专利名称：半导体参数分析方法及其系统的制作方法
本专利所属技术领域为半导体参数信息处理领域，主要涉及半导体器件参数的提取。
关于金属一氧化物一半导体场效应晶体管的主要参数沟道载流子迁移率及阈值电压的主要现有检测技术(一).电流线性外推方法在漏极电压较小的情况下(≤100mv)，得到栅压与漏电流的线性关系，其直线外推之截距为阈值电压，而斜率为相关载流子迁移率。(见D.K.Schroder，“Semiconductor Material and Device characterization”，Wiley-Interscience，chap.4，New York，1990)(二)电流方根外推方法利用MOSFET的饱和特性，得到栅电压与电流平方根之线性关系，其直线外推之截距为饱和阈值电压，而斜率为相关迁移率。
上述两种方法，实际上均不满足理想线性化要求，在栅电压高端由于迁移率的变化，而在栅电压低端由于亚阈区电流的存在，都会失去线性，因而只存在有限的线性段。在超大规模集成电路的器件尺寸不断变小的情况下，这种线性段变得越来越短，这为两个参数的确定带来不确定因素。
本发明为弥补上述两种方法之不足，采用比例差值算符技术，对半导体I-V特性进行比例差值分析，得出比例差值特性和较准确的半导体参数。
本发明的半导体参数分析方法，其步骤包括先通过半导体参数测试仪器测量完整的半导体器件I-V输出特性，包括器件的三极管工作区以及部分饱和或准饱和区得到的半导体器件的渐近或准渐近I-V特性。然后通过比例差值算符分析软件系统对上述I-V特性进行比例差值处理，得到相应的比例差值I-V函数特性和半导体参数。本发明的比例差值常数K值在1.01-10之间。
本发明的半导体参数分析系统，包括半导体参数测试仪器，计算机，测试台，计算机与测试仪器接口卡，半导体参数分析软件系统，该软件系统对数据进行比例差值处理，包括用户接口模块；测试模块；分析模块；数据管理模块；数据显示/打印模块。
本发明基本原理如下1.比例差值算符技术的基本思想将一种函数f(x)的比例差值定义为Δpf(x)＝f(kx)-f(x)(1)式中k为一个大于1的正数，称为比例差值常数，而Δp称为比例差值算符。
2.渐近函数比例差值谱定理若一种函数f(x)，在区间(0，∞)是连续，可微的递增或递减的函数，并有f(o)＝A，f(∞)＝B，其中A与B为两个常数。那么，在区间(0，∞)必定存在一点(xp)，满足dΔPf(x)dx|x=xP=0--(2)]]>这个定理可由Rolle定理[2，3]证明。
于是，渐近函数的Δpf(x)值，在(0，∞)区间存在极值，即Δpf(x)是一种谱函数。于是谱峰高度与f(x)的渐近值f(∞)有关，而xp与f(x)函数的特征参数有关，从而得到f(x)函数的两个重要参数，完成了f(x)函数的定量分析。
比例差值与等值差值的差异及其在实施技术上的特点1.比例差值所取相邻两个自变量的比例为常数，而等值技术要求相邻的两个自变量之差为常数，并要求此常数小于某量，以取得突出变化量，压缩自变量的效果。而在比例差值技术中，则无此类强烈限制。
2.比例差值技术中的自变量选择是自由的，即无定域限制，而在等值计算中，对自变量是有限制的，它为两个差值之间的平均值。
以上的两个特点给比例差值计算在技术上带来诸多方便之处。
本发明采用比例差值算符技术处理半导体器件特性，得到新的器件特性——比例差值特性，从而提取半导体器件参数。与传统的拟合法或外推法相比，提高了精度，缩短了测试程序，明显地提高了工效。
