輸入測量結(jié)構(gòu)的寬度、柵長和△ Lg、Δ Tox,計(jì)算出它們各自引起的開啟閾值電壓VT和開啟飽和電流IDSAT變化；根據(jù)所述測得的所有測量結(jié)構(gòu)的電性數(shù)據(jù)VT、IDSAT計(jì)算出VT總的變化量和 IDSAT總的變化量，減去柵長變化和柵氧厚度變化引起的VT變化和IDSAT變化即是摻雜引起的VT、IDSAT變化?？蛇x的，所述柵電阻值Rg的確定方法為在所述測量結(jié)構(gòu)柵極兩端分別位于最外側(cè)的兩個(gè)端點(diǎn)上施加電壓，測量得到所述測量結(jié)構(gòu)柵極上中間兩個(gè)端點(diǎn)間的電壓差，及所述測量結(jié)構(gòu)柵極兩端位于最外側(cè)的端點(diǎn)上的電流值，將所述電壓差除以所述電流值即得到所述柵電阻值Rg?？蛇x的，所述根據(jù)所有測得的柵電阻阻值Rg數(shù)據(jù)確定MOSFET晶體管的柵長中值 Lg_和柵長變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值A(chǔ)Lg的方法為依據(jù)公式Lg = Wres = Rsh*Lres/Rg，其中，Rsh為多晶硅柵的方塊電阻，Lres為多晶硅電阻的長度，Wres為多晶硅電阻的寬度，即 MOSFET柵長Lg，由測量得到的Rg數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的柵長數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定柵長中值Lg，依據(jù)多個(gè)柵長數(shù)據(jù)得到其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值A(chǔ)Lg?？蛇x的，所述根據(jù)所述大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值Cox確定柵氧厚度中值 Tox和柵氧厚度變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值Δ Tox的方法為依據(jù)公式Tox = W*L* ε ox/Cox,其中，W為器件寬度，L為柵長，ε οχ為柵氧的介電數(shù)，由測量得到大尺寸器件的柵氧電容Cox 得到相應(yīng)的柵氧厚度值，進(jìn)而確定柵氧厚度中值"Γοχ，依據(jù)多個(gè)柵氧厚度值得到其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值ΔΤοχ。本發(fā)明的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)及測量方法的優(yōu)點(diǎn)在于區(qū)別和確定柵長變化、柵氧厚度變化和摻雜變化對(duì)MOSFET器件性能的影響，而這三個(gè)工藝變化即是器件電性波動(dòng)的主要因素，是建立器件蒙特卡羅(monte carlo)模型和角(corner)模型的主要參數(shù)，確定這三個(gè)工藝變化可以使蒙特卡羅(montecarlo)模型和角(corner)模型更為精確，這在90nm以上工藝對(duì)角(corner)模型要求越來越高的情況下顯得尤為重要，并且有助于提取45nm以上工藝中器件放置不同虛擬柵極數(shù)量和距離的應(yīng)力模型。


圖1為本發(fā)明的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
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)能夠更加明顯易懂，下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。本發(fā)明所述的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)及測量方法可利用多種替換方式實(shí)現(xiàn)，下面是通過較佳的實(shí)施例來加以說明，當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所熟知的一般的替換無疑涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。請(qǐng)參看圖1，圖1為本發(fā)明的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖1所示，本發(fā)明的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)包括有源區(qū)，位于有源區(qū)之上的柵極100，所述柵極100為開爾文(kelvin)結(jié)構(gòu)的電阻，所述柵極100的兩端各具有兩個(gè)多晶硅電阻端點(diǎn)，即端點(diǎn)1、端點(diǎn)2、端點(diǎn)3和端點(diǎn)4。本發(fā)明的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量方法包括以下步驟首先，根據(jù)工藝確定前述MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)的寬度和柵長，為了得到準(zhǔn)確的柵電阻值，測量結(jié)構(gòu)的寬度取大于1微米的值，柵長為工藝允許的最小值，即多晶硅柵的特征線寬，以45納米工藝為例，MOSFET的寬度W為10微米，柵長L為0. 04微米。本發(fā)明的測量結(jié)構(gòu)中，為了能測量到柵的電阻，將測量結(jié)構(gòu)的柵做成kelvin結(jié)構(gòu)的電阻， 從而既可以測量MOSFET器件電性，又可以測量柵電阻。