專利名稱：半導(dǎo)體參數(shù)分析方法及其系統(tǒng)的制作方法
本專利所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)榘雽?dǎo)體參數(shù)信息處理領(lǐng)域，主要涉及半導(dǎo)體器件參數(shù)的提取。
關(guān)于金屬一氧化物一半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)溝道載流子遷移率及閾值電壓的主要現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)(一).電流線性外推方法在漏極電壓較小的情況下(≤100mv)，得到柵壓與漏電流的線性關(guān)系，其直線外推之截距為閾值電壓，而斜率為相關(guān)載流子遷移率。(見D.K.Schroder，“Semiconductor Material and Device characterization”，Wiley-Interscience，chap.4，New York，1990)(二)電流方根外推方法利用MOSFET的飽和特性，得到柵電壓與電流平方根之線性關(guān)系，其直線外推之截距為飽和閾值電壓，而斜率為相關(guān)遷移率。
上述兩種方法，實(shí)際上均不滿足理想線性化要求，在柵電壓高端由于遷移率的變化，而在柵電壓低端由于亞閾區(qū)電流的存在，都會(huì)失去線性，因而只存在有限的線性段。在超大規(guī)模集成電路的器件尺寸不斷變小的情況下，這種線性段變得越來(lái)越短，這為兩個(gè)參數(shù)的確定帶來(lái)不確定因素。
本發(fā)明為彌補(bǔ)上述兩種方法之不足，采用比例差值算符技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體I-V特性進(jìn)行比例差值分析，得出比例差值特性和較準(zhǔn)確的半導(dǎo)體參數(shù)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體參數(shù)分析方法，其步驟包括先通過(guò)半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀器測(cè)量完整的半導(dǎo)體器件I-V輸出特性，包括器件的三極管工作區(qū)以及部分飽和或準(zhǔn)飽和區(qū)得到的半導(dǎo)體器件的漸近或準(zhǔn)漸近I-V特性。然后通過(guò)比例差值算符分析軟件系統(tǒng)對(duì)上述I-V特性進(jìn)行比例差值處理，得到相應(yīng)的比例差值I-V函數(shù)特性和半導(dǎo)體參數(shù)。本發(fā)明的比例差值常數(shù)K值在1.01-10之間。
本發(fā)明的半導(dǎo)體參數(shù)分析系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀器，計(jì)算機(jī)，測(cè)試臺(tái)，計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器接口卡，半導(dǎo)體參數(shù)分析軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比例差值處理，包括用戶接口模塊；測(cè)試模塊；分析模塊；數(shù)據(jù)管理模塊；數(shù)據(jù)顯示/打印模塊。
本發(fā)明基本原理如下1.比例差值算符技術(shù)的基本思想將一種函數(shù)f(x)的比例差值定義為Δpf(x)＝f(kx)-f(x)(1)式中k為一個(gè)大于1的正數(shù)，稱為比例差值常數(shù)，而Δp稱為比例差值算符。
2.漸近函數(shù)比例差值譜定理若一種函數(shù)f(x)，在區(qū)間(0，∞)是連續(xù)，可微的遞增或遞減的函數(shù)，并有f(o)＝A，f(∞)＝B，其中A與B為兩個(gè)常數(shù)。那么，在區(qū)間(0，∞)必定存在一點(diǎn)(xp)，滿足dΔPf(x)dx|x=xP=0--(2)]]>這個(gè)定理可由Rolle定理[2，3]證明。
于是，漸近函數(shù)的Δpf(x)值，在(0，∞)區(qū)間存在極值，即Δpf(x)是一種譜函數(shù)。于是譜峰高度與f(x)的漸近值f(∞)有關(guān)，而xp與f(x)函數(shù)的特征參數(shù)有關(guān)，從而得到f(x)函數(shù)的兩個(gè)重要參數(shù)，完成了f(x)函數(shù)的定量分析。
比例差值與等值差值的差異及其在實(shí)施技術(shù)上的特點(diǎn)1.比例差值所取相鄰兩個(gè)自變量的比例為常數(shù)，而等值技術(shù)要求相鄰的兩個(gè)自變量之差為常數(shù)，并要求此常數(shù)小于某量，以取得突出變化量，壓縮自變量的效果。而在比例差值技術(shù)中，則無(wú)此類強(qiáng)烈限制。
2.比例差值技術(shù)中的自變量選擇是自由的，即無(wú)定域限制，而在等值計(jì)算中，對(duì)自變量是有限制的，它為兩個(gè)差值之間的平均值。
