一种场效应晶体管的迁移率测量方法与流程

本发明涉及半导体测量技术领域，更具体地，涉及一种场效应晶体管的迁移率测量方法。

背景技术：

场效应晶体管或者薄膜晶体管一直被广泛用于半导体中电荷传输的研究和电子器件的构建。这种三端器件通过栅极电压来调控半导体载流子的浓度，通过源漏电极形成电流。对于这种电子器件，传统的测量方法是测量其电流电压关系，从中得到半导体的迁移率。但是这种测量的准确性要求了晶体管中许多理想条件的成立。近年来，随着新型半导体材料如纳米线半导体、二维半导体、有机小分子或者高分子等的发展，许多用这些材料构建的场效应晶体管展现了非理想的特性，传统方法无法准确测量这些器件的迁移率。

如果要准确的测量场效应晶体管和薄膜晶体管，应该对电流和电压进行独立的测量，已有的方法包括扫描凯尔文探针法和栅控四探针法等，但是进行扫描凯尔文探针法的设备复杂昂贵，栅控四探针法只能适用于极低源漏电压的条件下的测量。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种场效应晶体管的迁移率测量方法，可以在栅极电压达到阈值以上的任何工作区域进行测量，并且可以获得包括电极-半导体接触特性、半导体中电势的变化、漂移电场的变化等信息。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种场效应晶体管的迁移率测量方法，其中，包括有以下步骤：

s1:在待测场效应晶体管的漏极、栅极分别加上电压，源极接地，进行输出特性曲线和转移特性曲线测量；

s2：在待测场效应晶体管的沟道上加上两根探针进行对地电势的测量，所述两根探针的位置相对沟道中点距离相等；

s3：结合转移特性曲线以及两根探针的电势和距离，可以得到迁移率为

其中，id为源极漏极之间的电流，vg为栅极电压，w为沟道宽度，ci为介电层的单位面积电容，x1和x2为所述的沟道中两个探针的位置坐标，v1和v2分别为两个探针的测量到的对地电势。

在一个实施方式中，步骤s3中，迁移率μ公式包括以下步骤：

s31：传统的电流模型中，电流包括漂移电流和扩散电流，电流密度的公式为

其中μn为电子的迁移率，en为电场强度，n为电子的浓度，q为元电荷的电荷量，dn为电子的扩散系数；

s32：记沟道长度方向为x轴方向，电势记为vx，在场效应晶体管中vx为坐标x的函数；ex为沟道中坐标为x的漂移电场强度，在场效应晶体管中ex为坐标x的函数，场效应晶体管中源漏电流为id，栅极电压超过阈值电压时，忽略扩散电流，则电流用以下公式描述；

式中，栅电压为vg，沟道长度l，沟道宽度w，实际场效应晶体管中迁移率受到电场和电势的影响，所以μ＝μ(vx，ex)，单位面积电容ci，则沟道上坐标为x的一点处，积累的电荷为ci(vg-vx)，漂移电场为

s33：对于沟道中心的点，沟道中心的电场和电势为：

emid为沟道中心的电场，vmid为沟道中心的电势，电场和电势可以通过距离沟道中心距离相等的两点x2，x1来计算；

s34：用步骤s33中的两式去替换vx和ex，在线性区由于vg＞＞vx，忽略vx，ex则可以放到求导符号外，得到

得到迁移率μ的计算公式。

在一个实施方式中，步骤s3中转移特性曲线的测量过程中，漏极电压的设定范围在0v到栅极所加的电压之间。

在一个实施方式中，步骤s2中探针与沟道接触的面积不大于沟道面积的尺度，同时沟道的长度不小于100微米。

另外，待测场效应晶体管形态为薄膜结构，而非体材料加工而成。

步骤s2中探针在沟道上的位置为在沟道长度方向上的两个三等分点，探针与沟道的接触为欧姆接触。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

本方案场效应晶体管的迁移率测量方法，可以排除接触对迁移率测量的影响，得到准确的迁移率，同时拓宽了原有四探针法的测试范围，还能根据沟道电势和漂移电场的变化对场效应晶体管的工作状态做出判断。同时可以在栅极电压达到阈值以上的任何工作区域进行测量，并且获得包括电极-半导体接触特性、半导体中电势的变化、漂移电场的变化等更多的信息。

附图说明

图1为本发明实施方式的四个探针在场效应晶体管中的位置示意图。

图2为实施例2中薄膜晶体管的光学显微镜图。

图3为实施例2中场效应晶体管在两种温度条件下的转移特性曲线。

图4为实施例2中场效应晶体管在本方法与传统方法下测量得到的迁移率对比。

图5为实施例2中场效应晶体管的沟道中心电势和漂移电场的测量结果。

图6为实施例3中场效应晶体管在本方法与传统方法下测量得到的迁移率对比。

图7为实施例3中场效应晶体管的沟道中心电势和漂移电场的测量结果。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1：

本发明提供一种场效应晶体管的迁移率测量方法，包括有以下步骤：

s1：在待测场效应晶体管的漏极、栅极分别加上电压，源极接地，进行输出特性曲线和转移特性曲线测量；

s2：在待测场效应晶体管的沟道上加上两根探针进行对地电势的测量，所述两根探针的位置相对沟道中点距离相等；

s3：结合转移特性曲线以及两根探针的电势和距离，可以得到迁移率为

其中，id为源极漏极之间的电流，vg为栅极电压，w为沟道宽度，ci为介电层的单位面积电容，x1和x2为所述的沟道中两个探针的位置坐标，v1和v2分别为两个探针的测量到的对地电势。

