陷阱電荷弛豫譜方法及其測量系統的製作方法

2023-12-07 19:27:06

專利名稱：陷阱電荷弛豫譜方法及其測量系統的製作方法
本專利所屬技術領域為半導體測試技術，主要是涉及MOS系統絕緣層中的各類陷阱電荷的檢測方法及裝置。
關於MOS系統中絕緣層(主要是SiO2)載流子陷阱電荷的現有檢測技術(一)平帶電壓漂移方法當對SiO2注入電子時，其中的陷阱會不斷俘獲電子形成氧化層體電荷，導致MOS結構的平帶電壓(VFB)隨時間發生變化，由此可估算氧化層中的陷阱密度和俘獲截面。
(二)高場應力方法採用恆定電壓，或恆定電流，或線性電壓等高場應力方法，在SiO2體內或界面產生一系列正、負陷阱電荷，調製SiO2陰極電場，使Fowler-Nordheim隧道電流或隧道電壓(VFN)發生時間相關變化，利用計算機擬合的方法確定陷阱電荷參數。
平帶電壓漂移法測量的是總的絕緣層陷阱電荷效應，不能識別不同類型的陷阱電荷及其分布，且確定俘獲截面的方法比較困難，精確度很低。高場應力方法也存在同樣的問題，由於體內陷阱種類很多，故計算機擬合的難度很大，不直觀，而且無法分離出矩心和面密度兩個物理量。
關於絕緣層中可動離子陷阱電荷的現有檢測技術(一)溫偏實驗方法(BT)在恆溫條件下(423°K-473°K)，對MOS結構分別施加不同極性的偏壓，將可動離子驅趕到不同的界面附近，使平帶電壓(VFB)產生變化，由正、負兩次溫偏處理後得到的C-V特性，可推算出可動離子的面密度。
(二)三角波掃描方法(TVS)在較高溫度下(423°K-473°K)，對MOS電容加慢掃描電壓，驅動可動離子，使在恆定的位移電流上迭加了一個離子電流，在準靜態C-V曲線上出現了一個電容(電流)峰，從峰的面積可以計算可動離子面密度。
(三)熱激離子電流方法(TSIC)在一定電場下，逐漸升高溫度，使可動離子從陷阱中激發出來，形成離子電流，出現相應的電流峰，利用峰的面積和位置可以求解出可動離子的面密度、能級深度和躍遷頻率。
(四)場助熱激離子電流方法(FA(T)SIC)既考慮了溫度激發可動離子效應，也考慮了電場效應(採用Poole-Frenkel場效應陷阱模型來描述)。即可動離子譜峰的大小、位置，不僅與溫度有關，而且與所加電壓的掃描速率有關。
BT法的缺點是靈敏度低(只能測量～1010cm-2以上的可動離子量)，受界面影響大，不能區分可動離子種類，不能給出能級深度。其他方法雖然靈敏度略高於BT，但很有限，而且仍存在種種問題。比如TSIC技術，雖然給出了可動離子面密度，能級深度和躍遷頻率三個基本參數，但沒有考慮電場效應，實驗溫度偏高，且無法處理躍遷頻率是溫度的函數的情況。
基於上述傳統測量工作的不足，我們發明了一種新的檢測分析技術和測試系統。稱為MOS絕緣層陷阱電荷弛豫譜方法(TCRS)及其測量系統(TCRSS)。
TCRSS測量系統主要由陷阱電荷弛豫譜儀，信號源，數模、模數轉換器，微型計算機(微型計算機包含一個計算機輔助測試、計算及圖形分析軟體包，簡稱為TCRSS系統軟體包)組成。其硬體結構框圖見

圖1。
陷阱電荷弛豫譜儀的核心電路採用一種共模輸入電流補償型電路(見圖2)，利用多刀開關，該電路可變為差模輸入電路(見圖3)。
TCRSS系統軟體包是VLSI/ULSI MOS結構陷阱電荷弛豫譜儀的一個組成部分，應用菜單驅動交互式程序設計方法研製而成，它能夠較為精確地分析MOS結構氧化層高場應力條件下陷阱特性，並且為用戶提供方便的測試、控制、分析、圖形功能和良好的用戶界面。如圖4所示，TCRSS系統軟體包主要由主程序模塊、控制與測試程序模塊、數據分析程序模塊、圖形分析程序模塊和結果存儲與輸出程序模塊等五個部分組成。下面將對這幾個部分的功能結構和設計原理分別作簡要說明。
(一)主程序模塊主程序模塊是系統總的引導和管理模塊，包括作業系統的引導與系統自檢，TCRSS系統軟體包所需語言環境的建立，圖形包所需造型表的引入，記錄系統使用者的姓名與使用時間，自啟動引導進入TCRSS系統軟體包主管理菜單等幾個方面的功能。