图1MOS晶体管典型漏极特性(a)、常规差值特性(b)及其比例差值特性(c)图2P-N结二极管的典型反向I-V特性、常规差值特性及比例差值特性图3半导体器件参数比例差值算符分析技术系统结构图4软件系统结构框5分析模块框6比例差值技术得出的MOS晶体管比例差值特性实施例1确定MOS晶体管参数的比例差值算符方法MOS晶体管的伏安特性可以表示为(见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为晶体管之宽长比，Ci为SiO2电容。μn为电子迁移率，φB为半导体材料费米势，VFB为平带电压，γ为体效应因子。
由(3)式可以看出，在VG给定的情况下，电流I首先随漏端电压VD线性增加(线性区)，然后，趋于饱和值(饱和区)。图1给出了MOS晶体管漏极特性(ID～VD)、常规差值(ΔID～VD)与比例差值特性(ΔPID～VD)示意图，点线表示漏电流达到最大时的漏端电压(VDsat)的轨迹。
由图1可见，方程(3)可视为满足渐近近似的函数，故可以用差值谱函数定理求其比例差值为ΔPI=ZLμnCi{(VG-VFB-2φB)(K-1)VD-12(K2-1)VD2-23γ---(4)]]>[(KVD+2φB)3/2-(VD+2φB)3/2]}不难证明，当VD变到VDP时，ΔPI出现峰值，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)]]>当VDP→0时，(8)式简化为VG(VDP=0)=VTO(φB)=VFB+2φB+γ2φB---(9)]]>于是，由(7)、(9)两式，最后可确定饱和阈值电压VTsat以及经典阈值电压VTO之值。
迁移率可由下式得到μ=2ΔPI(VDP)(ZL)Ci(k2-1)VDP2-----(10)]]>式中，Z/L、Ci均为已知器件尺寸常数，一旦ΔPI(VDP)与VDP确定，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，它与常规差值特性不同，它具有谱峰特性，这种特性可作为一种新的器件性能指标来判断器件的基本特性，峰值高表示器件μ大，跨导大；峰位大，表示阈值电压大。
(ii)数据信息处理的简化仅由一次ID～VD常规测量，及其ΔPID～VD特性处理就可以得到结果，而无须象其它方法那样，改变工作模式，作小的VD限制。
(iii)阈值电压与迁移率的分别测量栅电压(Vg)对迁移率的影响，不影响阈值电压的确定。
(iv)此技术给出了一种确定饱和区电压VDsat的方法，特别是在有沟道调制，VDsat无法精确地确定的情况下，更是一个突出的长处。
(v)消除了亚阈电流的影响。因为此方法是在器件特性接近理想状态下进行的，公式(4)能充分精确地描述其基本特性，与亚阈区电流无关。
2确定PN结二极管特性参数的比例差值算符技术PN结的反向电流特性可用下式描述I＝IS(1-e-V/Vt)(11)IS为反向饱和电流值，Vt＝KT/q称为热电势，K为玻尔兹曼常数，T为器件工作的环境温度，q为电子电荷量。
不难看出，(11)式也是一种典型的渐近函数，当V＝0时，I＝0；而当V→∞时，I＝Is。
所以，用比例差值算符方法可以很方便地确定出相应的器件参数Is与Vt值。
用比例差值算符对(11)式进行运算，其结果为ΔPI＝IS(e-v/vt-e-kv/vt)(12)求极值∂ΔPI∂V|V=Vm=0-----(13)]]>可得 Vt＝(k-1)Vm/lnK (14)IS=KKK-1ΔPI(Vm)/(K-1)-----(15)]]>二极管反向I-V特性，常规差值特性ΔI-V及比例差值特性ΔPI-V曲线分别如图2(a)、(b)、(c)所示。
由此可以(i).得到了PN结二极管的新的反向特性——比例差值特性，它与常规差值特性比较，显然不同。其谱峰可以作为PN结二极管的一种新的性能指标来利用。例如，峰值高表示漏电流大，峰位大表示PN结不理想等。
