专利名称：陷阱电荷弛豫谱方法及其测量系统的制作方法
本专利所属技术领域为半导体测试技术，主要是涉及MOS系统绝缘层中的各类陷阱电荷的检测方法及装置。
关于MOS系统中绝缘层(主要是SiO2)载流子陷阱电荷的现有检测技术(一)平带电压漂移方法当对SiO2注入电子时，其中的陷阱会不断俘获电子形成氧化层体电荷，导致MOS结构的平带电压(VFB)随时间发生变化，由此可估算氧化层中的陷阱密度和俘获截面。
(二)高场应力方法采用恒定电压，或恒定电流，或线性电压等高场应力方法，在SiO2体内或界面产生一系列正、负陷阱电荷，调制SiO2阴极电场，使Fowler-Nordheim隧道电流或隧道电压(VFN)发生时间相关变化，利用计算机拟合的方法确定陷阱电荷参数。
平带电压漂移法测量的是总的绝缘层陷阱电荷效应，不能识别不同类型的陷阱电荷及其分布，且确定俘获截面的方法比较困难，精确度很低。高场应力方法也存在同样的问题，由于体内陷阱种类很多，故计算机拟合的难度很大，不直观，而且无法分离出矩心和面密度两个物理量。
关于绝缘层中可动离子陷阱电荷的现有检测技术(一)温偏实验方法(BT)在恒温条件下(423°K-473°K)，对MOS结构分别施加不同极性的偏压，将可动离子驱赶到不同的界面附近，使平带电压(VFB)产生变化，由正、负两次温偏处理后得到的C-V特性，可推算出可动离子的面密度。
(二)三角波扫描方法(TVS)在较高温度下(423°K-473°K)，对MOS电容加慢扫描电压，驱动可动离子，使在恒定的位移电流上迭加了一个离子电流，在准静态C-V曲线上出现了一个电容(电流)峰，从峰的面积可以计算可动离子面密度。
(三)热激离子电流方法(TSIC)在一定电场下，逐渐升高温度，使可动离子从陷阱中激发出来，形成离子电流，出现相应的电流峰，利用峰的面积和位置可以求解出可动离子的面密度、能级深度和跃迁频率。
(四)场助热激离子电流方法(FA(T)SIC)既考虑了温度激发可动离子效应，也考虑了电场效应(采用Poole-Frenkel场效应陷阱模型来描述)。即可动离子谱峰的大小、位置，不仅与温度有关，而且与所加电压的扫描速率有关。
BT法的缺点是灵敏度低(只能测量～1010cm-2以上的可动离子量)，受界面影响大，不能区分可动离子种类，不能给出能级深度。其他方法虽然灵敏度略高于BT，但很有限，而且仍存在种种问题。比如TSIC技术，虽然给出了可动离子面密度，能级深度和跃迁频率三个基本参数，但没有考虑电场效应，实验温度偏高，且无法处理跃迁频率是温度的函数的情况。
基于上述传统测量工作的不足，我们发明了一种新的检测分析技术和测试系统。称为MOS绝缘层陷阱电荷弛豫谱方法(TCRS)及其测量系统(TCRSS)。
TCRSS测量系统主要由陷阱电荷弛豫谱仪，信号源，数模、模数转换器，微型计算机(微型计算机包含一个计算机辅助测试、计算及图形分析软件包，简称为TCRSS系统软件包)组成。其硬件结构框图见
图1。
陷阱电荷弛豫谱仪的核心电路采用一种共模输入电流补偿型电路(见图2)，利用多刀开关，该电路可变为差模输入电路(见图3)。
TCRSS系统软件包是VLSI/ULSI MOS结构陷阱电荷弛豫谱仪的一个组成部分，应用菜单驱动交互式程序设计方法研制而成，它能够较为精确地分析MOS结构氧化层高场应力条件下陷阱特性，并且为用户提供方便的测试、控制、分析、图形功能和良好的用户界面。如图4所示，TCRSS系统软件包主要由主程序模块、控制与测试程序模块、数据分析程序模块、图形分析程序模块和结果存储与输出程序模块等五个部分组成。下面将对这几个部分的功能结构和设计原理分别作简要说明。
(一)主程序模块主程序模块是系统总的引导和管理模块，包括操作系统的引导与系统自检，TCRSS系统软件包所需语言环境的建立，图形包所需造型表的引入，记录系统使用者的姓名与使用时间，自启动引导进入TCRSS系统软件包主管理菜单等几个方面的功能。
