全耗尽soi衬底上mosfet的电容模型提取方法
技术领域
1.本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种全耗尽soi衬底上mosfet的电容模型提取方法。
背景技术：2.集约模型对电路的精确表征首先离不开对mosfet电流的精确建模，因为mosfet的反型层电荷量受到前栅氧化层电容的影响，电流的大小首先需要基于准确的物理参数进行。当mosfet的前栅氧化层电容与埋氧层电容出现偏差时，其不但影响电流输出特性还将导致mosfet负载特性出现严重问题。在mosfet的实际cv特性表征中，以测量mosfet沟道电容cgc和mosfet栅极电容cgg作为主要的电容模型参数。
3.而对于采用fdsoi衬底的mosfet而言，由于埋氧层相比前栅厚度较厚，导致mosfet背栅反型阈值电压较高，此时若使用cv法直接测试背栅结构将受限于机器的电压偏置范围无法使背栅反型，同时过高的电压偏置可能导致mosfet的背栅结构击穿，因此在fdsoi工艺下并不支持背栅反型的工作方式。附图1所示是一种典型的采用fdsoi衬底的mosfet结构图。显然，这种特殊的结构使得获得前栅氧化层和埋氧层的电容和厚度变得非常困难.无法精确测量及提取这两个电容将无法对采用fdsoi衬底的mosfet进行精确建模形成mosfet模型，从而影响整个电路的仿真和设计。
4.因此，如何准确提取采用fdsoi衬底的mosfet前栅氧化层和埋氧层电容和厚度的方法，是现有技术需要解决的问题。
技术实现要素：5.本发明所要解决的技术问题是，提供一种全耗尽soi衬底上mosfet的电容模型提取方法，能够准确提取采用fdsoi衬底的mosfet前栅氧化层和埋氧层电容。
6.为了解决上述问题，本发明提供了一种全耗尽soi衬底上mosfet的电容模型提取方法，包括如下步骤：将mosfet源极、漏极短接并提供交流电压小信号，在背栅提供直流偏置，直流偏置使沟道区处在积累和反型状态，并在上述两状态下分别测量mosfet在栅极的交流电流小信号，得出沟道电容cgc；将mosfet的源极、漏极与背栅短接并提供交流电压小信号，在mosfet的栅极测量交流电流小信号，得到栅极电容cgg；根据测得的沟道电容cgc和栅极电容cgg计算得出前栅氧化层电容cox与埋氧层电容cbox。
7.本发明根据全耗尽soi衬底的特点对电容模型进行重建，能够准确的提取采用fdsoi衬底的mosfet前栅氧化层和埋氧层电容。
附图说明
8.附图1所示是现有技术中一种典型的采用fdsoi衬底的mosfet结构图。
9.附图2是本发明一具体实施方式中采用fdsoi衬底的mosfet的栅极电容分布的示意图
10.附图3是本发明一具体实施方式中fdsoi mosfet偏置在积累与反型状态下的体区电容分布示意图。
11.附图4是本发明一具体实施方式中cgc积累区mosfet偏置状态和等效电容分布图，图4左是cgc积累区mosfet偏置状态，右是cgc积累区等效电容分布图。
12.附图5是本发明一具体实施方式中cgc反型区mosfet偏置状态和等效电容分布图，左侧是cgc反型区mosfet偏置状态，右侧是cgc反型区等效电容分布图。
13.附图6是本发明一具体实施方式中cgg积累区mosfet偏置状态和等效电容分布图，其中左为cgg积累区mosfet偏置状态，右为cgg积累区等效电容分布图。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明提供的全耗尽soi衬底上mosfet的电容模型提取方法的具体实施方式做详细说明。
15.图2给出了采用fdsoi衬底的mosfet的栅极电容分布的示意图，其中栅极结构可分为五个部分。其中区域(1)为mosfet的栅极，区域(2)为mosfet体区部分，区域(3)和区域(4)分别为mosfet的源漏区域交叠区域。当mosfet处于反型时，区域(2)将布满少数载流子并与区域(3)、(4)共同形成栅极电容的下极板。因为mosfet形成时源漏注入可向横向扩散，导致源漏区域存在和栅极部分的部分交叠，此部分因为与体区掺杂相反因此不能提供额外的电流导通能力。区域(5)是由高k电介质与金属堆叠的界面层用以形成栅极电场。因为源漏与体区的掺杂类型不同，图中所示的栅极电容下极板将分为的三个部分，通过对mosfet的cv特性表征对各部分电容进行分解，可以获得mosfet电容等重要mosfet工艺参数。
