專利名稱：半導體參數分析方法及其系統的制作方法
本專利所屬技術領域為半導體參數信息處理領域，主要涉及半導體器件參數的提取。
關于金屬一氧化物一半導體場效應晶體管的主要參數溝道載流子遷移率及閾值電壓的主要現有檢測技術(一).電流線性外推方法在漏極電壓較小的情況下(≤100mv)，得到柵壓與漏電流的線性關系，其直線外推之截距為閾值電壓，而斜率為相關載流子遷移率。(見D.K.Schroder，“Semiconductor Material and Device characterization”，Wiley-Interscience，chap.4，New York，1990)(二)電流方根外推方法利用MOSFET的飽和特性，得到柵電壓與電流平方根之線性關系，其直線外推之截距為飽和閾值電壓，而斜率為相關遷移率。
上述兩種方法，實際上均不滿足理想線性化要求，在柵電壓高端由于遷移率的變化，而在柵電壓低端由于亞閾區電流的存在，都會失去線性，因而只存在有限的線性段。在超大規模集成電路的器件尺寸不斷變小的情況下，這種線性段變得越來越短，這為兩個參數的確定帶來不確定因素。
本發明為彌補上述兩種方法之不足，采用比例差值算符技術，對半導體I-V特性進行比例差值分析，得出比例差值特性和較準確的半導體參數。
本發明的半導體參數分析方法，其步驟包括先通過半導體參數測試儀器測量完整的半導體器件I-V輸出特性，包括器件的三極管工作區以及部分飽和或準飽和區得到的半導體器件的漸近或準漸近I-V特性。然后通過比例差值算符分析軟件系統對上述I-V特性進行比例差值處理，得到相應的比例差值I-V函數特性和半導體參數。本發明的比例差值常數K值在1.01-10之間。
本發明的半導體參數分析系統，包括半導體參數測試儀器，計算機，測試臺，計算機與測試儀器接口卡，半導體參數分析軟件系統，該軟件系統對數據進行比例差值處理，包括用戶接口模塊；測試模塊；分析模塊；數據管理模塊；數據顯示/打印模塊。
本發明基本原理如下1.比例差值算符技術的基本思想將一種函數f(x)的比例差值定義為Δpf(x)＝f(kx)-f(x)(1)式中k為一個大于1的正數，稱為比例差值常數，而Δp稱為比例差值算符。
2.漸近函數比例差值譜定理若一種函數f(x)，在區間(0，∞)是連續，可微的遞增或遞減的函數，并有f(o)＝A，f(∞)＝B，其中A與B為兩個常數。那么，在區間(0，∞)必定存在一點(xp)，滿足dΔPf(x)dx|x=xP=0--(2)]]>這個定理可由Rolle定理[2，3]證明。
于是，漸近函數的Δpf(x)值，在(0，∞)區間存在極值，即Δpf(x)是一種譜函數。于是譜峰高度與f(x)的漸近值f(∞)有關，而xp與f(x)函數的特征參數有關，從而得到f(x)函數的兩個重要參數，完成了f(x)函數的定量分析。
比例差值與等值差值的差異及其在實施技術上的特點1.比例差值所取相鄰兩個自變量的比例為常數，而等值技術要求相鄰的兩個自變量之差為常數，并要求此常數小于某量，以取得突出變化量，壓縮自變量的效果。而在比例差值技術中，則無此類強烈限制。
2.比例差值技術中的自變量選擇是自由的，即無定域限制，而在等值計算中，對自變量是有限制的，它為兩個差值之間的平均值。
以上的兩個特點給比例差值計算在技術上帶來諸多方便之處。
本發明采用比例差值算符技術處理半導體器件特性，得到新的器件特性——比例差值特性，從而提取半導體器件參數。與傳統的擬合法或外推法相比，提高了精度，縮短了測試程序，明顯地提高了工效。