(二)控制與測試程序模塊控制與測試程序模塊由普通信號測試、隨機信號測試和周期信號測試等幾個部分以及相應的測試條件遙控程序組成。
TCRSS系統軟體包提供以下十項控制功能①接口初始化功能;
②正常操作與標定方式選擇;
③查詢方式選擇;
④單次採樣時間及有效測試位數選擇;
⑤測試工作模式選擇(直流電流及電壓測試、交流電流及電壓測試等，配以適當探頭，還可適用於測試溫度等物理參數);
⑥測試數據傳輸方式控制;
⑦量程選擇(自動/手動);
⑧自觸發連續實時測試方式選擇;
⑨時漂與零漂較正;
⑩輸出錯誤狀態選擇。
考慮到測試軟體結構主體的相似性，這裡以普通信號測試程序流程圖(見圖5)為例，說明測試程序的結構原理。
(三)數據分析程序模塊數據分析程序模塊按其功能可分為絕緣層陷阱分析，可動離子分析等幾個部分。陷阱電荷弛豫譜方法的核心是有限差分算法，要得到精度很好的有限差分譜，關鍵在於定點插值算法。常用的插值算法有一元三點拉格朗日方法和埃特金逐步計算法，前者運算速度快，能夠反映出譜線的變化趨勢，但精度較差，起伏較大，而後者則運算很慢，但精度很高。為了在較短的時間內得到較為精確的結果，本系統軟體包採用了一種折衷的算法，即基於一元三點插值結果取出感興趣段(一般少於10個數)進行二次分析的算法來解決這一問題。
(四)圖形分析程序模快圖形分析程序模塊包括圖形分析程序和圖形輸出方式控制程序兩個部分。圖形分析程序是基於微機基本開發環境和物理數學分析對圖形軟體的要求自行設計而成的，提供了圖形方式下帶有提示和光標指示的字符填加功能、圖形窗口尺寸設定功能、圖形顯示方式選擇等功能。用戶可以根據需要方便地分析圖形的全部或感興趣局部。這一部分程序包括物理量的時變關係曲線繪製及分析程序、二相關物理量函數關係曲線程序和半對數圖形分析程序等幾個程序模塊。圖形輸出方式控制程序主要是用來給用戶提供方便的圖形輸出控制功能，包括印表機和繪圖儀控制程序兩個部分，使用戶能夠控制圖形輸出的大小和形狀等因素。
(五)結果存儲與輸出程序模塊這一部分程序是為了使用戶可以方便地管理和分析測試結果而設計的。通過使用這部分軟體，用戶可以存儲或讀取感興趣數據到指定的文件或位置進行管理和分析。同時，考慮到數據與圖形分析軟體包的通用性，還可應用這一部分程序根據HP4145B等先進測試系統得到的結果建立相應的數據文件來進行分析，使這些先進測試系統功能得到進一步擴展而僅需極少的開支。
TCRSS的特點①交、直流參數檢測兼容;②具有高解析度工作模式，靈敏度高、易於檢測微變量小信號;③具有雙向跟蹤補償功能;④共模輸入特性提高了儀器的抗幹擾能力。
陷阱電荷弛豫譜(TCRS)測量技術首先利用TCRSS測量系統。對被測樣品(MOS結構)施加一定的激勵電壓，測量MOS結構的電流。例如，對測量絕緣層載流子陷阱電荷，施加恆定的正或負電壓，測量FN隧道電流I(t);而對測量絕緣層可動離子陷阱參數，則施加線性掃描電壓，測量MOS電容的位移電流和離子電流I(V)。最後對電流進行差值取樣，求其弛豫譜。
下面以測量載流子陷阱電荷參數為例說明上述測量技術。
由TCRSS系統軟體包控制採集數據，並將原始數據作適當的形式變換F＝∫τOJ(t)dt/q，
＝ln(J(t)/J0)。其中J(t)是t時刻的電流密度，q是電子電荷量，F是電子流量密度，J0是初始電流密度，
是對數歸一化電流密度。然後，取適當的電子流量密度間隔，得到一個電流差值
(K·F)-
(F)作為電子流量密度(F)的函數的變化曲線。我們稱之為陷阱電荷弛豫譜線，其中K稱為差值取樣因子。
由於絕緣層中原生陷阱和高場激發的各種陷阱的產生時間常數或俘獲截面不同，則在弛豫譜線中就會表現出不同的峰，峰的位置和高度代表相應的陷阱參量。比如峰的位置(Fm)體現了陷阱俘獲截面σ，峰的高度隱含了陷阱密度(N)和分布荷心(X)兩個參數。
在陷阱電荷弛豫譜線中，電子流量密度間隔取為F2＝KF1，K為差值取樣因子，其取值範圍約為1.2～1.0001，視具體情況而定，當K值取的適當時，弛豫譜線峰位置(Fm)的倒數即代表了俘獲截面的數值大小。
