專利名稱：多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電 容的測量方法。
背景技術(shù)：
電容電壓(CV)測試廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造過程中，其應(yīng)用主要包括開發(fā)并集成 半導(dǎo)體新工藝；研究開發(fā)新材料與器件結(jié)構(gòu)，如介質(zhì)厚度、金半接觸界面情況；金屬化后的 工藝質(zhì)量；器件可靠性；失效分析等。多偏置點下的測試，比傳統(tǒng)意義上的二端口電容電壓 測試可以更全面的分析器件性能，表征器件特性。對于GaN HEMT器件，可以利用電容電壓特性對工藝過程中的特性進行監(jiān)測。最重 要的是可以在工藝過程中分析界面特性，工藝步驟中會不可避免地引入一些雜質(zhì)和缺陷， 將在鈍化層和柵槽的界面及其他界面處引入不同類型電荷和陷阱的沾污，也就是說可能包 含有界面陷阱電荷、固定電荷、介質(zhì)層陷阱電荷和可動離子電荷。此外，電容-電壓特性還可以分析器件的性能，例如得到器件的開啟電壓、亞閾值 特性、器件漏電等信息，結(jié)合器件的其他測量手段還可以進一步了解器件的特性，所以電容 電壓特性的測量是分析GaN HEMT器件的重要手段之一。多偏置點下的電容電壓特性測量是GaN HEMT器件建模中必不可少的一個步驟，因 為器件的電容電壓特性反映了器件的交流特性，也就是能夠反映出器件的高頻特性。電容 電壓特性表征的是器件中的電荷隨著偏壓的變化關(guān)系，描述載流子隨著疊加在上面的交流 信號的頻率進行變化的趨勢，只有得到了正確的電容電壓曲線，才能夠仿真出器件在高頻 下的非線性特性。

發(fā)明內(nèi)容
為了監(jiān)測場效應(yīng)晶體管FET器件的工藝過程和分析器件特性，同時為FET器件的 建模提供必要的電容電壓特性，本發(fā)明提供了一種多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量 方法。所述技術(shù)方案如下本發(fā)明的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法包括下列步驟步驟A 在被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口之間加?xùn)旁措妷篤gs ；在所述被測 場效應(yīng)晶體管漏端口與地之間加電壓Vdg ；測量所述被測場效應(yīng)晶體管的柵源電容值Cgs ；步驟B 將所述被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口之間的柵源電壓Vgs與所述 被測場效應(yīng)晶體管漏端口與地之間的電壓Vdg相加，得到所述被測場效應(yīng)晶體管漏端口與 源端口之間的相對電壓Vds ；步驟C 繪制被測場效應(yīng)晶體管柵源電容值Cgs相對于柵源電壓Vgs和漏源電壓 Vds的變化規(guī)律曲線Cgs (Vgs，Vds)。本發(fā)明的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，在所述步驟A中，采用LCR表為被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口提供柵源電壓Vgs和測量所述被測場效應(yīng)晶體 管的柵源電容值Cgs ；采用外加電源為被測場效應(yīng)晶體管的漏端口與地之間提供電壓。本發(fā)明的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，所述步驟A中在被測場效 應(yīng)晶體管柵端口與源端口之間加?xùn)旁措妷篤gs的步驟具體為將所述LCR表的High端口 接被測場效應(yīng)晶體管源端口，將所述LCR表的Low端口接被測場效應(yīng)晶體管的柵端口，采用 正電壓加載到被測場效應(yīng)晶體管源端口。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的多偏置下場效應(yīng)晶體管 柵源電容的測量方法，其特征在于，所述步驟A中在所述被測場效應(yīng)晶體管漏端口與地之 間加電壓Vdg的步驟具體為當(dāng)加在被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口之間的柵源電壓 Vgs為負(fù)時，用所述外加電源的正端接被測場效應(yīng)晶體管的漏端口，所述外加電源的負(fù)端接 地，所述外加電源為被測場效應(yīng)晶體管的漏端口提供正電壓；當(dāng)加在被測場效應(yīng)晶體管的 柵端口與源端口之間的柵源電壓Vgs為正時，用所述外加的電源的負(fù)端接被測場效應(yīng)晶體 管的漏端口，所述外加電源的正端接地，所述外加電源為被測場效應(yīng)晶體管的漏端口提供 負(fù)電壓。