專利名稱：一種通過(guò)導(dǎo)納值測(cè)量提取肖特基勢(shì)壘高度的測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)導(dǎo)納值測(cè)量提取肖特基勢(shì)壘高度的測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
器件尺寸按比例縮小是集成電路持續(xù)快速進(jìn)步的技術(shù)規(guī)律。自上世紀(jì)九十年代以來(lái)集成電路器件尺寸不斷縮小，已逐步從亞微米/深亞微米進(jìn)入到亞0.1微米(即納米CMOS)。隨著器件尺寸進(jìn)入亞0.1微米，特別是當(dāng)技術(shù)發(fā)展至45納米及以下時(shí)，源漏接觸電阻對(duì)器件特性的影響越來(lái)越嚴(yán)重。對(duì)于一個(gè)典型的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)來(lái)說(shuō)，除了溝道電阻外，其余電阻均為寄生電阻(包括源漏接觸電阻)。為保證器件的驅(qū)動(dòng)能力，寄生電阻希望越小越好。在寄生電阻各分量中，由于源漏接觸電阻反比于接觸面積，隨著器件尺寸二維減小，其在器件總寄生電阻中所占的比重迅速增大。在45納米及以下技術(shù)中接觸電阻已成為器件小型化時(shí)首要考慮的重要因素[1]。
接觸電阻等于接觸電阻率除以接觸面積所得的商。集成電路器件尺寸的不斷縮小，使得接觸面積不斷加速縮小(兩維減小)。因此為了降低接觸電阻，只有減小接觸電阻率。從金半接觸理論角度來(lái)看，接觸電阻率與金半接觸的肖特基勢(shì)壘高度和半導(dǎo)體的摻雜濃度緊密相關(guān)，其依賴關(guān)系為ρc∝exp{4πϵsm*h[φbND]}]]>。如果沿用目前的硅化物/Si接觸體系(勢(shì)壘高度約為0.6eV)，則獲得10-7Ω·cm2和10-8Ω·cm2等超低接觸電阻率需要達(dá)到的摻雜濃度為2×1020和5×1020cm-3，而這已經(jīng)接近或超過(guò)硼、砷等雜質(zhì)在Si中的固溶度，所以降低金半接觸勢(shì)壘已成為降低接觸電阻率的最有效方法。低勢(shì)壘接觸將是實(shí)現(xiàn)超低接觸電阻率的必由之路。
但是對(duì)于勢(shì)壘高度偏低的肖特基二極管，其整流特性將變得不明顯甚至消失，從而往往呈現(xiàn)出歐姆接觸的假象。這是由于此時(shí)肖特基二極管的寄生串聯(lián)電阻的影響已遠(yuǎn)高于肖特基勢(shì)壘本身對(duì)電流特性的影響。因此傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的電流-電壓(I-V)擬合法和電容-電壓(1/C2-V)擬合法往往失效，需要研究和確立可靠的勢(shì)壘高度表征新方法。為此，在不需要制備特殊肖特基二極管測(cè)試結(jié)構(gòu)的前提下，本發(fā)明提出了一種基于導(dǎo)納值測(cè)試的新型勢(shì)壘高度提取方法，并已成功地用于表征WSi2/n-Si等具有較高勢(shì)壘的接觸體系以及PtSi/p-Si等具有較低勢(shì)壘的接觸體系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種肖特基勢(shì)壘高度的測(cè)試方法，以減小肖特基二極管寄生串聯(lián)電阻對(duì)勢(shì)壘高度提取的影響，特別是解決傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的電流-電壓(I-V)擬合法和電容-電壓(1/C2-V)擬合法對(duì)較低勢(shì)壘高度肖特基二極管勢(shì)壘高度提取失效的問(wèn)題。
本發(fā)明提出的肖特基勢(shì)壘高度的測(cè)試方法，是基于肖特基二極管熱電子發(fā)射理論，在特定條件下對(duì)流經(jīng)二極管的電流公式進(jìn)行重新推導(dǎo)，進(jìn)而得出肖特基勢(shì)壘高度與零偏壓和適當(dāng)正向偏壓下的導(dǎo)納值之間的關(guān)系式，最終得到肖特基勢(shì)壘高度，其推導(dǎo)過(guò)程如下1)對(duì)于一個(gè)真實(shí)的肖特基二極管，串連電阻總是客觀存在的。處理這樣的二極管，按照慣例本發(fā)明使用如

圖1所示的串連電路模型。其中D代表不計(jì)入串連電阻的二極管本身；Rs代表純串連電阻；V代表在真實(shí)二極管上所加偏壓；I代表流經(jīng)二極管的電流。