(二)控制与测试程序模块控制与测试程序模块由普通信号测试、随机信号测试和周期信号测试等几个部分以及相应的测试条件遥控程序组成。
TCRSS系统软件包提供以下十项控制功能①接口初始化功能;
②正常操作与标定方式选择;
③查询方式选择;
④单次采样时间及有效测试位数选择;
⑤测试工作模式选择(直流电流及电压测试、交流电流及电压测试等，配以适当探头，还可适用于测试温度等物理参数);
⑥测试数据传输方式控制;
⑦量程选择(自动/手动);
⑧自触发连续实时测试方式选择;
⑨时漂与零漂较正;
⑩输出错误状态选择。
考虑到测试软件结构主体的相似性，这里以普通信号测试程序流程图(见图5)为例，说明测试程序的结构原理。
(三)数据分析程序模块数据分析程序模块按其功能可分为绝缘层陷阱分析，可动离子分析等几个部分。陷阱电荷弛豫谱方法的核心是有限差分算法，要得到精度很好的有限差分谱，关键在于定点插值算法。常用的插值算法有一元三点拉格朗日方法和埃特金逐步计算法，前者运算速度快，能够反映出谱线的变化趋势，但精度较差，起伏较大，而后者则运算很慢，但精度很高。为了在较短的时间内得到较为精确的结果，本系统软件包采用了一种折衷的算法，即基于一元三点插值结果取出感兴趣段(一般少于10个数)进行二次分析的算法来解决这一问题。
(四)图形分析程序模快图形分析程序模块包括图形分析程序和图形输出方式控制程序两个部分。图形分析程序是基于微机基本开发环境和物理数学分析对图形软件的要求自行设计而成的，提供了图形方式下带有提示和光标指示的字符填加功能、图形窗口尺寸设定功能、图形显示方式选择等功能。用户可以根据需要方便地分析图形的全部或感兴趣局部。这一部分程序包括物理量的时变关系曲线绘制及分析程序、二相关物理量函数关系曲线程序和半对数图形分析程序等几个程序模块。图形输出方式控制程序主要是用来给用户提供方便的图形输出控制功能，包括打印机和绘图仪控制程序两个部分，使用户能够控制图形输出的大小和形状等因素。
(五)结果存储与输出程序模块这一部分程序是为了使用户可以方便地管理和分析测试结果而设计的。通过使用这部分软件，用户可以存储或读取感兴趣数据到指定的文件或位置进行管理和分析。同时，考虑到数据与图形分析软件包的通用性，还可应用这一部分程序根据HP4145B等先进测试系统得到的结果建立相应的数据文件来进行分析，使这些先进测试系统功能得到进一步扩展而仅需极少的开支。
TCRSS的特点①交、直流参数检测兼容;②具有高分辨率工作模式，灵敏度高、易于检测微变量小信号;③具有双向跟踪补偿功能;④共模输入特性提高了仪器的抗干扰能力。
陷阱电荷弛豫谱(TCRS)测量技术首先利用TCRSS测量系统。对被测样品(MOS结构)施加一定的激励电压，测量MOS结构的电流。例如，对测量绝缘层载流子陷阱电荷，施加恒定的正或负电压，测量FN隧道电流I(t);而对测量绝缘层可动离子陷阱参数，则施加线性扫描电压，测量MOS电容的位移电流和离子电流I(V)。最后对电流进行差值取样，求其弛豫谱。
下面以测量载流子陷阱电荷参数为例说明上述测量技术。
由TCRSS系统软件包控制采集数据，并将原始数据作适当的形式变换F＝∫τOJ(t)dt/q，
＝ln(J(t)/J0)。其中J(t)是t时刻的电流密度，q是电子电荷量，F是电子流量密度，J0是初始电流密度，
是对数归一化电流密度。然后，取适当的电子流量密度间隔，得到一个电流差值
(K·F)-
(F)作为电子流量密度(F)的函数的变化曲线。我们称之为陷阱电荷弛豫谱线，其中K称为差值取样因子。
由于绝缘层中原生陷阱和高场激发的各种陷阱的产生时间常数或俘获截面不同，则在弛豫谱线中就会表现出不同的峰，峰的位置和高度代表相应的陷阱参量。比如峰的位置(Fm)体现了陷阱俘获截面<σ>，峰的高度隐含了陷阱密度(N)和分布荷心(X)两个参数。
在陷阱电荷弛豫谱线中，电子流量密度间隔取为F2＝KF1，K为差值取样因子，其取值范围约为1.2～1.0001，视具体情况而定，当K值取的适当时，弛豫谱线峰位置(Fm)的倒数即代表了俘获截面的数值大小。
