[发明专利]一种半导体器件的氧化层中陷阱能级分布的测量方法

说明书

本发明提供一种半导体器件的氧化层中陷阱能级分布的测量方法，基本原理是：首先，通过可见光照射衬底激发自由载流子，同时施加一定电压将载流子注入二氧化硅层中，被陷阱能级俘获；然后，通过线性升温的方法将被陷阱俘获的束缚载流子重新激发出来，变成自由载流子，测量这部分载流子贡献的电流随温度的变化曲线；最后，根据热刺激电流模型，得到二氧化硅中陷阱的能级分布。本发明的测量方法采用可见光和加电压向二氧化硅中注入载流子，避免了使用X光照射注入载流子的方式，以及其对二氧化硅的进一步损伤。

技术领域

本发明涉及半导体器件质量及可靠性研究，特别涉及一种半导体器件的氧化层中陷阱能级分布的测量方法。

背景技术

随着芯片制造工艺的飞速发展和芯片集成度的大幅提高，集成电路的性能越来越先进，器件尺寸越来越小，氧化层厚度越来越薄。而氧化层的质量直接关系到器件的性能和稳定性。器件中氧化层的陷阱能级，会俘获载流子，形成半导体电荷，导致器件的阈值电压偏移，同时增大器件的栅漏电流，降低了器件的使用可靠性和长期稳定性。因此，有必要测量氧化层中陷阱态密度及其能级分布，同时对氧化层中陷阱态的测量研究可以为器件设计制造提供优化方案。

但是由于二氧化硅是非晶材料，而且带隙非常宽，本身载流子浓度低，导电性非常差，因此对二氧化硅层陷阱的表征非常困难。另外，在氧化层中注入载流子，经常要用到X光照射，对设备的要求很高，实验步骤繁琐；而且有可能对氧化层造成进一步损伤。

目前，针对氧化层中的陷阱态及其能级分布的测试表征，是表征器件稳定性和寿命的重要方式之一，也是半导体器件表征中的难点之一。

发明内容

本发明提供一种半导体器件的氧化层中陷阱能级分布的测量方法，不采用X光照射向氧化层注入载流子的方式，主要利用可见光照射，并采用从衬底向氧化层中注入载流子的方式，可以有效避免对对二氧化硅的进一步损伤，最后根据加拿大的西蒙斯（J.G.Simmons）等人提出的热刺激电流模型得到氧化层中陷阱态能级分布。

本发明的技术方案如下：

一种半导体器件的氧化层中陷阱能级分布的测量方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤S1，将半导体器件固定在密封腔内，源极和漏极接地，半导体器件的硅衬底和栅极连接源表；

步骤S2，在没有载流子注入的情况下，在栅极和硅衬底之间施加电压Vg1，控制密封腔内的半导体器件从室温T1开始以升温速率线性升温，直到温度T2，测量栅极和硅衬底之间电流随温度的变化，得到本底电流I0(T)；

步骤S3，将半导体器件温度降到室温，在栅极施加电压Vg2，在硅衬底施加电压Vs1，利用可见光照射硅衬底，激发硅中的自由载流子，使自由载流子在偏置电压的作用下注入二氧化硅层，被陷阱能级俘获；可见光照射和施加偏置电压保持一定时间t；

步骤S4，撤去可见光，与步骤S2相同设置，在栅极和硅衬底之间施加电压Vg1，控制密封腔内的半导体器件从室温T1开始，以升温速率线性升温，直到温度T2，激发二氧化硅层中被陷阱俘获的载流子，变成自由载流子，测量栅极和硅衬底之间电流随温度的变化，即总电流I1(T)；

步骤S5，利用步骤S4中测量的总电流I1(T)减去步骤S2中测量的本底电流I0(T)，得到激发出二氧化硅层陷阱中俘获自由载流子产生的电流随温度的变化曲线，即热激发电流I(T)；根据热刺激电流（Simmons）模型，得出二氧化硅层中陷阱态密度随能级的分布曲线。

所述步骤S2和S4中，电压Vg1的取值范围均是-7V~ -18V；室温T1取值均是25℃；T2取值均是350℃。

所述步骤S3中，可见光的光子能量小于2.5eV；电压Vg2的取值范围是-7V~-18V；电压Vs1的取值范围是9V~36V；时间t的取值范围是40~90分钟。