2)根據(jù)經(jīng)典熱電子發(fā)射理論，在偏壓V下，流經(jīng)二極管的電流I表示為I=aA**T2exp(-φ0kT)exp[qnkT(V-IRs)]{1-exp[-qkT(V-IRS)]}]]>=I0exp[qnkT(V-IRs)]{1-exp[V-IRs]},]]>=I0{exp[qnkT(V-IRs)]-exp[qnkT(V-IRs)(l-n)]}]]>其中，I0=αA**T2exp(-φ0kT).]]>3)根據(jù)經(jīng)典熱電子發(fā)射理論，當(dāng)肖特基二極管在零偏壓附近工作時(shí)，qkT(V-IRs)→0,]]>由于exp(x)≈1+x(x→0)，因而由2)可得，II0≈1+qnkT(V-IRs)-1-qnkT(V-IRs)(1-n).]]>=qkT(V-IRs)]]>進(jìn)而可以推導(dǎo)出二極管零偏壓下導(dǎo)納表達(dá)式dIdV|V=0V=1Rs+kTqI0=g0]]>4)根據(jù)經(jīng)典熱電子發(fā)射理論，當(dāng)肖特基二極管在較大正向偏壓下V1工作時(shí)，(V-IRs)＞3kT/q，由2)可得，
I=I0exp[qnkT(V-IRs)],]]>即，V=IRs+nkTq1n(II0).]]>進(jìn)而可以推導(dǎo)出適當(dāng)正向偏壓下導(dǎo)納表達(dá)式dIdV|V=V1=1Rs+nkTqI=g1]]>當(dāng)正向電壓V1足夠大時(shí)，流經(jīng)二極管的電流I也會(huì)足夠大，從而使Rs>>nkTqI]]>，實(shí)際操作中，通常V1>3kTq]]>即可，進(jìn)而有dIdV|V=V1≈1Rs=g1]]>5)根據(jù)上述1)、2)對(duì)應(yīng)的肖特基二極管在零偏壓和適當(dāng)正向偏壓下的導(dǎo)納值，可以推導(dǎo)出勢(shì)壘高度表達(dá)式φ0=-kTln(kqaA**T11g0-1g1)]]>6)由于在4)中使用了dIdV|V=V1≈1Rs=g1]]>的近似，從而使φ0存在如下誤差kT·1n(1+kTq·n(1g0-1g1)·I)(eV)]]>由此可知，為了減小誤差，需要kTq·n(1g0-1g1)·I<<1]]>，即kTq<<(1g0-1g1)·I]]>(n＝1)。通常只要在偏壓V1下滿足kTq<(1g0-1g1)·I]]>即可。此時(shí)，當(dāng)1＜n＜2時(shí)，對(duì)應(yīng)的誤差為0.02～0.03eV。同時(shí)，由該誤差公式可知，電流I越大，即正向偏壓V1越大，誤差越小。
通過(guò)上述5)中的公式可以看出，根據(jù)零偏壓和適當(dāng)正向偏壓下的導(dǎo)納值(g0，g1)即可計(jì)算出肖特基二極管的勢(shì)壘高度。由于在零偏壓下的導(dǎo)納測(cè)量可以最大程度的體現(xiàn)二極管本身勢(shì)壘高度的信息，同時(shí)在適當(dāng)正向偏壓下的導(dǎo)納測(cè)量又能高精度的提取串聯(lián)電阻，因此與傳統(tǒng)電流-電壓(I-V)擬合法和電容-電壓(1/C2-V)擬合法相比，本發(fā)明最大程度的減少了串連電阻對(duì)提取過(guò)程的影響，從而得到可靠的肖特基勢(shì)壘高度值，具有簡(jiǎn)單、方便、準(zhǔn)確度高、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。表1還列出了在各種不同精度下提取串連電阻所需要的最小正向偏壓。
表1在各種不同精度下模擬提取串連電阻所需要的最小正向偏壓，單位V(模擬用二極管面積為0.00066cm2，A**＝112A/cm2K2，T＝293K，n＝1)；

表中標(biāo)記α為肖特基二極管電流-電壓數(shù)據(jù)模擬所用勢(shì)壘高度；β為根據(jù)電流-電壓模擬數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬導(dǎo)納測(cè)量提取勢(shì)壘高度的誤差；γ為肖特基二極管電流-電壓數(shù)據(jù)模擬所用串連電阻；“-”表示所需最小正向偏壓超過(guò)100V。
符號(hào)注釋a-二極管面積，單位cm2，A**-理查德遜常數(shù)，n型襯底取112A/cm2·K2，p型襯底取32A/cm2·K2(安培/平方厘米·平方開(kāi))，T-絕對(duì)溫度，單位K(開(kāi))，q-電子電荷，1.6×10-19C(庫(kù)侖)，φ0-零偏壓勢(shì)壘高度，單位eV(電子伏特)，k-玻耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K(焦耳/開(kāi))，n-理想因子，是一個(gè)大于等于1的無(wú)單位數(shù)，Rs-串連電阻，單位Ω(歐姆)，
I0二極管反向飽和電流，定義為I0=aA**T2exp(-φ0kT)]]>，單位A(安培)，V1-用于測(cè)量g1的外加正向電壓，單位V(伏)，g0-零偏壓下肖特基二極管導(dǎo)納值，單位S(西門子)，g1-正向偏壓V1下肖特基二極管的導(dǎo)納值，單位S(西門子)，V-外加電壓，單位V，I-回路電流，單位A。
具體實(shí)施例方式
采用Agilent(Hewlett-Packard)4284A阻抗分析儀，分別測(cè)量肖特基二極管在零偏壓和適當(dāng)正向偏壓下的導(dǎo)納值(g0，g1)，測(cè)試頻率可選范圍為10kHz～1MHz，脈沖電壓幅度可選范圍為5mV～20mV。根據(jù)公式φ0=-kT1n(kqaA**T11g0-1g1)]]>，即可得出勢(shì)壘高度。