以上的兩個(gè)特點(diǎn)給比例差值計(jì)算在技術(shù)上帶來(lái)諸多方便之處。
本發(fā)明采用比例差值算符技術(shù)處理半導(dǎo)體器件特性，得到新的器件特性——比例差值特性，從而提取半導(dǎo)體器件參數(shù)。與傳統(tǒng)的擬合法或外推法相比，提高了精度，縮短了測(cè)試程序，明顯地提高了工效。


圖1MOS晶體管典型漏極特性(a)、常規(guī)差值特性(b)及其比例差值特性(c)圖2P-N結(jié)二極管的典型反向I-V特性、常規(guī)差值特性及比例差值特性圖3半導(dǎo)體器件參數(shù)比例差值算符分析技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框5分析模塊框6比例差值技術(shù)得出的MOS晶體管比例差值特性實(shí)施例1確定MOS晶體管參數(shù)的比例差值算符方法MOS晶體管的伏安特性可以表示為(見M.S.Sze，＂Physics of semiconductorDevices＂，2nd，Ed.Wiley-Interscience，New York，1981.Chap.8)I=ZLμnCi{(VG-2φB-VFB-VD2)VD-23γ[(VD+2φB)3/2-(2φB)3/2]}----(3)]]>式中，Z/L為晶體管之寬長(zhǎng)比，Ci為SiO2電容。μn為電子遷移率，φB為半導(dǎo)體材料費(fèi)米勢(shì)，VFB為平帶電壓，γ為體效應(yīng)因子。
由(3)式可以看出，在VG給定的情況下，電流I首先隨漏端電壓VD線性增加(線性區(qū))，然后，趨于飽和值(飽和區(qū))。圖1給出了MOS晶體管漏極特性(ID～VD)、常規(guī)差值(ΔID～VD)與比例差值特性(ΔPID～VD)示意圖，點(diǎn)線表示漏電流達(dá)到最大時(shí)的漏端電壓(VDsat)的軌跡。
由圖1可見，方程(3)可視為滿足漸近近似的函數(shù)，故可以用差值譜函數(shù)定理求其比例差值為ΔPI=ZLμnCi{(VG-VFB-2φB)(K-1)VD-12(K2-1)VD2-23γ---(4)]]>[(KVD+2φB)3/2-(VD+2φB)3/2]}不難證明，當(dāng)VD變到VDP時(shí)，ΔPI出現(xiàn)峰值，即∂ΔPI∂VD|VD=VDP=0--(5)]]>可求得
(K+1)VDP＝VDsat(6)另一方面VG-VDsat＝VTsat(7)以及VG-VFB-2φB=(K+1)VDP+γ(K+1)VDP+2φB---(8)]]>當(dāng)VDP→0時(shí)，(8)式簡(jiǎn)化為VG(VDP=0)=VTO(φB)=VFB+2φB+γ2φB---(9)]]>于是，由(7)、(9)兩式，最后可確定飽和閾值電壓VTsat以及經(jīng)典閾值電壓VTO之值。
遷移率可由下式得到μ=2ΔPI(VDP)(ZL)Ci(k2-1)VDP2-----(10)]]>式中，Z/L、Ci均為已知器件尺寸常數(shù)，一旦ΔPI(VDP)與VDP確定，μ也就由(10)式求出。
由此可以(i)得到新的差值特性——比例差值特性，它與常規(guī)差值特性不同，它具有譜峰特性，這種特性可作為一種新的器件性能指標(biāo)來(lái)判斷器件的基本特性，峰值高表示器件μ大，跨導(dǎo)大；峰位大，表示閾值電壓大。
(ii)數(shù)據(jù)信息處理的簡(jiǎn)化僅由一次ID～VD常規(guī)測(cè)量，及其ΔPID～VD特性處理就可以得到結(jié)果，而無(wú)須象其它方法那樣，改變工作模式，作小的VD限制。
(iii)閾值電壓與遷移率的分別測(cè)量柵電壓(Vg)對(duì)遷移率的影響，不影響閾值電壓的確定。
(iv)此技術(shù)給出了一種確定飽和區(qū)電壓VDsat的方法，特別是在有溝道調(diào)制，VDsat無(wú)法精確地確定的情況下，更是一個(gè)突出的長(zhǎng)處。
(v)消除了亞閾電流的影響。因?yàn)榇朔椒ㄊ窃谄骷匦越咏硐霠顟B(tài)下進(jìn)行的，公式(4)能充分精確地描述其基本特性，與亞閾區(qū)電流無(wú)關(guān)。
2確定PN結(jié)二極管特性參數(shù)的比例差值算符技術(shù)PN結(jié)的反向電流特性可用下式描述I＝IS(1-e-V/Vt)(11)IS為反向飽和電流值，Vt＝KT/q稱為熱電勢(shì)，K為玻爾茲曼常數(shù)，T為器件工作的環(huán)境溫度，q為電子電荷量。
不難看出，(11)式也是一種典型的漸近函數(shù)，當(dāng)V＝0時(shí)，I＝0；而當(dāng)V→∞時(shí)，I＝Is。
所以，用比例差值算符方法可以很方便地確定出相應(yīng)的器件參數(shù)Is與Vt值。
用比例差值算符對(duì)(11)式進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果為ΔPI＝IS(e-v/vt-e-kv/vt)(12)求極值∂ΔPI∂V|V=Vm=0-----(13)]]>可得 Vt＝(k-1)Vm/lnK (14)IS=KKK-1ΔPI(Vm)/(K-1)-----(15)]]>二極管反向I-V特性，常規(guī)差值特性ΔI-V及比例差值特性ΔPI-V曲線分別如圖2(a)、(b)、(c)所示。
