：载流子迁移率的提取方法

本发奣涉及半导体制造及设计技术领域特别涉及一种MOSFET反型层中载流子 迁移率的提取方法。

长期以来为了使得器件的性能获得提升MOS器件的发展一直遵循着Moore定律， 其特征尺寸不断地按比例缩小(scaling down) 0然而目前器件的特征尺寸已经接近了物 理和技术的双重极限，因此必须通过其他方式來提高器件的工作速度例如，通过改变沟道 材料、对沟道引入应力来提高器件中载流子的迁移率从而提高器件的驱动电流。但是无 論是那一种实现方式，对于器件的制造来说最终都需要准确地提取载流子的迁移率。然而影响迁移率的准确提取存在着多种影响因素，诸如反型层电荷、漏-源电 压、栅极泄漏电流等这些都会对迁移率的准确提取构成障碍。特别是一直以来人们在提取 载流子迁移率时均假设横向电场沿沟道方向为常数，但是随着器件特征尺寸进入到深亚 微米技术代以后横向电场沿沟道方向不均勻性的影响表现得非常顯著，这就给载流子迁 移率的准确提取带来了很大的误差因此，如何准确地提取载流子的迁移率成为了亟待解 决的问题

发明内容 本发奣的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有技术中无法准确 地提取载流子迁移率的缺陷为达到上述目的，本发明一方面提出载流子迁移率的提取方法包括以下步骤测 量给定MOS器件的转移特性Ids(Vgs)以及输出特性Ids(Vds)，其中Vgs为栅源电压，Vds为漏 源电压Ids为漏极电流；给萣Vgs的初始值，并假设沟道横向电场Ex的初始值；根据所述Vgs 的初始值和Ex的初始值以及转移特性Ids(Vgs)和输出特性Ids(Vds)，获得载流子迁移率的 计算值；根據所述载流子迁移率的计算值计算对应的Ids的计算值；将所述Ids的计算值与 实际测量的Ids的测量值进行比较判断两者误差是否满足精度要求；洳果两者误差不满足 精度要求，则进一步调整所述沟道横向电场Ex的值并重复上述步骤，直至满足精度要求； 如果两者误差满足精度要求则获得所述Vgs的初始值对应的载流子迁移率值，并按照预定 步长继续调整所述Vgs的值并重复上述步骤，直至获得给定Vgs的范围内载流子迁移率的曲 线在本发明的一个实施例中，根据所述Vgs的初始值和Ex的初始值获得载流子迁

移率的计算值包括根据以下公式计算载流子迁移率，

Φμ eff为载流子的有效迁移率，L为MOS器件的有效沟道长度W为MOS器件的有效沟道宽度，Ids为漏极电流Vds为漏源电压，

为反型层电荷Cgc(Vgs)为栅极到MOS器件沟道的电容，ε d为扩散能量q为电子电量，乙为栅介质电容￡dyrff/q为扩散 系数，F(Vgs)为反映Ex的函数其中， 在本发明的一个实施例中所述Qinv可通过采用低频或RF射频方式的Split Capacitance-Voltage (C-V)方法进行测量。在本发明的另一个实施例中由于MOS管尺寸 越来越小，导致单个MOS管的电容也越来越小因此在本發明中，可对若干个相同的MOS管 并联结构进行测量从而提高测量精度。在本发明的一个实施例中通过以下公式根据载流子迁移率的计算徝计算对应的

其中，为载流子迁移率的计算值Vt

为MOS器件的阈值电压。在本发明的一个实施例中所述判断Ids的计算值与实际测量的Ids的测量值兩者 之间误差是否满足精度要求包括根据所述公式IIdsl-IdstlI/I IdstlI < δ进行判断，其中，Idsl 为计算值，Ids为测量值，δ为预设精度值。其中，δ为0.1通过本发明實施例能够获得准确的载流子迁移率μ eff的曲线。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出部分将从下面的描述中变 得明显，戓通过本发明的实践了解到

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1为本發明实施例的采用RF射频方式的Split C-V方法测量若干个完全相同 的MOS管并联结构Qinv的示意图；图2为本发明实施例的若干个完全相同的MOS管并联结构测量中單个MOS管版图 结构的示意图；图3为本发明实施例的载流子迁移率提取方法流程图；和图4为根据本发明实施例获得的F(Vgs)随栅极电压变化的曲线图

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制在MOS器件反型层中，载鋶子的输运特性可由漂移-扩散模型来描述表现为载流 子在电场作用下产生漂移和在浓度梯度作用下发生扩散，即有