本發(fā)明的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，所述步驟B中，利用所述 LCR表的內(nèi)置電源提供被測場效應(yīng)晶體管柵源電壓Vgs的自動掃描；利用所述外加的電源 提供被測場效應(yīng)晶體管漏端電壓Vdg的手動掃描。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是利用本發(fā)明的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源 電容的測量方法獲得的Cgs (Vgs，Vds)測量數(shù)據(jù)，可以對器件制作過程中的主要工藝步驟 進行監(jiān)測，并對改善工藝有很大作用。同時，還可以根據(jù)獲得的Cgs測量數(shù)據(jù)進行器件性能 的分析，例如通過對比器件的直流特性，分析器件的開啟電壓、亞閾值及柵漏電等特性，更 重要的是是可以分析器件的界面態(tài)和表面態(tài)特性，幫助分析具體的物理機制和過程。另外， 本發(fā)明測量獲得的Cgs數(shù)據(jù)，給FET器件的建模提供了必要的數(shù)據(jù)參考，進而可以對器件的 非線性特性進行仿真，對FET的工藝改善和物理特性研究及器件模型的建立都起到很大的 作用。


圖1是本發(fā)明實施例提供的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法中當(dāng)Vdg 為正值時的測量原理框圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法中當(dāng)Vdg 為負(fù)值時的測量原理框圖；；圖3是利用本發(fā)明提供的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法測量Vgs 從-5V IV，Vds從OV到27V取不連續(xù)點得到的Cgs (Vgs, Vds)特性曲線圖；圖4是利用本發(fā)明提供的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法測量Vgs 從-3. 5V -IV，Vds從OV到27V取不連續(xù)點得到的Cgs (Vgs, Vds)特性曲線圖；圖5是利用本發(fā)明提供的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法測量Vgs 從-5V 0V, Vds從OV到27V取不連續(xù)的點得到的Cgs (Vgs, Vds)特性曲線圖；圖6是利用本發(fā)明提供的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法測量Vgs 從-5V 0V, Vds從OV到27V取不連續(xù)的點得到的Cgs (Vgs, Vds)特性曲線圖；圖7是利用本發(fā)明提供的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法進行測量時得到的Cgs數(shù)據(jù)隨著Vgs和Vdg變化的關(guān)系示意圖；圖8是根據(jù)圖7測量得到的Cgs數(shù)據(jù)，經(jīng)過相對電壓的計算，得到的Cgs數(shù)據(jù)隨著 Vgs和Vds的變化關(guān)系示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方 式作進一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明的測量采用LCR表1和一個外加電源2完成。LCR表具有High端口 5和 Low 端□ 4。測量時，首先將LCR表1的High端口 5接被測場效應(yīng)晶體管3的源端口 7，采用 正電壓加載到源端口 7，LCR表1的Low端口 4接FET的柵端口 6，這樣就在場效應(yīng)晶體管3 的柵極6和源極7之間加載了電壓Vgs。當(dāng)加在被測場效應(yīng)晶體管3的柵端口 6與源端口 7之間加電壓Vgs為負(fù)時，用所述 外加電源2的正端接被測場效應(yīng)晶體管3的漏端口，所述外加電源2的負(fù)端接地，所述外加 電源2為被測場效應(yīng)晶體管的漏端口 8提供正電壓。如果要測量Vgs為正時的部分Cgs數(shù) 據(jù)，需要Vdg取負(fù)值來求得Vds的相應(yīng)數(shù)據(jù)，所以此時需要給Vdg端口提供負(fù)壓。用外加電 源2的負(fù)端口接被測場效應(yīng)晶體管3的漏端口 8，正端口接地，即給被測場效應(yīng)晶體管3的 漏端口 8提供負(fù)電壓。這個測量是為了補全后面處理相對電壓時Vgs為正時的部分?jǐn)?shù)據(jù)。