由此可以(i).得到了PN結(jié)二極管的新的反向特性——比例差值特性，它與常規(guī)差值特性比較，顯然不同。其譜峰可以作為PN結(jié)二極管的一種新的性能指標(biāo)來(lái)利用。例如，峰值高表示漏電流大，峰位大表示PN結(jié)不理想等。
(ii).數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)化是本發(fā)明的特點(diǎn)在常規(guī)方法中要確定這兩個(gè)參數(shù)要進(jìn)行反復(fù)擬合才能得到滿意的結(jié)果。而應(yīng)用ΔPI-V的特性給出的譜峰特性，使計(jì)算結(jié)果大大簡(jiǎn)化。
(iii).本發(fā)明出現(xiàn)峰值的地方，只要注意是在Vt＝KT/q＝26mv(室溫)的量級(jí)，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高場(chǎng)內(nèi)發(fā)射的電壓(大于1v)，就可以確保器件參數(shù)的確定。從而克服了反向電壓增大以后，由于內(nèi)場(chǎng)發(fā)射的影響，電流不發(fā)生飽和現(xiàn)象，對(duì)于器件參數(shù)的確定發(fā)生的困難。
(iv).由于是在低壓下即完成了器件參數(shù)的確定，大電流下的串聯(lián)電阻以及熱效應(yīng)引起的修正可以得到極大改善。
(v).本技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)PN結(jié)二極管在應(yīng)用條件下，對(duì)環(huán)境的溫度監(jiān)測(cè)。Vt是它的環(huán)境溫度的表征量，這在變溫實(shí)驗(yàn)中尤為重要。
在半導(dǎo)體參數(shù)的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，HP公司生產(chǎn)的HP4140系列半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀，在國(guó)際市場(chǎng)幾乎形成壟斷局面，是一種公認(rèn)的高科技產(chǎn)品。但是這種產(chǎn)品的功能仍是基于已有的原理、方法。雖然惠普儀器年年升檔，不斷更新，但是，我們研究的比例差分技術(shù)尚未出現(xiàn)在這類產(chǎn)品中，我們已經(jīng)利用比例差值分析技術(shù)與HP儀器組合成半導(dǎo)體器件參數(shù)比例差值算符分析技術(shù)系統(tǒng)，得到了該技術(shù)應(yīng)用的驗(yàn)證。
半導(dǎo)體器件參數(shù)比例差值算符分析技術(shù)系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成486/66/8MB以上IBM兼容PC機(jī)一臺(tái)、軟件系統(tǒng)、HP4145B晶體管參數(shù)分析儀或BC2931A晶體管參數(shù)測(cè)試儀一臺(tái)、配套測(cè)試盒或樣品臺(tái)，圖3為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4。根據(jù)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，我們是在Windows95/NT下采用Visual C++5.0來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？傮w設(shè)計(jì)上采用Doc/View方式，以文檔(Document)為核心來(lái)管理所有的數(shù)據(jù)，用視(View)來(lái)顯示結(jié)果，通過(guò)用戶界面來(lái)接收用戶的輸入。基于以上考慮，整個(gè)程序可大概分為以下幾個(gè)模塊●用戶接口模塊●測(cè)試模塊●分析模塊●數(shù)據(jù)管理模塊，即文檔模塊●數(shù)據(jù)顯示/打印模塊，即視模塊1、用戶接口模塊用戶接口模塊主要是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，處理用戶的輸入。界面的設(shè)計(jì)采用Windows下最新的界面風(fēng)格，直觀、易于操作。
2、測(cè)試模塊對(duì)于測(cè)試模塊，由于我們考慮到不同的用戶可能會(huì)擁有不同的測(cè)試儀器，所以該軟件對(duì)測(cè)試部分提出了這樣一種構(gòu)想在程序中設(shè)置一個(gè)儀器測(cè)試控制接口，同時(shí)自定義一個(gè)統(tǒng)一用戶標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶只要根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)把自己的儀器控制程序做成動(dòng)態(tài)庫(kù)，就可以用該軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。測(cè)試的結(jié)果由文檔模塊來(lái)管理。