16.图3为fdsoi mosfet偏置在积累与反型状态下的体区电容分布示意图。其中栅氧化层电容cox始终固定，但体区电容因为电场作用产生了极大的不同。以n-mosfet为例，当栅极偏压为负时，因为垂直电场吸引体区多子，此时mosfet表面多子积累，因此源漏不能导通。当mosfet偏压增加时，mosfet将在栅极下方吸引mosfet少子，体区因为失去少数载流子进而产生耗尽层。此时mosfet体区垂直方向上的等效电容为栅极氧化层电容cox、体区电容cdep和埋氧层电容cbox三者的串联。
17.本具体实施方式对于上述的全耗尽soi衬底上mosfet的电容模型，提出了一种更为可靠的提取方法，包括如下步骤：步骤s11，将mosfet源极、漏极短接并提供交流电压小信号，在背栅提供直流偏置，直流偏置使沟道区处在积累和反型状态，并在上述两状态下分别测量mosfet在栅极的交流电流小信号，得出沟道电容cgc；步骤s12，将mosfet的源极、漏极与背栅短接并提供交流电压小信号，在mosfet的栅极测量交流电流小信号，得到栅极电容cgg；步骤s13，根据测得的沟道电容cgc和栅极电容cgg计算得出前栅氧化层电容cox与埋氧层电容cbox。
18.参考步骤s11，将mosfet源极、漏极短接并提供交流电压小信号，在背栅提供直流偏置，直流偏置使沟道区处在积累和反型状态，并在上述两状态下分别测量mosfet在栅极的交流电流小信号，得出沟道电容cgc。电容的测试可以采用keysight b1500a或其他类似的仪器。
19.具体的说，cgc的测量方法为，mosfet源极、漏极短接并提供交流电压小信号，在背栅提供直流偏置，测量mosfet在栅极的交流电流小信号，可由以下公式计算：
[0020][0021]
其中，ii(g)为mosfet在栅极部分测得的交流电流信号的虚部，v(ds)为mosfet在漏源施加的交流电压小信号幅值，f为交流信号测量频率。因为mosfet沟道电容分布可随着mosfet电压偏置改变，因此mosfet的cgc通常需要对mosfet的源漏电压进行扫描。在实验中mosfet的栅极偏压直流偏压设定为0v，mosfet的源极与漏极直流偏压从vdd扫描至-vdd，背栅偏置跟随源漏偏置进行扫描。采用这种倒置接法的原因是lcr仪表只能在hi端提供直流偏置与交流电压，在lo端只能提供电源地并监测交流电流，如果采用dciv正向偏压可导致mosfet交流电流出现在衬底的分流，导致测试的误差。
[0022]
图4为cgc积累区mosfet偏置状态和等效电容分布图，图4左是cgc积累区mosfet偏置状态，右是cgc积累区等效电容分布图。其中mosfet栅极可与mosfet的源漏交叠区域形成电容的上下极板，其中极板的面积由下极板交叠区域决定，由平行板电容器公式我们可知mosfet积累区沟道电容c
gc，acc
存在以下关系：
[0023]cgc,acc
＝c
gso
+c
gdo
ꢀꢀꢀ
(2)
[0024]
其中，c
gso
与c
gdo
分别为mosfet的源、漏与栅极形成的交叠电容，上述关系中可发现，此时mosfet沟道电容由mosfet源漏交叠电容组成，这是因为交流信号从源漏两端进入只能与交叠区域的极板部分发生电荷交换，尽管体区下方存在多子的自由电荷，但因为漏源与体区的隔离关系使体区极板电容无法接入电位。
[0025]
图5为cgc反型区mosfet偏置状态和等效电容分布图，左侧是cgc反型区mosfet偏置状态，右侧是cgc反型区等效电容分布图。其中mosfet栅极整体与mosfet沟道形成电容的上下极板，其中极板的面积由上极板决定，即mosfet栅极的宽长，此时mosfet的反型区沟道电容c
gc，inv
存在以下关系：
[0026][0027]
其中c
inv
为mosfet反型层形成的电容，mosfet在反型区工作时因为下表面可吸引大量自由电子，使mosfet的体区与源漏导通，此时的电容极板面积将由积累区的交叠部分转变为mosfet沟道整体。通过对上式的变换，在mosfet反型区工作时我们可获得前栅氧化层即mosfet介质层厚度：