(ii).数据处理简化是本发明的特点在常规方法中要确定这两个参数要进行反复拟合才能得到满意的结果。而应用ΔPI-V的特性给出的谱峰特性，使计算结果大大简化。
(iii).本发明出现峰值的地方，只要注意是在Vt＝KT/q＝26mv(室温)的量级，并且远远小于高场内发射的电压(大于1v)，就可以确保器件参数的确定。从而克服了反向电压增大以后，由于内场发射的影响，电流不发生饱和现象，对于器件参数的确定发生的困难。
(iv).由于是在低压下即完成了器件参数的确定，大电流下的串联电阻以及热效应引起的修正可以得到极大改善。
(v).本技术实现了对PN结二极管在应用条件下，对环境的温度监测。Vt是它的环境温度的表征量，这在变温实验中尤为重要。
在半导体参数的测试技术领域，HP公司生产的HP4140系列半导体器件参数分析仪，在国际市场几乎形成垄断局面，是一种公认的高科技产品。但是这种产品的功能仍是基于已有的原理、方法。虽然惠普仪器年年升档，不断更新，但是，我们研究的比例差分技术尚未出现在这类产品中，我们已经利用比例差值分析技术与HP仪器组合成半导体器件参数比例差值算符分析技术系统，得到了该技术应用的验证。
半导体器件参数比例差值算符分析技术系统由以下部分构成486/66/8MB以上IBM兼容PC机一台、软件系统、HP4145B晶体管参数分析仪或BC2931A晶体管参数测试仪一台、配套测试盒或样品台，图3为该系统的结构图。
本发明的软件系统结构框图如图4。根据软件系统结构框图，我们是在Windows95/NT下采用Visual C++5.0来实现的。总体设计上采用Doc/View方式，以文档(Document)为核心来管理所有的数据，用视(View)来显示结果，通过用户界面来接收用户的输入。基于以上考虑，整个程序可大概分为以下几个模块●用户接口模块●测试模块●分析模块●数据管理模块，即文档模块●数据显示/打印模块，即视模块1、用户接口模块用户接口模块主要是实现人机交互功能，处理用户的输入。界面的设计采用Windows下最新的界面风格，直观、易于操作。
2、测试模块对于测试模块，由于我们考虑到不同的用户可能会拥有不同的测试仪器，所以该软件对测试部分提出了这样一种构想在程序中设置一个仪器测试控制接口，同时自定义一个统一用户标准接口，用户只要根据这一标准把自己的仪器控制程序做成动态库，就可以用该软件进行监测和数据采集。测试的结果由文档模块来管理。
3、分析模块分析模块是该软件的核心模块，是进行数据分析的主要模块。在这一模块中借用了大量的科技计算子程序并结合我们的谱分析技巧对实验数据进行处理。处理数据的理论依据是比例差值谱的基本原理。
该分析模块主要处理I-V特性的实验数据，该模块的结构框图如图5。
4、数据管理模块，即文档模块数据管理模块主要负责所有实验条件、样品参数、分析条件、实验数据、分析结果及中间数据和数据显示参数的管理，同时也管理分析过程中所作的分析备注。这一模块采用的是MFC的CDocument类作为基类实现的。在数据存储中使用了MFC的数组模板，所有的数据都以二进制方式存储在一个文件中。这样避免了一个实验多个文件不便于管理的缺点，同时也可以保证实验条件、样品参数等一些相关的数据都保存在一起，这样避免了原来那种拿到数据后，不知道实验条件以及样品参数等一些实验必须的数据等缺点。此外，为了保证实验数据的通用性，我们在程序中提供了用户可以将当前显示的数据以文本方式单独保存为用户指定的文本文件的功能。