3、分析模塊分析模塊是該軟件的核心模塊，是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的主要模塊。在這一模塊中借用了大量的科技計(jì)算子程序并結(jié)合我們的譜分析技巧對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理數(shù)據(jù)的理論依據(jù)是比例差值譜的基本原理。
該分析模塊主要處理I-V特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖5。
4、數(shù)據(jù)管理模塊，即文檔模塊數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)所有實(shí)驗(yàn)條件、樣品參數(shù)、分析條件、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果及中間數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示參數(shù)的管理，同時(shí)也管理分析過(guò)程中所作的分析備注。這一模塊采用的是MFC的CDocument類作為基類實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中使用了MFC的數(shù)組模板，所有的數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)在一個(gè)文件中。這樣避免了一個(gè)實(shí)驗(yàn)多個(gè)文件不便于管理的缺點(diǎn)，同時(shí)也可以保證實(shí)驗(yàn)條件、樣品參數(shù)等一些相關(guān)的數(shù)據(jù)都保存在一起，這樣避免了原來(lái)那種拿到數(shù)據(jù)后，不知道實(shí)驗(yàn)條件以及樣品參數(shù)等一些實(shí)驗(yàn)必須的數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)。此外，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的通用性，我們?cè)诔绦蛑刑峁┝擞脩艨梢詫?dāng)前顯示的數(shù)據(jù)以文本方式單獨(dú)保存為用戶指定的文本文件的功能。
在設(shè)計(jì)這個(gè)模塊時(shí)，為了面向該程序自己的測(cè)試模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)和外部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們以面向自身的數(shù)據(jù)為主，對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。用戶只需要按照創(chuàng)建新文件向?qū)Ь涂梢院芊奖愕貙⒁粋€(gè)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)比例差值譜軟件的工程文件。
5、數(shù)據(jù)顯示/打印模塊，即視模塊該模塊負(fù)責(zé)從文檔模塊中獲取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行顯示或打印。由于采用了MFC的視，所以在打印時(shí)可以很方便的進(jìn)行打印預(yù)覽，即所見即所得功能。在該模塊中我們還增加了一個(gè)新的功能，那就是允許用戶在分析前對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的人為干預(yù)。之所以增加這一功能是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)由于外界干擾使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯偏離正常情況，這種異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)的存在會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響，所以我們?cè)试S用戶在不改變實(shí)驗(yàn)事實(shí)的前提下加入人工干預(yù)，在分析過(guò)程中忽略這些異常點(diǎn)。但是考慮到這些點(diǎn)又確實(shí)是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的，所以忽略的點(diǎn)依然保存在文檔中，只是分析過(guò)程中未使用而已。這樣就可以便于用戶在必要時(shí)進(jìn)行恢復(fù)。