Vdg是被測場效應(yīng)晶體管3漏端8相對于地的電壓，不是相對于S端的電壓，如果 要獲得Vds，需要計算相對電壓。利用LCR表1讀取被測場效應(yīng)晶體管3的柵源電容值Cgs。將LCR表1的內(nèi)置電源提供Vgs端口電壓的自動進行掃描，而外加的電源提供Vd 進行手動掃描，這樣就可以重復(fù)上一步驟，并多次讀取被測場效應(yīng)晶體管3的柵源電容值 Cgs，從而獲得了大部分多偏置點下的Cgs (Vgs，Vdg)數(shù)值曲線。由于測量的數(shù)值是被測場效應(yīng)晶體管3的柵源電容Cgs相對于Vgs和Vdg的數(shù)據(jù) Cgs (Vgs，Vdg)，所以需要通過公式Vds = Vdg+Vgs計算出相對電壓，把測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為被測 場效應(yīng)晶體管3的柵源電容Cgs相對于Vgs和Vds的變化規(guī)律Cgs (Vgs, Vds)，繪制相應(yīng)曲 線圖。圖1為采用本發(fā)明多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法在Vdg為正電壓時 的測試原理框圖。在本實施例中采用LCR表HP4284A進行電容的測量，而外加電源2選用 HP6624A。HP4284A 共有五個主要端口 Ground、Lp、Hp、Lc、He，Guard 是 Lp、Hp、Lc、Hc 四個 端口的外殼，內(nèi)部有一個電壓表，一個電流表，一個內(nèi)置電源，還有一個振蕩器OSC等?？梢?看出Lc和Lp相連引出Low端口 4，Hc和Hp相連引出High端口 5，High端口 5連接被測 場效應(yīng)晶體管3管芯的Source端口 7 (S端)，Low端口 4連接被測場效應(yīng)晶體管3管芯的 Gate端口 6 (G端)，通過外接電源HP6624A的正端口給被測場效應(yīng)晶體管3管芯的Drain 端口 8 (D端)提供正電壓，電源負(fù)端口接地，HP4284A的Hp、He、Lp、Lc四個端口的外殼為 Guard端口，均連接在一起，但是不接地。圖1可以獲得Vgs為負(fù)值、Vdg為正值時對應(yīng)Vds 的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，也就是需要電源的正端接D端口，加載正電壓，S端口進行電壓掃描，獲得大 部分的Cgs (Vgs，Vdg)測量數(shù)據(jù)
圖2為采用本發(fā)明的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法在Vdg為負(fù)電壓 時的測試原理框圖。在Vgs為正值時，需要Vdg取一部分負(fù)值來獲得部分Vds的相對電壓 值，所以需要給D端口 8加載負(fù)壓，也就是電源的負(fù)端接D端口 8，電源正端口接地，提供負(fù) 電壓，S端口 7進行電壓掃描，這是補充相對于圖1的測試原理框圖沒有測量到的Cgs (Vgs， Vdg)部分測量數(shù)據(jù)圖3為采用本發(fā)明的測量方法在被測場效應(yīng)晶體管3的偏置電壓Vgs從-5V掃描 到IV，Vds從OV到27V取不連續(xù)的點的情況下，測量得到的一組Cgs VS Vgs的Cgs (Vgs, Vds曲線。由圖3可以看出，Cgs隨著Vgs的增加而增加，隨著Vds的增加而較小。圖4為采用本發(fā)明的測量方法，在被測場效應(yīng)晶體管3的偏置電壓Vgs從-3. 5V掃 描到-IV，Vds從OV到27V取不連續(xù)的點的情況下，測量得到的一組Cgs VS Vgs的Cgs (Vgs, Vds)曲線，由圖4可以看出在-3V -2. 5V之間曲線開始突然上升，從理論上來說，曲線中 Cgs的上升點對應(yīng)著器件的開啟電壓，可以看出在該器件的開啟電壓在-2. 5V左右。圖5為采用本發(fā)明的測量方法，在被測場效應(yīng)晶體管3的偏置電壓Vgs從-5V掃 描到0V, Vds從OV到27V取不連續(xù)的點的情況下得到的Cgs VS Vgs的Cgs (Vgs，Vds)曲 線，看出曲線中Cgs隨著Vds小于25V時隨著Vgs的增加而增加，但是在Vds為25V和27V 的情況下，Cgs隨著Vgs的增加而減小，說明器件的電流對電容的測量產(chǎn)生了影響，但是在 器件性能比較好的情況下，溝道電流是影響不到Cgs的測量的，所以只可能是柵端的泄漏 電流對Cgs的測量產(chǎn)生了很大影響，這說明了器件的柵漏電很大，可能是柵槽刻蝕出現(xiàn)了 問題。因此，可以看出Cgs的變化趨勢具有監(jiān)測工藝流程和分析器件性能的作用。圖6為采用本發(fā)明的測量方法，在被測場效應(yīng)晶體管3的偏置電壓Vgs從-5V掃 描到IV，Vds從OV到27V取不連續(xù)的點的情況下得到的Cgs vs Vds的Cgs (Vgs, Vds)曲線 圖?？