陷阱電荷弛豫譜技術的原理圖為圖6。
TCRS測量方法的優點為(一)能區分不同種類的陷阱電荷效應。由於不同的陷阱電荷具有特定的不同於其他陷阱的弛豫特性，因而在馳豫譜中表現出不同的譜峰。
(二)能直接給出陷阱的三個基本參數，特別是能直觀地給出陷阱的動態參數-俘獲截面σ。
(三)精確度和靈敏度高。由於弛豫譜中採用了差值取樣技術，使測量過程中的背景電流以及其他陷阱電荷引起的初始電流、飽和電流影響減至最小，鮮明的譜峰特性，使細微變化更加醒目。
實施例一檢測MOS絕緣層中陷阱電荷參數這裡我們以恆定電壓應力下的弛豫為例，說明利用TCRS方法來檢測絕緣層中的原生陷阱參數。
使用TCRSS測量系統(圖1)，將被測MOS樣品置於屏蔽測試樣品臺中，樣品臺處於恆定室溫下，用信號源施加恆定電壓應力作用，通過陷阱電荷弛豫譜儀測量MOS絕緣層(SiO2)的時間相關FN隧道電流。其理論公式為J(t)＝AEc2exp(-B/Ec) (3)這裡，J(t)是t時刻的電流密度，Ec是所施加的絕緣層(SiO2)陰極電場，A、B是兩個與材料有關的常數。若SiO2中存在原生陷阱，這些陷阱俘獲隧道電子形成體內負電荷，由此而產生的陰極電場變化量為△Ec＝-qXNot(1-exp(-σF))/∈iTox (4)其中Not為原生陷阱密度，X為距Si/SiO2界面的荷心，σ為平均俘獲截面，∈i為SiO2的介電常數，Tox為SiO2厚度，F為電子流量密度，σ和F可表示為σ＝(∫τ0σJdt)/F·q (5)F＝∫τ0J(t)dt/q (6)初始陰極電場為Eo，原生陷阱引起的陰極電場變化量為△E，則Ec(F)＝Eo+△E(F) (7)代入(3)可得到隧道電流的近似公式ln(J/Jo)≌(2+ (B)/(Eo) ) (△E)/(Eo)＝-(2+ (B)/(Eo) ) (q)/(Eo∈iTox) XNot〔1-exp(-σF)〕 (8)這裡Jo為初始電流密度，一旦作用電壓決定後，上式前兩項為一常數，令H＝(2+ (B)/(Eo) ) (q)/(Eo∈iTox) ，則有，ln＝ln(J(F)/Jo)＝-HXNOt〔1-exp(-σF)〕 (9)做差值取樣，令F2＝KF1，得到S(F)＝HXNot〔exp(-KσF)-exp(-σF)〕 (10)
上式即原生陷阱弛豫譜線的理論表達式，令 (dS)/(dF) ｜Fm＝0可推出譜峰的位置和高度。
σFm＝ (ln K)/(K-1) (11a)
由(11a)式可以看出譜峰的位置與陷阱俘獲截面有確定的對應關係，當差值取樣因子K選擇合適時，σ近似等於峰位(Fm)的倒數(K一般取1.2至1.0001之間)
當採用不同的電壓作用極性時(襯底注入和柵注入)，則得到兩個關於峰高的關係式
解此聯立方程組可得到X和Not兩個參數。
由此可以看出用這種陷阱電荷弛豫譜技術可以很直觀方便地求出陷阱電荷的三個基本參數。圖7為陷阱電荷弛豫譜方法的一個實驗圖譜。
實施例二關於MOS絕緣層中可動離子陷阱參數的測量技術利用TCRSS測量系統不僅可做常規測量檢測絕緣層可動離子，而且還可以做高解析度測量，很方便而且精確地區分並檢測兩種以上的可動離子。
當絕緣層中存在兩種以上可動離子時(如Na+，K+等)，由於不同離子電流峰的部分交疊，用常規方法測量(如FA(T)SIC法)，就會大大影響測量解析度和結果精確度。
本發明檢測可動離子電荷的具體方法是利用TCRSS測量系統，在高溫條件下(350°K-500°K)，對被測MOS樣品施加線性掃描電壓，掃描速度為0.5伏/秒至0.01伏/秒，利用TCRSS的動態跟蹤補償功能，將恆定位移電流補償掉，得到解析度更高的可動離子電流譜(圖8(a))，其中J1，J2分別是兩種可動離子的峰值。其峰值點與離子陷阱參數的關聯方程為E =kTln( (2kTS)/(αVβ) Vm1/2) + βVm1/2(15)這裡E為陷阱深度，S為離子的逸出頻率，Vm為峰值電壓，T為熱激溫度，αV為線性掃描速率，k為Baltzmann常數，β = ( (q3)/(πΕiTox) )1/2這裡Tox為絕緣層厚度，∈i為SiO2的電容率，q為電量。