以室溫下(T＝295K)PtSi/p-Si(001)低勢(shì)壘肖特基二極管勢(shì)壘高度提取為例，說(shuō)明本發(fā)明的測(cè)試方法1)對(duì)P型襯底硅片，正電極接在硅片背部。測(cè)量二極管的I-V特性，如圖2所示。
由I-V數(shù)據(jù)可知，該二極管已呈現(xiàn)表觀歐姆接觸特性，串聯(lián)電阻～18Ω。當(dāng)施加正向10V電壓時(shí)，流經(jīng)二極管的電流～560mA。室溫下，正向10V的偏壓可以滿足條件Rs=18Ω>>kTqI=26560≈0.05Ω]]>，因此初步確定正向10V可以被用來(lái)測(cè)量g1。
2)采用阻抗分析儀C-G分析功能測(cè)量導(dǎo)納值。對(duì)P型襯底硅片，正電極接在硅片背部。選擇測(cè)試頻率為10kHz，脈沖電壓幅度為5mV，多次測(cè)量零偏壓導(dǎo)納值得平均值(g058.18mS)；多次測(cè)量正向10V偏壓下導(dǎo)納值得平均值(g158.45mS)。從而有kTq=0.026V<(1g0-1g1)·I=(10305818-10.05845)×0.56=0.044V]]>，即正向10V可以被用來(lái)提取g1。
3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得導(dǎo)納值，由公式φ0=-kT1n(kqaA**T11g0-1g1)]]>得出肖特基勢(shì)壘高度，即φ0＝0.29eV，誤差為kT·1n(1+kTq·1(10.05818-10.05845)×0.56)≈0.01leV]]>。對(duì)這種表觀I-V曲線呈現(xiàn)歐姆特性的二極管，傳統(tǒng)電流-電壓(I-V)擬合法和電容-電壓(1/C2-V)擬合法根本無(wú)法進(jìn)行可靠的勢(shì)壘高度提取。
參考文獻(xiàn)[1]S.E.Thompson，R.S.Chau，T.Ghani，K.Mistry，S.Tyagi，and M.T.Bohr，“In search of‘forever’continued transistor scaling one new material at a time”，IEEE Trans.Semicond.Manufact.，18，26-36 (2005).。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量肖特基二極管勢(shì)壘高度的方法，其特征在于通過(guò)測(cè)量肖特基二極管的導(dǎo)納值，計(jì)算出勢(shì)壘高度，其步驟為1)實(shí)驗(yàn)測(cè)量肖特基二極管在零偏壓下的導(dǎo)納值g0和適當(dāng)正向偏壓V1下的導(dǎo)納值g1；2)把測(cè)量所得的導(dǎo)納值代入下述算式公式，得到肖特基二極管的勢(shì)壘高度φ0φ0=-kTln(kqaA**T11g0-1g1)]]>其中，φ0為零偏壓肖特基二極管勢(shì)壘高度，單位為電子伏特；k為玻耳茲曼常數(shù)，取1.38×10-23焦耳/開(kāi)；T為實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)樣品的絕對(duì)溫度，單位為開(kāi)；q為電子電荷，取1.6×10-19庫(kù)侖；α為二極管面積，單位為平方厘米；A**為理查德遜常數(shù)，n型襯底取112安培/平方厘米·平方開(kāi)，p型襯底取32安培/平方厘米·平方開(kāi)；g0、g1分別為零偏壓和適當(dāng)正向偏壓V1下實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的導(dǎo)納值，單位為西門子；所述適當(dāng)正向偏壓V1應(yīng)同時(shí)滿足V1>3kTq]]>和(1g0-1g1)·I>kTq]]>，其中I為偏壓V1下流經(jīng)肖特基二極管的電流，單位為安培。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種肖特基勢(shì)壘高度的測(cè)試方法。本方法的核心內(nèi)容為通過(guò)測(cè)量肖特基二極管在零偏壓和適當(dāng)正向偏壓下的導(dǎo)納值，即可準(zhǔn)確計(jì)算出該二極管的勢(shì)壘高度。特別是對(duì)勢(shì)壘高度偏低(＜0.4eV)的肖特基二極管，與傳統(tǒng)電流－電壓擬合法(I－V)、電容－電壓擬合法(1/C
文檔編號(hào)H01L21/66GK1964012SQ200610118690
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月23日
發(fā)明者蔣玉龍, 羅佳, 茹國(guó)平, 屈新萍, 李炳宗 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)