梢詮牧硪粋€角度反映場效應(yīng)晶體管柵源電容Cgs隨著Vgs和Vds的變化規(guī)律。圖7為采用本發(fā)明的測量方法，在測量時得到被測場效應(yīng)晶體管3的柵源電容和 多偏置電壓對應(yīng)形式Cgs (Vgs，Vdg)的數(shù)據(jù)列表。圖8為采用本發(fā)明的測量方法，經(jīng)過Vds = Vdg+Vgs的電壓轉(zhuǎn)化關(guān)系得到被測場 效應(yīng)晶體管3的柵源電容和多偏置電壓對應(yīng)形式Cgs (Vgs，Vds)數(shù)據(jù)。從圖7中可以看出，測量中被測場效應(yīng)晶體管3漏端8的電壓是Vdg，不是VdsJfi 是為了測量柵源電容Cgs在Vgs為正的時候?qū)?yīng)的Vds的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(例如Vgs = IV時， Vds = 0V，這時候就需要給Vdg = Vds-Vgs = -IV的電壓，即需要把漏端口 8的正電壓換成 負(fù)電壓)，需要改變外接電源的正負(fù)端口(對應(yīng)圖2的測試框圖)，這樣才能得到Vgs為正 時的對應(yīng)柵源電容Cgs數(shù)值，圖7中用粗的橢圓框標(biāo)示的部分為外加電源2的負(fù)端口接FET 的D端口、外加電源2正端口接地時需要測量的數(shù)據(jù)部分，其余沒有框住的部分是外加電源 2的正端口接FET的漏端口 8、外加電源2負(fù)端口接地時需要測量的數(shù)據(jù)部，這樣在通過電 壓轉(zhuǎn)換后得到的被測場效應(yīng)晶體管3柵源電容Cgs與Vgs和Vds的曲線才完整，如果只需 要Vgs小于等于0時的Cgs數(shù)據(jù)，就無需測量橢圓框中對應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)。圖7和圖8中所 標(biāo)示的符號對應(yīng)的數(shù)據(jù)說明了電壓轉(zhuǎn)換的過程，圖7中標(biāo)出的不同符號所對應(yīng)的測量數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換到圖8中相應(yīng)標(biāo)出的符號位置，就完成了被測場效應(yīng)晶體管3柵源電容Cgs數(shù)據(jù)的相 對電壓轉(zhuǎn)換，得到了正確的被測場效應(yīng)晶體管3的柵源電容Cgs(Vgs，Vds)曲線。在圖7和圖8中，0給出的是Vgs = -5V 2V，Vds = OV時的對應(yīng)數(shù)據(jù)；P給出的是Vgs = -5V 2V，Vds = IV時的對應(yīng)數(shù)據(jù)；X給出的是Vgs = -5V 2V，Vds = 2V時的 對應(yīng)數(shù)據(jù)；m給出的是Vgs = -5V 2V，Vds = IOV時的對應(yīng)數(shù)據(jù)，這些只是舉例說明問題， 圖中其他的對應(yīng)數(shù)據(jù)沒有標(biāo)出，可以根據(jù)此規(guī)律進行轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的電容電壓曲線的測試都是在器件的兩個端口施加電壓，測量所施加電壓的 端口的電容隨著電壓的變化關(guān)系，分析場效應(yīng)晶體管FET器件的界面特性，尤其是用于分 析半導(dǎo)體器件材料接觸界面的表面態(tài)和界面態(tài)等信息。化合物半導(dǎo)體的界面特性相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體更加復(fù)雜，又由于GaN材料的獨特物 理特性，電容電壓CV特性的表征顯得更加重要。針對GaN HEMT器件，二端口的容電壓CV測 試也可以用于器件的物理特性的分析，用于評價材料的生長質(zhì)量，監(jiān)測工藝流程的準(zhǔn)確性， 分析器件的物理特性參數(shù)等。但是由于器件一般都是在柵端口和漏端口均施加電壓的情況 下工作，而且兩個端口同時施加電壓可以更加全面的反應(yīng)出HEMT器件的物理過程和電氣 性能，因此多偏置下的電容電壓CV測量可以更全面的描述HEMT器件特征。本發(fā)明一種多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，測量得到了被測場效應(yīng) 晶體管柵源電容Cgs (Vgs,Vds)曲線，通過對曲線的分析，可以獲得HEMT器件的相關(guān)物理特 性，如開啟電壓、抗耐壓能力、柵漏電等，對物理結(jié)構(gòu)的研究也起到很大作用，可以分析器件 每一層的生長性能和整體的器件特性，同時給HEMT器件的建模提供了所需要的電容-電壓 CV數(shù)據(jù)，使得在器件建模的過程中能夠進行非線性特性的仿真。