圖1MOS晶體管典型漏極特性(a)、常規差值特性(b)及其比例差值特性(c)圖2P-N結二極管的典型反向I-V特性、常規差值特性及比例差值特性圖3半導體器件參數比例差值算符分析技術系統結構圖4軟件系統結構框5分析模塊框6比例差值技術得出的MOS晶體管比例差值特性實施例1確定MOS晶體管參數的比例差值算符方法MOS晶體管的伏安特性可以表示為(見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為晶體管之寬長比，Ci為SiO2電容。μn為電子遷移率，φB為半導體材料費米勢，VFB為平帶電壓，γ為體效應因子。
由(3)式可以看出，在VG給定的情況下，電流I首先隨漏端電壓VD線性增加(線性區)，然后，趨于飽和值(飽和區)。圖1給出了MOS晶體管漏極特性(ID～VD)、常規差值(ΔID～VD)與比例差值特性(ΔPID～VD)示意圖，點線表示漏電流達到最大時的漏端電壓(VDsat)的軌跡。
由圖1可見，方程(3)可視為滿足漸近近似的函數，故可以用差值譜函數定理求其比例差值為ΔPI=ZLμnCi{(VG-VFB-2φB)(K-1)VD-12(K2-1)VD2-23γ---(4)]]>[(KVD+2φB)3/2-(VD+2φB)3/2]}不難證明，當VD變到VDP時，ΔPI出現峰值，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)]]>當VDP→0時，(8)式簡化為VG(VDP=0)=VTO(φB)=VFB+2φB+γ2φB---(9)]]>于是，由(7)、(9)兩式，最后可確定飽和閾值電壓VTsat以及經典閾值電壓VTO之值。
遷移率可由下式得到μ=2ΔPI(VDP)(ZL)Ci(k2-1)VDP2-----(10)]]>式中，Z/L、Ci均為已知器件尺寸常數，一旦ΔPI(VDP)與VDP確定，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，它與常規差值特性不同，它具有譜峰特性，這種特性可作為一種新的器件性能指標來判斷器件的基本特性，峰值高表示器件μ大，跨導大；峰位大，表示閾值電壓大。
(ii)數據信息處理的簡化僅由一次ID～VD常規測量，及其ΔPID～VD特性處理就可以得到結果，而無須象其它方法那樣，改變工作模式，作小的VD限制。
(iii)閾值電壓與遷移率的分別測量柵電壓(Vg)對遷移率的影響，不影響閾值電壓的確定。
(iv)此技術給出了一種確定飽和區電壓VDsat的方法，特別是在有溝道調制，VDsat無法精確地確定的情況下，更是一個突出的長處。
(v)消除了亞閾電流的影響。因為此方法是在器件特性接近理想狀態下進行的，公式(4)能充分精確地描述其基本特性，與亞閾區電流無關。
2確定PN結二極管特性參數的比例差值算符技術PN結的反向電流特性可用下式描述I＝IS(1-e-V/Vt)(11)IS為反向飽和電流值，Vt＝KT/q稱為熱電勢，K為玻爾茲曼常數，T為器件工作的環境溫度，q為電子電荷量。
不難看出，(11)式也是一種典型的漸近函數，當V＝0時，I＝0；而當V→∞時，I＝Is。
所以，用比例差值算符方法可以很方便地確定出相應的器件參數Is與Vt值。
用比例差值算符對(11)式進行運算，其結果為ΔPI＝IS(e-v/vt-e-kv/vt)(12)求極值∂ΔPI∂V|V=Vm=0-----(13)]]>可得 Vt＝(k-1)Vm/lnK (14)IS=KKK-1ΔPI(Vm)/(K-1)-----(15)]]>二極管反向I-V特性，常規差值特性ΔI-V及比例差值特性ΔPI-V曲線分別如圖2(a)、(b)、(c)所示。
由此可以(i).得到了PN結二極管的新的反向特性——比例差值特性，它與常規差值特性比較，顯然不同。其譜峰可以作為PN結二極管的一種新的性能指標來利用。例如，峰值高表示漏電流大，峰位大表示PN結不理想等。