通過TCRS軟體包對測量離子電流譜做差值取樣，取歸一化的無量綱量
＝βV1/2/kT，得到新的離子電流弛豫譜，J(K
)-J(
)(圖8(b))，差值因子K一般取1.2至1.0001，其譜峰方程為
利用兩個相近溫度下的聯立方程組可以求出不同離子陷阱的S和Ei參數。圖8(b)中S+1和S-2分別為反映兩類可動離子性質的譜峰值。
TCRS技術的優越之處在於由於多種離子電流之間有相互作用，比如圖8(a)中第一個電流峰不僅僅是第一種離子電流，還迭加了一部分第二種離子電流，因此FA(T)SIC用峰值確定的離子陷阱參數受到了很大的影響。從圖8(b)可以看出，TCRS技術實際上是應用第一個電流峰的上升邊確定第一類可動離子參數，用第二個電流峰的下降邊確定第二類可動離子，這樣兩類離子電流的相互影響就被減小到最低限度。則大大提高了測量解析度和實驗精度。
說明書附1 陷阱電荷弛豫譜儀測量系統(TCRSS)框2 共模輸入電流補償型電路原理圖G 運算放大器R1反饋電阻Z2被測元件Z4平衡補償元件R3平衡電阻圖3 差模輸入測試電路原理圖G 運算放大器R1反饋電阻Z2被測元件圖4 陷阱電荷弛豫譜儀測量系統(TCRSS)軟體包的結構原理框5 普通信號測試流程6 單電子陷阱弛豫譜原理圖A 歸一化的
(F)馳豫譜線
B HXNot＝1，K＝1.1時的TCRS弛豫譜線圖7 柵注入和襯底注入時的TCRS實驗圖譜(a)襯底注入(b)柵注入圖8 高解析度可動離子陷阱弛豫譜(a)補償可動離子電流譜J(V)(b)TCRS弛豫譜
權利要求
1.一種測量MOS絕緣層陷阱電荷的方法，其特徵在於它包括(1)對被測樣品施加激勵電壓；(2)利用共模輸入電流補償電路或差模輸入電路檢測被測樣品的電流；(3)通過對被測樣品的電流進行差值取樣求其陷阱電荷的弛豫譜。
2.根據權利要求1所述MOS絕緣層陷阱電荷測量方法，其特徵在於被測樣品置於恆定的室溫下，對被測樣品施加恆定激勵電壓，按下列方法對被測樣品的電流進行差值取樣以求其馳豫譜(1)求電子流量密度F＝∫τ0J(t)dt/q;(2)求對數歸一化電流密度
相對於電子流量密度F的有限差分
(K·F)-
(F)，K取1.2至1.0001。
3.根據權利要求1所述MOS絕緣層陷阱電荷測量方法，其特徵在於被測樣品置於350°K至500°K的恆溫下，對被測樣品施加掃描速率為0.5伏/秒至0.01伏/秒的線性電壓掃描，按下列方法對被測樣品的電流進行差值取樣以求其弛豫譜(1)求歸一化無量綱量
＝βV1/2/kT;(2)求場助熱激發可動離子電流密度
對歸一化無量綱量
的有限差分J(K·
)-J(
)，K取1.2至1.0001。
4.一種由陷阱電荷弛豫譜儀，信號源，數模、模數轉換器，微機系統組成的MOS絕緣層陷阱電荷測量系統，其特徵在於陷阱電荷弛豫譜儀包含有共模輸入電流補償電路或差模輸入電路，微機系統中包含有一個計算機輔助測試、計算及圖形分析軟體包，軟體包包括(1)主程序模塊;(2)控制與測試程序模塊;(3)數據分析程序模塊;(4)圖形分析程序模塊;(5)結果存儲與輸出程序模塊。
全文摘要
本發明屬半導體測量技術，具體地說，就是涉及MOS系統中絕緣層陷阱電荷的檢測技術。陷阱電荷弛豫譜方法及其測量系統(TCRS)採用一種新的差值取樣技術和高解析度的共模輸入電流補償測試電路，首次解決了絕緣層陷阱參數的直接測量和不同類型的陷阱的分離檢測問題。這種譜峰分析技術在測量精度和靈敏度方面比現有檢測方法和設備高，而且具有直觀、方便的特點，對VLSI電路和器件的可靠性和使用壽命的研究具有重要的意義。
文檔編號H01L21/66GK1058275SQ9010453
公開日1992年1月29日 申請日期1990年7月17日 優先權日1990年7月17日
發明者譚長華, 許銘真, 王陽元, 張暉, 劉曉衛, 王永順 申請人:北京大學