實踐證明柵源電容Cgs曲 線的獲得對HEMT器件相關(guān)工作的研究提供了很大的指導(dǎo)作用，所以多偏置點下柵源電容 Cgs(Vgs,Vgd)的測量是很有意義的。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，其特征在于，所述方法包括下列 步驟步驟A 在被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口之間加?xùn)旁措妷篤gs ；在所述被測場效 應(yīng)晶體管漏端口與地之間加電壓Vdg ；測量所述被測場效應(yīng)晶體管的柵源電容值Cgs ；步驟B 將所述被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口之間的柵源電壓Vgs與所述被測 場效應(yīng)晶體管漏端口與地之間的電壓Vdg相加，得到所述被測場效應(yīng)晶體管漏端口與源端 口之間的相對電壓Vds ；步驟C 繪制被測場效應(yīng)晶體管柵源電容值Cgs相對于柵源電壓Vgs和漏源電壓Vds的 變化規(guī)律曲線Cgs (Vgs, Vds)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，其特征在于， 在所述步驟A中，采用LCR表為被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口提供柵源電壓Vgs和 測量所述被測場效應(yīng)晶體管的柵源電容值Cgs ；采用外加電源為被測場效應(yīng)晶體管的漏端 口與地之間提供電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，其特征在于， 所述步驟A中在被測場效應(yīng)晶體管柵端口與源端口之間加?xùn)旁措妷篤gs的步驟具體為將 所述LCR表的High端口接被測場效應(yīng)晶體管源端口，將所述LCR表的Low端口接被測場效 應(yīng)晶體管的柵端口，采用正電壓加載到被測場效應(yīng)晶體管源端口。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述 的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，其特征在于，所述步驟A中在所述被測場 效應(yīng)晶體管漏端口與地之間加電壓Vdg的步驟具體為當(dāng)加在被測場效應(yīng)晶體管的柵端口 與源端口之間的柵源電壓Vgs為負(fù)時，用所述外加電源的正端接被測場效應(yīng)晶體管的漏端 口，所述外加電源的負(fù)端接地，所述外加電源為被測場效應(yīng)晶體管的漏端口提供正電壓；當(dāng) 加在被測場效應(yīng)晶體管的柵端口與源端口之間的柵源電壓Vgs為正時，用所述外加的電源 的負(fù)端接被測場效應(yīng)晶體管的漏端口，所述外加電源的正端接地，所述外加電源為被測場 效應(yīng)晶體管的漏端口提供負(fù)電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，其特征在于， 所述步驟B中，利用所述LCR表的內(nèi)置電源提供被測場效應(yīng)晶體管柵源電壓Vgs的自動掃 描；利用所述外加的電源提供被測場效應(yīng)晶體管漏端電壓Vdg的手動掃描。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多偏置下場效應(yīng)晶體管柵源電容的測量方法，屬于集成電路測量技術(shù)領(lǐng)域。所述測量方法是采用LCR表和一個電源進行測量，在場效應(yīng)晶體管(FET)半導(dǎo)體器件的柵端口和漏端口加電壓對器件的Cgs進行測量，采用LCR表內(nèi)置電源提供Vgs端口電壓的自動掃描，采用一個外接電源提供Vdg端口的電壓，手動調(diào)節(jié)電壓對Vdg端口進行掃描，最后通過公式Vds＝Vdg+Vgs來計算相對電壓，獲得多偏置點下柵源電容Cgs(Vgs，Vds)數(shù)值曲線。本發(fā)明易于實現(xiàn)，精度高，其測量方法能夠描述界面態(tài)和表面態(tài)等界面特性，還能獲得器件的基本物理參數(shù)；是FET半導(dǎo)體器件建模中必不可少的環(huán)節(jié)，進而描述器件的交流特性，完成非線性特性的仿真。
文檔編號G01R31/26GK102109570SQ20091031239
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者劉新宇, 歐陽思華, 王亮, 蒲顏, 袁婷婷 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所