(ii).數據處理簡化是本發明的特點在常規方法中要確定這兩個參數要進行反復擬合才能得到滿意的結果。而應用ΔPI-V的特性給出的譜峰特性，使計算結果大大簡化。
(iii).本發明出現峰值的地方，只要注意是在Vt＝KT/q＝26mv(室溫)的量級，并且遠遠小于高場內發射的電壓(大于1v)，就可以確保器件參數的確定。從而克服了反向電壓增大以后，由于內場發射的影響，電流不發生飽和現象，對于器件參數的確定發生的困難。
(iv).由于是在低壓下即完成了器件參數的確定，大電流下的串聯電阻以及熱效應引起的修正可以得到極大改善。
(v).本技術實現了對PN結二極管在應用條件下，對環境的溫度監測。Vt是它的環境溫度的表征量，這在變溫實驗中尤為重要。
在半導體參數的測試技術領域，HP公司生產的HP4140系列半導體器件參數分析儀，在國際市場幾乎形成壟斷局面，是一種公認的高科技產品。但是這種產品的功能仍是基于已有的原理、方法。雖然惠普儀器年年升檔，不斷更新，但是，我們研究的比例差分技術尚未出現在這類產品中，我們已經利用比例差值分析技術與HP儀器組合成半導體器件參數比例差值算符分析技術系統，得到了該技術應用的驗證。
半導體器件參數比例差值算符分析技術系統由以下部分構成486/66/8MB以上IBM兼容PC機一臺、軟件系統、HP4145B晶體管參數分析儀或BC2931A晶體管參數測試儀一臺、配套測試盒或樣品臺，圖3為該系統的結構圖。
本發明的軟件系統結構框圖如圖4。根據軟件系統結構框圖，我們是在Windows95/NT下采用Visual C++5.0來實現的。總體設計上采用Doc/View方式，以文檔(Document)為核心來管理所有的數據，用視(View)來顯示結果，通過用戶界面來接收用戶的輸入。基于以上考慮，整個程序可大概分為以下幾個模塊●用戶接口模塊●測試模塊●分析模塊●數據管理模塊，即文檔模塊●數據顯示/打印模塊，即視模塊1、用戶接口模塊用戶接口模塊主要是實現人機交互功能，處理用戶的輸入。界面的設計采用Windows下最新的界面風格，直觀、易于操作。
2、測試模塊對于測試模塊，由于我們考慮到不同的用戶可能會擁有不同的測試儀器，所以該軟件對測試部分提出了這樣一種構想在程序中設置一個儀器測試控制接口，同時自定義一個統一用戶標準接口，用戶只要根據這一標準把自己的儀器控制程序做成動態庫，就可以用該軟件進行監測和數據采集。測試的結果由文檔模塊來管理。
3、分析模塊分析模塊是該軟件的核心模塊，是進行數據分析的主要模塊。在這一模塊中借用了大量的科技計算子程序并結合我們的譜分析技巧對實驗數據進行處理。處理數據的理論依據是比例差值譜的基本原理。
該分析模塊主要處理I-V特性的實驗數據，該模塊的結構框圖如圖5。
4、數據管理模塊，即文檔模塊數據管理模塊主要負責所有實驗條件、樣品參數、分析條件、實驗數據、分析結果及中間數據和數據顯示參數的管理，同時也管理分析過程中所作的分析備注。這一模塊采用的是MFC的CDocument類作為基類實現的。在數據存儲中使用了MFC的數組模板，所有的數據都以二進制方式存儲在一個文件中。這樣避免了一個實驗多個文件不便于管理的缺點，同時也可以保證實驗條件、樣品參數等一些相關的數據都保存在一起，這樣避免了原來那種拿到數據后，不知道實驗條件以及樣品參數等一些實驗必須的數據等缺點。此外，為了保證實驗數據的通用性，我們在程序中提供了用戶可以將當前顯示的數據以文本方式單獨保存為用戶指定的文本文件的功能。