其次，使用自動(dòng)測試設(shè)備對(duì)前述測量結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，收集若干晶圓中所有芯片中的測量結(jié)構(gòu)的電性數(shù)據(jù)開啟閾值電壓VT、開啟飽和電流IDSAT和柵電阻值Rg，同時(shí)收集前述晶圓中所有芯片中的大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值Cox，例如寬度和柵長都為10微米的MOSFET器件的柵氧電容值Cox。大尺寸MOSFET器件長寬都應(yīng)為2微米以上，這樣可以減小器件長寬工藝波動(dòng)對(duì)電容的影響，保證不同尺寸得到的Cox值是一致的。測量時(shí)，向晶圓中所有芯片中的測量結(jié)構(gòu)的端點(diǎn)1和端點(diǎn)4加電壓，測量端點(diǎn)2的電壓V2和端點(diǎn)3的電壓V3及端點(diǎn)1的電流I1，從而得出柵電阻值Rg = (V2-V3)/I1 ο再次，根據(jù)所有測得的柵電阻阻值Rg數(shù)據(jù)確定MOSFET晶體管的柵長中值Lg_和柵長變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值△ Lg，根據(jù)大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值Cox確定柵氧厚度中值Tox和柵氧厚度變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值ΔΤοχ。根據(jù)已有的器件模型輸入測量結(jié)構(gòu)的寬度、柵長和ALg、ΔΤοχ，計(jì)算出它們各自引起的開啟閾值電壓VT和開啟飽和電流IDSAT 變化。由于柵電阻Rg = (RshXLres)/Wres (公式1)，其中Rsh為多晶硅柵的方塊電阻， Lres為多晶硅電阻的長度Jres為多晶硅電阻的寬度，即MOSFET柵長Lg。則由公式(1)得到Lg = ffres = Rsh*Lres/Rg (公式2)。由測量得到的Rg數(shù)據(jù)，就可以得到相應(yīng)的柵長數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定柵長中值Lg，依據(jù)多個(gè)柵長數(shù)據(jù)得到其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值A(chǔ)Lg。根據(jù)已有的MOSFET SPICE模型，輸入器件寬度值W = 10微米，再分別代入柵長中值Lg和柵長變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值Δ Lg,得到VT之差Δ VT_Lg和IDSAT之差Δ IDSAT_Lg, 即得到柵長變化造成的電學(xué)特性變化。柵氧厚度中值Tox和柵氧厚度變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值Δ T0x可以由測量得到大尺寸器件的柵氧電容Cox同柵氧厚度Tox之間的換算得到Τοχ = W*L* ε 0X/C0X，其中W為器件寬度，L為柵長，ε ox為柵氧的介電數(shù)。同樣根據(jù)已有的MOSFET SPICE模型，輸入測量結(jié)構(gòu)器件尺寸W = 10微米、L = 0. 04微米，分別代入柵氧厚度中值Tox和柵氧厚度變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值Δ Tox,得到VT 之差ΔνΤ_Τοχ和IDSAT之差Δ IDSAT_Tox，它們即是柵氧厚度變化造成的電學(xué)特性變化。再次，根據(jù)測得的前述晶圓上所有芯片中測量結(jié)構(gòu)的電性數(shù)據(jù)VT、IDSAT計(jì)算出 VT總的變化量和IDSAT總的變化量，減去柵長變化和柵氧厚度變化引起的VT變化和IDSAT 變化即是摻雜引起的VT、IDSAT變化。根據(jù)量測數(shù)據(jù)開啟閾值電壓VT和開啟飽和電流IDSAT，得到總的VT變化AVT 和IDSAT的變化Δ IDSAT，減去由于柵長變化造成的VT變化量AVT_Lg和IDSAT的變化量Δ IDSAT_Lg,得到由柵氧厚度和摻雜造成的VT變化Δ VT_0X_d0Se和IDSAT的變化 ΔIDSAT_ox_doseΔ VT_ox_dose = Δ VT-Δ VT_Lg (公式 3)Δ IDSAT_ox_dose = Δ IDSAT- Δ IDSAT_Lg (公式 4)再從由柵氧厚度和摻雜造成的VT變化AVT_ox_dose和IDSAT的變化Δ IDSAT_ ox_dose中減去由柵氧厚度Tox的變化造成的VT變化量Δ VT_Tox和IDSAT的變化量 Δ IDSAT_Tox，進(jìn)而計(jì)算出因摻雜引起的VT變化Δ VT_dose和IDSAT變化Δ IDSAT_dose
5
Δ VT_dose = Δ VT_ox_dose_ Δ VT_Tox (公式 5)Δ IDSAT_dose = Δ IDSAT_ox_dose_ Δ IDSAT_Tox (公式 6)至此，用于建立MOSFET器件角(corner)模型的參數(shù)柵長變化Δ Lg、柵氧厚度變化ΔΤοχ、摻雜引起的開啟閾值電壓VT的變化量和開啟飽和電流IDSAT的變化量均得到確定。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括有源區(qū)，位于有源區(qū)之上的柵極，所述柵極為開爾文結(jié)構(gòu)的電阻，所述柵極的兩端各具有兩個(gè)多晶硅電阻端點(diǎn)。