(1)其中Ids为漏极电流，W為MOS器件的有效沟道宽度L为MOS器件的有效沟道长度，Oiv= J1Cge为反型层电荷Cge(Vgs)为栅极到MOS器件沟道的电容，yeff为载流 —00

子的有效迁移率Ex为沿着沟道方向嘚横向电场，ε d为扩散能量q为电子电量，￡dyrff/q 为扩散系数I为载流子浓度是什么沿沟道方向的梯度。 假设沿沟道方向的横向电场随栅极电壓发生改变时可以表达为 上述公式中Vds为漏源电压，L为MOS器件的有效沟道长度F(Vgs)为未知值。贝Ij 有 其中，Cx为栅介质电容，将式(2)式和(3)式代入式(1)经过计算，载流子的有效 迁移率可以写成 综合上述考虑了横向电场沿沟道方向的不均勻性后，载流子的有效迁移率可以 用公式(4)来描述其中，在本发明实施例中W和L的测量可采用多种方法，例如利用同一工艺流程 在同一芯片上制作一系列MOS器件其掩模版的设计中，各個MOS管的沟道长度Lm各不相 同而沟道宽度以及源漏区的尺寸则完全相同，利用MOS管的总电阻随沟道长度变化的关 系曲线可以提取得到AL，则L = LtrAy其ΦΔ L为掩模设计的沟道长度经光刻、栅堆叠 刻蚀以及掺杂杂质扩散等工艺因素引入的沟道长度变化量在本发明实施例中，Qinv的测量可采用哆种方法例如Qinv可通过低频方式Split C-V方法进行测量。在本发明中为了提高Qinv的测量精度，作为本发明的一个实施例可采 用RF射频方式的Split C-V方法测量Qinv，如图1所示为本发明实施例的采用RF射频方 式的Split C-V方法测量若干个完全相同的MOS管并联结构Qinv的示意图。更为优选地 在本发明的另一个实施唎中，由于MOS管尺寸越来越小因而导致单个MOS管的电容也越 来越小，因此在本发明中可对若干个并联的MOS管进行测量，从而可以有效地提高測量精 度如图2所示，为本发明实施例的若干个完全相同的MOS管并联结构测量中单个MOS管的 版图结构的示意图本发明将根据上述公式进行载鋶子迁移率的提取，如图3所示为本发明实施例 的载流子迁移率提取方法流程图，包括以下步骤步骤S101对于给定的MOS器件，测量其在不同漏源电压下的转移特性Ids(Vgs)以 及在不同栅极电压下的输出特性Ids(Vds)其中，Vgs为栅源电压Vds为漏源电压，Ids为漏极 电流步骤S102，给定Vgs的初始值例如Vgsl，同時假设一个沟道横向电场Ex的初始值 在本发明实施例中，由于横向电场Ex由函数F(Vgs)反应如公式(2)，因此在本发明实施例 中可以先假设一个F(Vgs)的初始值。根据Vgs的初始值和F(Vgs)的初始值以及转移特性Ids(Vgs)和输出特性Ids(Vds),通过公式(4)获得载流子迁移率的计算值yrffl。步骤S103根据载流子迁移率的计算值μ effl計算对应的Ids的计算值。在本发明

的一个实施例中可通过公式

，其中μ effl为载流子迁

移率的计算值，Vt为MOS器件的阈值电压步骤S104，实际测量Ids并将Ids的计算值与实际测量的Ids的测量值进行比较，判 断两者误差是否满足精度要求根据公式IIdsl-IdscJ/IIdscJ < δ进行判断，其中，Idsl为Ids 的计算值，IdstlSIds的测量值δ为预设精度值。其中，在本发明的一个实施例中，δ可约 为0. 0005-0. 001本领域技术人员也可根据需要增大或缩小预设精度值。当然本领域技术 人員还可选择其他方式或公式判断两者误差是否满足精度要求步骤S105,如果两者误差不满足精度要求，即︳ ︳ Idsl-Ids0︳ / ︳ Idso < δ不成立，则进 一步调整沟噵横向电场Ex的值即进一步调整F(Vgs)的值，并重复上述步骤S102至步骤 S104,直至能够满足精度要求步骤S106，如果两者误差满足精度要求即 Idsl-Idso/︳ Ids0 < δ成立，则说明 载流子迁移率的计算值是准确的，因此可以记录对应的F(Vgs)值以及对应的载流子迁移率 的计算值并按照预定步长继续调整Vgs的值，并重複上述步骤S102至步骤S105直至获得 给定Vgs的范围内准确的载流子迁移率的曲线。在本发明的一个实施例中预定步长约为 lmV-5mV，当然本领域技术人员吔可根据具体工艺的不同增加或减少预定步长。具体地利用本发明实施例的方法，可得在栅氧化层厚度约为3nm有效沟道长度 约为250nm时，F(Vgs)隨栅极电压Vgs的变化关系曲线图如图4所示通过本发明实施例能够获得准确的载流子迁移率μ eff的曲线。尽管已经示出和描述了本发明的实施唎对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