陷阱电荷弛豫谱技术的原理图为图6。
TCRS测量方法的优点为(一)能区分不同种类的陷阱电荷效应。由于不同的陷阱电荷具有特定的不同于其他陷阱的弛豫特性，因而在驰豫谱中表现出不同的谱峰。
(二)能直接给出陷阱的三个基本参数，特别是能直观地给出陷阱的动态参数-俘获截面<σ>。
(三)精确度和灵敏度高。由于弛豫谱中采用了差值取样技术，使测量过程中的背景电流以及其他陷阱电荷引起的初始电流、饱和电流影响减至最小，鲜明的谱峰特性，使细微变化更加醒目。
实施例一检测MOS绝缘层中陷阱电荷参数这里我们以恒定电压应力下的弛豫为例，说明利用TCRS方法来检测绝缘层中的原生陷阱参数。
使用TCRSS测量系统(图1)，将被测MOS样品置于屏蔽测试样品台中，样品台处于恒定室温下，用信号源施加恒定电压应力作用，通过陷阱电荷弛豫谱仪测量MOS绝缘层(SiO2)的时间相关FN隧道电流。其理论公式为J(t)＝AEc2exp(-B/Ec) (3)这里，J(t)是t时刻的电流密度，Ec是所施加的绝缘层(SiO2)阴极电场，A、B是两个与材料有关的常数。若SiO2中存在原生陷阱，这些陷阱俘获隧道电子形成体内负电荷，由此而产生的阴极电场变化量为△Ec＝-qXNot(1-exp(-<σ>F))/∈iTox (4)其中Not为原生陷阱密度，X为距Si/SiO2界面的荷心，<σ>为平均俘获截面，∈i为SiO2的介电常数，Tox为SiO2厚度，F为电子流量密度，<σ>和F可表示为<σ>＝(∫τ0σJdt)/F·q (5)F＝∫τ0J(t)dt/q (6)初始阴极电场为Eo，原生陷阱引起的阴极电场变化量为△E，则Ec(F)＝Eo+△E(F) (7)代入(3)可得到隧道电流的近似公式ln(J/Jo)≌(2+ (B)/(Eo) ) (△E)/(Eo)＝-(2+ (B)/(Eo) ) (q)/(Eo∈iTox) XNot〔1-exp(-<σ>F)〕 (8)这里Jo为初始电流密度，一旦作用电压决定后，上式前两项为一常数，令H＝(2+ (B)/(Eo) ) (q)/(Eo∈iTox) ，则有，ln＝ln(J(F)/Jo)＝-HXNOt〔1-exp(-<σ>F)〕 (9)做差值取样，令F2＝KF1，得到S(F)＝HXNot〔exp(-K<σ>F)-exp(-<σ>F)〕 (10)
上式即原生陷阱弛豫谱线的理论表达式，令 (dS)/(dF) ｜Fm＝0可推出谱峰的位置和高度。
<σ>Fm＝ (ln K)/(K-1) (11a)
由(11a)式可以看出谱峰的位置与陷阱俘获截面有确定的对应关系，当差值取样因子K选择合适时，<σ>近似等于峰位(Fm)的倒数(K一般取1.2至1.0001之间)
当采用不同的电压作用极性时(衬底注入和栅注入)，则得到两个关于峰高的关系式
解此联立方程组可得到X和Not两个参数。
由此可以看出用这种陷阱电荷弛豫谱技术可以很直观方便地求出陷阱电荷的三个基本参数。图7为陷阱电荷弛豫谱方法的一个实验图谱。
实施例二关于MOS绝缘层中可动离子陷阱参数的测量技术利用TCRSS测量系统不仅可做常规测量检测绝缘层可动离子，而且还可以做高分辨率测量，很方便而且精确地区分并检测两种以上的可动离子。
当绝缘层中存在两种以上可动离子时(如Na+，K+等)，由于不同离子电流峰的部分交叠，用常规方法测量(如FA(T)SIC法)，就会大大影响测量分辨率和结果精确度。
本发明检测可动离子电荷的具体方法是利用TCRSS测量系统，在高温条件下(350°K-500°K)，对被测MOS样品施加线性扫描电压，扫描速度为0.5伏/秒至0.01伏/秒，利用TCRSS的动态跟踪补偿功能，将恒定位移电流补偿掉，得到分辨率更高的可动离子电流谱(图8(a))，其中J1，J2分别是两种可动离子的峰值。其峰值点与离子陷阱参数的关联方程为E =kTln( (2kTS)/(αVβ) Vm1/2) + βVm1/2(15)这里E为陷阱深度，S为离子的逸出频率，Vm为峰值电压，T为热激温度，αV为线性扫描速率，k为Baltzmann常数，β = ( (q3)/(πΕiTox) )1/2这里Tox为绝缘层厚度，∈i为SiO2的电容率，q为电量。