迁移率μ公式的推导包括以下步骤：

s31：传统的电流模型中，电流包括漂移电流和扩散电流，电流密度的公式为

其中μn为电子的迁移率，en为电场强度，n为电子的浓度，q为元电荷的电荷量，dn为电子的扩散系数；

s32：记沟道长度方向为x轴方向，电势记为vx，在场效应晶体管中vx为坐标x的函数；ex为沟道中坐标为x的漂移电场强度，在场效应晶体管中ex为坐标x的函数，场效应晶体管中源漏电流为id，栅极电压超过阈值电压时，忽略扩散电流，则电流用以下公式描述；

式中，栅电压为vg，沟道长度l，沟道宽度w，实际场效应晶体管中迁移率受到电场和电势的影响，所以μ＝μ(vx，ex)，单位面积电容ci，则沟道上坐标为x的一点处，积累的电荷为ci(vg-vx)，漂移电场为

s33：对于沟道中心的点，沟道中心的电场和电势为：

emid为沟道中心的电场，vmid为沟道中心的电势，电场和电势可以通过距离沟道中心距离相等的两点x2，x1来计算；

s34：用步骤s33中的两式去替换vx和ex，在线性区由于vg＞＞vx，忽略vx，ex则可以放到求导符号外，得到

得到本发明中迁移率μ的计算公式。

本实施例中，步骤s3中转移特性曲线的测量过程中，漏极电压的设定范围在0v到栅极所加的电压之间。

沟道的长度不小于100微米，探针与沟道接触的面积不大于沟道面积的尺度，探针与沟道的之间为欧姆接触。

本实施例中，探针在沟道上的位置为在沟道长度方向上的两个三等分点。

待测场效应晶体管并非体材料加工而成，待测场效应晶体管形态为薄膜结构。

由于在待测场效应晶体管的沟道上加上两根探针进行对地电势的测量，也可以利用步骤s3中探针的位置x1和x2，和测量得到的电势v1和v2，计算得到沟道中心的电势vmid和漂移电场emid，计算公式为：

可以根据沟道中心的电势vmid随着栅极电压vg的变化来确定源漏电极和半导体之间是否存在接触势垒。如果vmid-vg曲线分段不符合幂函数形式，则源漏电极和半导体之间存在较大接触势垒。

可以根据沟道中心的漂移电场emid随着栅极电压vg的变化来确定源漏电极和半导体之间是否存在接触势垒。如果emid-vg曲线分段不符合幂函数形式，则源漏电极和半导体之间存在较大接触势垒。

实施例2：

(1)进行待测器件准备：本实施例中待测的场效应晶体管为底栅顶接触结构的igzo薄膜晶体管即氧化铟镓锌薄膜晶体管，晶体管结构和探针位置如图1所示，衬底6连接绝缘层4，绝缘层4与衬底6之间设有栅极，绝缘层4上连接有源电极1和漏电极3，实际场效应晶体管的光学显微镜图如图2所示。

探针电极2和其他三个电极均由磁控溅射的钼形成，并通过光刻形成电极图案。半导体igzo薄层通过磁控溅射然后光刻的方法形成，衬底6为玻璃。沟道长度为200微米，栅电极与沟道之间存在4微米的错位。在测量底栅结构的薄膜晶体管时，四个探针电极2两两位于源极、漏极、沟道上的两个三等分点。

(2)场效应晶体管的电流电压特性的测量利用半导体分析仪agilentb1500a进行：源极接地，漏极电压为20v，栅极5电压从-5v扫描至20v，所测电流为通过漏极的电流。同样的电压条件下，分别在温度为268k和328k条件下进行测量。此过程可以得到转移特性曲线测量结果，即漏极电流id与栅极5电压vg之间的关系，如图3所示，在关系曲线中，场效应晶体管开启后曲线明显分成了两段，研究表明这是接触势垒造成的。

(3)在步骤2测量过程中，两根探针电极2一直对两点的对地电势进行测量。已知沟道宽度w，介电层的单位面积电容ci，沟道中两个探针的位置坐标x1和x2，分别测量到的对地电势分别为v1和v2，则测量得到的迁移率计算方法为

如图4所示为迁移率的测量结果与传统方法的对比。

(4)同时也可以根据测量结果估算沟道中点的电势vmid和漂移电场emid，计算公式为

结果如图5所示，图5中两种温度下沟道中心的漂移电场存在明显的不同，这也是接触势垒造成的，通过图5的形式可以辅助我们判断场效应晶体管的电极接触是否存在较大势垒。

从图4可以看出，在传统方法的测量中，两种温度下的结果存在较大差异，这是由于接触势垒收到温度的调节。而本发明提供的方法测量下，在两种温度下仍然保持一致，表明本方法排除了接触势垒和温度的影响，可以得到良好的迁移率测量结果。

实施例3：

本实施例与实施例1类似，不同之处在于，本实施例采用的是另一个具有较大接触势垒的igzo晶体管，测量步骤只在300k温度下进行测量，探针电极2位置参考图1所示。

图6为传统方法与本方法测量的迁移率结果对比，图7为沟道中心电势和电场测量结果，可以看出，在沟道势垒较大的情况下，栅极5电压对沟道中心的电势和电场的调控很复杂，明显偏离幂函数形式，传统测量迁移率的方法会受此影响，本发明提供的方法则不受影响。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。