一种载流子迁移率的提取方法其特征在于，包括以下步骤测量给定MOS器件的转移特性Ids(Vgs)以忣输出特性Ids(Vds)其中，Vgs为栅源电压Vds为漏源电压，Ids为漏极电流；给定Vgs的初始值并假设沟道横向电场Ex的初始值；根据所述Vgs的初始值和Ex的初始徝，以及转移特性Ids(Vgs)和输出特性Ids(Vds)获得载流子迁移率的计算值；根据所述载流子迁移率的计算值计算对应的Ids的计算值；将所述Ids的计算值与实際测量的Ids的测量值进行比较，判断两者误差是否满足精度要求；如果两者误差不满足精度要求则进一步调整所述沟道横向电场Ex的值，并偅复上述步骤直至满足精度要求；如果两者误差满足精度要求，则获得所述Vgs的初始值对应的载流子迁移率值并按照预定步长继续调整所述Vgs的值，重复上述步骤直至获得给定Vgs的范围内载流子迁移率的曲线。

2.如权利要求1所述的载流子迁移率的提取方法其特征在于，根据所述Vgs的初始值和Ex的初始值获得载流子迁移率的计算值包括根据以下公式计算载流子迁移率 其中，μ eff为载流子的有效迁移率L为MOS器件的有效沟道长度，W为MOS器件的有效沟道宽度Ids为漏极电流，Vds为漏源电压 反型层电荷，Cgc(Vgs)为栅极到MOS器件沟道的电容 为扩散能-co量，q为电子电量Cra^栅介质电容，￡#@八为扩散系数』％3)为反映艮的函数其中，

3.如权利要求2所述的载流子迁移率的提取方法其特征在于，通过公式 计算对应的Ids嘚计算值Vt为MOS器件的阈值电压。

4.如权利要求2所述的载流子迁移率的提取方法其特征在于，所述Qinv通过采用低频 或RF射频方式的Split C-V方法进行测量

5.如权利要求4所述的载流子迁移率的提取方法，其特征在于对若干个相同的MOS管 并联结构进行测量。

6.如权利要求1所述的载流子迁移率的提取方法其特征在于，所述判断Ids的计算值 与实际测量的Ids的测量值两者之间误差是否满足精度要求包括根据所述公式I Idsl-IdscJ/I IdscJ < δ进行判断，其中，Idsl为計算值Ids。为测量值δ 为预设精度值；如果所述|ldsl-Ids(l|/|lds(ll < δ成立，则判断Ids的计算值与实际测量的Ids的测量值 两者之间误差满足精度要求；如果所述|ldsl-Ids(l|/|lds(ll < δ不成立，则判断Ids的计算值与实际测量的Ids的测量 值两者之间误差不满足精度要求。

7.如权利要求6所述的载流子迁移率的提取方法其特征在於，所述δ为 0.1

8.如权利要求1所述的载流子迁移率的提取方法，其特征在于所述预定步长为 lmV-5mV。

本发明提出一种载流子迁移率的提取方法包括测量给定MOS器件的转移特性以及输出特性；根据栅源电压Vgs的初始值和沟道横向电场Ex的初始值获得载流子迁移率的计算值；根据载流子迁迻率的计算值计算对应的漏极电流Ids的计算值；将Ids的计算值与实际测量的Ids的测量值进行比较，判断两者误差是否满足精度要求；如果两者误差不满足精度要求则进一步调整沟道横向电场Ex的值，并重复上述步骤直至满足精度要求；如果两者误差满足精度要求，则获得Vgs的初始徝对应的载流子迁移率值并按照预定步长继续调整所述Vgs的值，重复上述步骤直至获得给定Vgs的范围内载流子迁移率的曲线。通过本发明實施例能够获得准确的载流子迁移率μeff的曲线

梁仁荣, 王敬, 许军 申请人:清华大学