通过TCRS软件包对测量离子电流谱做差值取样，取归一化的无量纲量
＝βV1/2/kT，得到新的离子电流弛豫谱，J(K
)-J(
)(图8(b))，差值因子K一般取1.2至1.0001，其谱峰方程为
利用两个相近温度下的联立方程组可以求出不同离子陷阱的S和Ei参数。图8(b)中S+1和S-2分别为反映两类可动离子性质的谱峰值。
TCRS技术的优越之处在于由于多种离子电流之间有相互作用，比如图8(a)中第一个电流峰不仅仅是第一种离子电流，还迭加了一部分第二种离子电流，因此FA(T)SIC用峰值确定的离子陷阱参数受到了很大的影响。从图8(b)可以看出，TCRS技术实际上是应用第一个电流峰的上升边确定第一类可动离子参数，用第二个电流峰的下降边确定第二类可动离子，这样两类离子电流的相互影响就被减小到最低限度。则大大提高了测量分辨率和实验精度。
说明书附1 陷阱电荷弛豫谱仪测量系统(TCRSS)框2 共模输入电流补偿型电路原理图G 运算放大器R1反馈电阻Z2被测元件Z4平衡补偿元件R3平衡电阻图3 差模输入测试电路原理图G 运算放大器R1反馈电阻Z2被测元件图4 陷阱电荷弛豫谱仪测量系统(TCRSS)软件包的结构原理框5 普通信号测试流程6 单电子陷阱弛豫谱原理图A 归一化的
(F)驰豫谱线
B HXNot＝1，K＝1.1时的TCRS弛豫谱线图7 栅注入和衬底注入时的TCRS实验图谱(a)衬底注入(b)栅注入图8 高分辨率可动离子陷阱弛豫谱(a)补偿可动离子电流谱J(V)(b)TCRS弛豫谱
权利要求
1.一种测量MOS绝缘层陷阱电荷的方法，其特征在于它包括(1)对被测样品施加激励电压；(2)利用共模输入电流补偿电路或差模输入电路检测被测样品的电流；(3)通过对被测样品的电流进行差值取样求其陷阱电荷的弛豫谱。
2.根据权利要求1所述MOS绝缘层陷阱电荷测量方法，其特征在于被测样品置于恒定的室温下，对被测样品施加恒定激励电压，按下列方法对被测样品的电流进行差值取样以求其驰豫谱(1)求电子流量密度F＝∫τ0J(t)dt/q;(2)求对数归一化电流密度
相对于电子流量密度F的有限差分
(K·F)-
(F)，K取1.2至1.0001。
3.根据权利要求1所述MOS绝缘层陷阱电荷测量方法，其特征在于被测样品置于350°K至500°K的恒温下，对被测样品施加扫描速率为0.5伏/秒至0.01伏/秒的线性电压扫描，按下列方法对被测样品的电流进行差值取样以求其弛豫谱(1)求归一化无量纲量
＝βV1/2/kT;(2)求场助热激发可动离子电流密度
对归一化无量纲量
的有限差分J(K·
)-J(
)，K取1.2至1.0001。
4.一种由陷阱电荷弛豫谱仪，信号源，数模、模数转换器，微机系统组成的MOS绝缘层陷阱电荷测量系统，其特征在于陷阱电荷弛豫谱仪包含有共模输入电流补偿电路或差模输入电路，微机系统中包含有一个计算机辅助测试、计算及图形分析软件包，软件包包括(1)主程序模块;(2)控制与测试程序模块;(3)数据分析程序模块;(4)图形分析程序模块;(5)结果存储与输出程序模块。
全文摘要
本发明属半导体测量技术，具体地说，就是涉及MOS系统中绝缘层陷阱电荷的检测技术。陷阱电荷弛豫谱方法及其测量系统(TCRS)采用一种新的差值取样技术和高分辨率的共模输入电流补偿测试电路，首次解决了绝缘层陷阱参数的直接测量和不同类型的陷阱的分离检测问题。这种谱峰分析技术在测量精度和灵敏度方面比现有检测方法和设备高，而且具有直观、方便的特点，对VLSI电路和器件的可靠性和使用寿命的研究具有重要的意义。
文档编号H01L21/66GK1058275SQ9010453
公开日1992年1月29日 申请日期1990年7月17日 优先权日1990年7月17日
发明者谭长华, 许铭真, 王阳元, 张晖, 刘晓卫, 王永顺 申请人:北京大学