在设计这个模块时，为了面向该程序自己的测试模块测量的数据和外部的实验数据，我们以面向自身的数据为主，对外部数据进行转换。用户只需要按照创建新文件向导就可以很方便地将一个已有的实验数据转换为一个比例差值谱软件的工程文件。
5、数据显示/打印模块，即视模块该模块负责从文档模块中获取数据并将数据根据用户的选择进行显示或打印。由于采用了MFC的视，所以在打印时可以很方便的进行打印预览，即所见即所得功能。在该模块中我们还增加了一个新的功能，那就是允许用户在分析前对实验数据进行一定的人为干预。之所以增加这一功能是因为在实验过程中，往往会出现由于外界干扰使得实验数据明显偏离正常情况，这种异常的数据点的存在会对分析结果产生影响，所以我们允许用户在不改变实验事实的前提下加入人工干预，在分析过程中忽略这些异常点。但是考虑到这些点又确实是实验过程中得到的，所以忽略的点依然保存在文档中，只是分析过程中未使用而已。这样就可以便于用户在必要时进行恢复。
具体操作如下按照该结构图准备好系统需要的仪器设备以及软件，即486/66/8MB以上IBM兼容PC机一台、HP4145B晶体管参数分析仪或BC2931A晶体管参数测试仪一台、配套测试盒或样品台、软件系统。其中，计算机与测试仪之间需要由合适的接口卡，如GPIB接口卡。
1、准备好测量样品；2、在计算机上安装好软件系统，具体办法参照该软件使用手册；3、连接计算机与测量仪；4、安装并连接好样品盒；5、设置比例差值谱软件各种参数；使用该软件测试并进行分析，即可得到MOS晶体管比例差值特性。
图6为应用半导体器件参数比例差值算符分析技术系统给出的MOSFET晶体管的比例差值特性。由谱图上可以方便地确定出饱和漏极电压VDsat，饱和阈值电压VTsat及相应的经典阈值电压Vtho，其比例差值结果的一致性相当好，从而使原有的功能得到了强化与发展。若应用于仪器必然导致仪器的升级。
本发明不限于上述两例，对于双极晶体管，结型场效应晶体管，SOI MOSFET，MS二极管，异质结也是适用的。因为这是一种具有普遍意义的分析技术，只要被研究的半导体器件特性具有渐近函数的特点，就可利用本技术进行特性研究与参数的提取。
权利要求
1.一种半导体参数分析方法，其步骤包括1)通过半导体参数测试仪器测量完整的半导体器件I-V输出特性；2)通过比例差值算符分析软件系统对上述I-V特性进行比例差值处理，得到相应的比例差值I-V函数特性和半导体参数。
2.如权利要求1所述的半导体参数分析方法，其特征在于所述I-V输出特性即包括器件的三极管工作区以及部分饱和或准饱和区得到的半导体器件的渐近或准渐近I-V特性。
3.如权利要求1所述的半导体参数分析方法，其特征在于比例差值常数K值在1.01-10之间。；
4.一种半导体参数分析系统，包括半导体参数测试仪器，计算机，测试台，计算机与测试仪器接口卡，半导体参数分析软件系统，其特征在于该软件系统对数据进行比例差值处理。
5.如权利要求4所述的半岛体参数分析系统，其特征在于说述软件系统包括以下模块用户接口模块；测试模块；分析模块；数据管理模块；数据显示/打印模块。
全文摘要
本发明涉及一种半导体器件参数比例差值算符分析方法及其系统。先通过半导体参数测试仪器测量完整的半导体器件Ⅰ－Ⅴ输出特性,然后通过比例差值算符分析软件系统对上述Ⅰ－Ⅴ特性进行比例差值处理,得到相应的比例差值Ⅰ－Ⅴ函数特性和半导体参数。与传统的拟合法或外推法相比,提高了精度,缩短了测试程序,明显地提高了工效。可应用于半导体参数信息处理领域。
文档编号H01L21/66GK1261205SQ0010012
公开日2000年7月26日 申请日期2000年1月12日 优先权日2000年1月12日
发明者许铭真, 谭长华, 何燕东, 卫建林, 解冰, 刘晓卫 申请人:北京大学