2.一種使用權(quán)利要求1所述的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量方法，其特征在于，包括以下步驟根據(jù)工藝確定所述測量結(jié)構(gòu)的寬度和柵長；收集若干晶圓中所有芯片中的測量結(jié)構(gòu)的電性數(shù)據(jù)開啟閾值電壓VT、開啟飽和電流 IDSAT和柵電阻值Rg，同時(shí)收集前述晶圓中所有芯片中的大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值 Cox ； 根據(jù)所有測得的柵電阻阻值Rg數(shù)據(jù)確定MOSFET晶體管的柵長中值Lg_和柵長變化的 3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值A(chǔ)Lg,根據(jù)所述大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值Cox確定柵氧厚度中值 Tox和柵氧厚度變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值ΔΤοχ ；根據(jù)已有的器件模型輸入測量結(jié)構(gòu)的寬度、 柵長和△ Lg、Δ Tox,計(jì)算出它們各自引起的開啟閾值電壓VT和開啟飽和電流IDSAT變化；根據(jù)所述測得的所有測量結(jié)構(gòu)的電性數(shù)據(jù)VT、IDSAT計(jì)算出VT總的變化量和IDSAT總的變化量，減去柵長變化和柵氧厚度變化引起的VT變化和IDSAT變化即是摻雜引起的VT、 IDSAT變化。
3.如權(quán)利要求2所述的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量方法，其特征在于，所述柵電阻值Rg的確定方法為在所述測量結(jié)構(gòu)柵極兩端分別位于最外側(cè)的兩個(gè)端點(diǎn)上施加電壓，測量得到所述測量結(jié)構(gòu)柵極上中間兩個(gè)端點(diǎn)間的電壓差，及所述測量結(jié)構(gòu)柵極兩端位于最外側(cè)的端點(diǎn)上的電流值，將所述電壓差除以所述電流值即得到所述柵電阻值Rg。
4.如權(quán)利要求2所述的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量方法，其特征在于，所述根據(jù)所有測得的柵電阻阻值Rg數(shù)據(jù)確定MOSFET晶體管的柵長中值Lg_和柵長變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值A(chǔ)Lg的方法為依據(jù)公式Lg = Wres = Rsh*Lres/Rg，其中，Rsh為多晶硅柵的方塊電阻，Lres為多晶硅電阻的長度，Wres為多晶硅電阻的寬度，即MOSFET柵長Lg，由測量得到的Rg數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的柵長數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定柵長中值Lg，依據(jù)多個(gè)柵長數(shù)據(jù)得到其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值A(chǔ)Lgo
5.如權(quán)利要求2所述的MOSFET器件電學(xué)特性變化測量方法，其特征在于，所述根據(jù)所述大尺寸MOSFET器件的柵氧電容值Cox確定柵氧厚度中值Tox和柵氧厚度變化的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值ΔΤοχ的方法為依據(jù)公式Tox = W*L* ε 0X/C0X，其中，W為器件寬度，L為柵長， ε ox為柵氧的介電數(shù)，由測量得到大尺寸器件的柵氧電容Cox得到相應(yīng)的柵氧厚度值，進(jìn)而確定柵氧厚度中值Tox，依據(jù)多個(gè)柵氧厚度值得到其3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差值△ Tox。
全文摘要
本發(fā)明提供一種MOSFET器件電學(xué)特性變化測量結(jié)構(gòu)，包括有源區(qū)，位于有源區(qū)之上的柵極，所述柵極為開爾文結(jié)構(gòu)的電阻，所述柵極的兩端各具有兩個(gè)多晶硅電阻端點(diǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于區(qū)別和確定柵長變化、柵氧厚度變化和摻雜變化對(duì)MOSFET器件性能的影響，而這三個(gè)工藝變化即是器件電性波動(dòng)的主要因素，是建立器件蒙特卡羅(monte carlo)模型和角(corner)模型的主要參數(shù)，確定這三個(gè)工藝變化可以使蒙特卡羅(monte carlo)模型和角(corner)模型更為精確，這在90nm以上工藝對(duì)角(corner)模型要求越來越高的情況下顯得尤為重要，并且有助于提取45nm以上工藝中器件放置不同虛擬柵極數(shù)量和距離的應(yīng)力模型。本發(fā)明還提供一種MOSFET器件電學(xué)特性變化測量方法。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102157411SQ201010618739
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者任錚, 彭興偉, 胡少堅(jiān) 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司