具體操作如下按照該結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)備好系統(tǒng)需要的儀器設(shè)備以及軟件，即486/66/8MB以上IBM兼容PC機(jī)一臺(tái)、HP4145B晶體管參數(shù)分析儀或BC2931A晶體管參數(shù)測(cè)試儀一臺(tái)、配套測(cè)試盒或樣品臺(tái)、軟件系統(tǒng)。其中，計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀之間需要由合適的接口卡，如GPIB接口卡。
1、準(zhǔn)備好測(cè)量樣品；2、在計(jì)算機(jī)上安裝好軟件系統(tǒng)，具體辦法參照該軟件使用手冊(cè)；3、連接計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x；4、安裝并連接好樣品盒；5、設(shè)置比例差值譜軟件各種參數(shù)；使用該軟件測(cè)試并進(jìn)行分析，即可得到MOS晶體管比例差值特性。
圖6為應(yīng)用半導(dǎo)體器件參數(shù)比例差值算符分析技術(shù)系統(tǒng)給出的MOSFET晶體管的比例差值特性。由譜圖上可以方便地確定出飽和漏極電壓VDsat，飽和閾值電壓VTsat及相應(yīng)的經(jīng)典閾值電壓Vtho，其比例差值結(jié)果的一致性相當(dāng)好，從而使原有的功能得到了強(qiáng)化與發(fā)展。若應(yīng)用于儀器必然導(dǎo)致儀器的升級(jí)。
本發(fā)明不限于上述兩例，對(duì)于雙極晶體管，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，SOI MOSFET，MS二極管，異質(zhì)結(jié)也是適用的。因?yàn)檫@是一種具有普遍意義的分析技術(shù)，只要被研究的半導(dǎo)體器件特性具有漸近函數(shù)的特點(diǎn)，就可利用本技術(shù)進(jìn)行特性研究與參數(shù)的提取。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體參數(shù)分析方法，其步驟包括1)通過(guò)半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀器測(cè)量完整的半導(dǎo)體器件I-V輸出特性；2)通過(guò)比例差值算符分析軟件系統(tǒng)對(duì)上述I-V特性進(jìn)行比例差值處理，得到相應(yīng)的比例差值I-V函數(shù)特性和半導(dǎo)體參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體參數(shù)分析方法，其特征在于所述I-V輸出特性即包括器件的三極管工作區(qū)以及部分飽和或準(zhǔn)飽和區(qū)得到的半導(dǎo)體器件的漸近或準(zhǔn)漸近I-V特性。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體參數(shù)分析方法，其特征在于比例差值常數(shù)K值在1.01-10之間。；
4.一種半導(dǎo)體參數(shù)分析系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀器，計(jì)算機(jī)，測(cè)試臺(tái)，計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器接口卡，半導(dǎo)體參數(shù)分析軟件系統(tǒng)，其特征在于該軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比例差值處理。
5.如權(quán)利要求4所述的半島體參數(shù)分析系統(tǒng)，其特征在于說(shuō)述軟件系統(tǒng)包括以下模塊用戶接口模塊；測(cè)試模塊；分析模塊；數(shù)據(jù)管理模塊；數(shù)據(jù)顯示/打印模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件參數(shù)比例差值算符分析方法及其系統(tǒng)。先通過(guò)半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀器測(cè)量完整的半導(dǎo)體器件Ⅰ－Ⅴ輸出特性,然后通過(guò)比例差值算符分析軟件系統(tǒng)對(duì)上述Ⅰ－Ⅴ特性進(jìn)行比例差值處理,得到相應(yīng)的比例差值Ⅰ－Ⅴ函數(shù)特性和半導(dǎo)體參數(shù)。與傳統(tǒng)的擬合法或外推法相比,提高了精度,縮短了測(cè)試程序,明顯地提高了工效。可應(yīng)用于半導(dǎo)體參數(shù)信息處理領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1261205SQ0010012
公開日2000年7月26日 申請(qǐng)日期2000年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月12日
發(fā)明者許銘真, 譚長(zhǎng)華, 何燕東, 衛(wèi)建林, 解冰, 劉曉衛(wèi) 申請(qǐng)人:北京大學(xué)