在設計這個模塊時，為了面向該程序自己的測試模塊測量的數據和外部的實驗數據，我們以面向自身的數據為主，對外部數據進行轉換。用戶只需要按照創建新文件向導就可以很方便地將一個已有的實驗數據轉換為一個比例差值譜軟件的工程文件。
5、數據顯示/打印模塊，即視模塊該模塊負責從文檔模塊中獲取數據并將數據根據用戶的選擇進行顯示或打印。由于采用了MFC的視，所以在打印時可以很方便的進行打印預覽，即所見即所得功能。在該模塊中我們還增加了一個新的功能，那就是允許用戶在分析前對實驗數據進行一定的人為干預。之所以增加這一功能是因為在實驗過程中，往往會出現由于外界干擾使得實驗數據明顯偏離正常情況，這種異常的數據點的存在會對分析結果產生影響，所以我們允許用戶在不改變實驗事實的前提下加入人工干預，在分析過程中忽略這些異常點。但是考慮到這些點又確實是實驗過程中得到的，所以忽略的點依然保存在文檔中，只是分析過程中未使用而已。這樣就可以便于用戶在必要時進行恢復。
具體操作如下按照該結構圖準備好系統需要的儀器設備以及軟件，即486/66/8MB以上IBM兼容PC機一臺、HP4145B晶體管參數分析儀或BC2931A晶體管參數測試儀一臺、配套測試盒或樣品臺、軟件系統。其中，計算機與測試儀之間需要由合適的接口卡，如GPIB接口卡。
1、準備好測量樣品；2、在計算機上安裝好軟件系統，具體辦法參照該軟件使用手冊；3、連接計算機與測量儀；4、安裝并連接好樣品盒；5、設置比例差值譜軟件各種參數；使用該軟件測試并進行分析，即可得到MOS晶體管比例差值特性。
圖6為應用半導體器件參數比例差值算符分析技術系統給出的MOSFET晶體管的比例差值特性。由譜圖上可以方便地確定出飽和漏極電壓VDsat，飽和閾值電壓VTsat及相應的經典閾值電壓Vtho，其比例差值結果的一致性相當好，從而使原有的功能得到了強化與發展。若應用于儀器必然導致儀器的升級。
本發明不限于上述兩例，對于雙極晶體管，結型場效應晶體管，SOI MOSFET，MS二極管，異質結也是適用的。因為這是一種具有普遍意義的分析技術，只要被研究的半導體器件特性具有漸近函數的特點，就可利用本技術進行特性研究與參數的提取。
權利要求
1.一種半導體參數分析方法，其步驟包括1)通過半導體參數測試儀器測量完整的半導體器件I-V輸出特性；2)通過比例差值算符分析軟件系統對上述I-V特性進行比例差值處理，得到相應的比例差值I-V函數特性和半導體參數。
2.如權利要求1所述的半導體參數分析方法，其特征在于所述I-V輸出特性即包括器件的三極管工作區以及部分飽和或準飽和區得到的半導體器件的漸近或準漸近I-V特性。
3.如權利要求1所述的半導體參數分析方法，其特征在于比例差值常數K值在1.01-10之間。；
4.一種半導體參數分析系統，包括半導體參數測試儀器，計算機，測試臺，計算機與測試儀器接口卡，半導體參數分析軟件系統，其特征在于該軟件系統對數據進行比例差值處理。
5.如權利要求4所述的半島體參數分析系統，其特征在于說述軟件系統包括以下模塊用戶接口模塊；測試模塊；分析模塊；數據管理模塊；數據顯示/打印模塊。
全文摘要
本發明涉及一種半導體器件參數比例差值算符分析方法及其系統。先通過半導體參數測試儀器測量完整的半導體器件Ⅰ－Ⅴ輸出特性,然后通過比例差值算符分析軟件系統對上述Ⅰ－Ⅴ特性進行比例差值處理,得到相應的比例差值Ⅰ－Ⅴ函數特性和半導體參數。與傳統的擬合法或外推法相比,提高了精度,縮短了測試程序,明顯地提高了工效。可應用于半導體參數信息處理領域。
文檔編號H01L21/66GK1261205SQ0010012
公開日2000年7月26日 申請日期2000年1月12日 優先權日2000年1月12日
發明者許銘真, 譚長華, 何燕東, 衛建林, 解冰, 劉曉衛 申請人:北京大學