[0028][0029]
继续参考步骤s12，将mosfet的源极、漏极与背栅短接并提供交流电压小信号，在mosfet的栅极测量交流电流小信号，得到栅极电容cgg。
[0030]
栅极电容cgg其典型测量方法为，mosfet的源极、漏极与背栅短接并提供交流电压小信号，在mosfet的栅极测量交流电流小信号，可由以下公式进行计算：
[0031][0032]
在mosfet沟道电容的测量中我们可获得mosfet栅极厚度与交叠区域信息，但对于mosfet负载的表征是不足的，因为mosfet的体区在mosfet作为负载时仍然可以贡献相当一
部分的电容成分。为了使交流小信号流经体区，在fdsoi的cgg测试中我们将hi端同时接入mosfet的背栅。如图6所示，因为mosfet的背栅接入交流通路，相比cgc在积累区的电容组成增加了经过体区的支路电流贡献，其等效电容可由以下关系式表示：
[0033][0034]
其中c
box
为mosfet的埋氧层电容。
[0035]
我们从上述cgg测量中将交流小信号通过背栅结构，在对应的电流贡献分量中分解出mosfet的埋氧层电容与埋氧层介质厚度。因为mosfet体区处于积累区不存在电容，其沟道电容通路为前栅与埋氧层电容的串联，其中埋氧层电容cbox可被以下关系式表示：
[0036][0037]
图6为cgg积累区mosfet偏置状态和等效电容分布图，其中左为cgg积累区mosfet偏置状态，右为cgg积累区等效电容分布图。
[0038]
继续参考步骤s13，根据测得的沟道电容cgc和栅极电容cgg计算得出前栅氧化层电容cox与埋氧层电容cbox。
[0039]
通过上述的公式(1)-(7)可以得出:
[0040]
cox＝c
gc,inv
ꢀꢀꢀ
(8)
[0041][0042]
为了进一步验证上述仿真结果的可靠性。我们利用上述结果计算得到前栅氧化层厚度tox与埋氧层厚度tbox
[0043][0044][0045] 提取数值实际工艺目标值前栅氧化层厚度tox1.36nm1.32nm埋氧层厚度tbox19.8nm20nm
[0046]
表1器件特征参数提取数值与实际工艺目标值对比
[0047]
表1为通过上述公式提取出的器件特征参数与实际工艺目标值的对比，其中栅氧化层电容提取数值为1.36nm与工艺目标值1.32nm极为接近，同时埋氧层厚度提取数值为19.8nm与工艺目标值几乎一致。以上结果证明了以上工艺参数提取流程的准确性。
[0048]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种全耗尽soi衬底上mosfet的电容模型提取方法，其特征在于，包括如下步骤：将mosfet源极、漏极短接并提供交流电压小信号，在背栅提供直流偏置，直流偏置使沟道区处在积累和反型状态，并在上述两状态下分别测量mosfet在栅极的交流电流小信号，得出沟道电容cgc；将mosfet的源极、漏极与背栅短接并提供交流电压小信号，在mosfet的栅极测量交流电流小信号，得到栅极电容cgg；根据测得的沟道电容cgc和栅极电容cgg计算得出前栅氧化层电容cox与埋氧层电容cbox。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量沟道电容cgc的步骤中，进一步是将mosfet的栅极偏压直流偏压设定为0v，mosfet的源极与漏极的直流偏压从vdd扫描至-vdd，背栅偏置跟随源漏偏置进行扫描。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在测量栅极电容cgg的步骤中，进一步是将mosfet的栅极偏压直流偏压设定为0v，mosfet的极、漏极与背栅短接，施加直流偏压从vdd扫描至-vdd，背栅偏置跟随源漏与背栅偏置进行扫描。
技术总结本发明提供了一种全耗尽SOI衬底上MOSFET的电容模型提取方法，包括如下步骤：将MOSFET源极、漏极短接并提供交流电压小信号，在背栅提供直流偏置，直流偏置使沟道区处在积累和反型状态，并在上述两状态下分别测量MOSFET在栅极的交流电流小信号，得出沟道电容Cgc；将MOSFET的源极、漏极与背栅短接并提供交流电压小信号，在MOSFET的栅极测量交流电流小信号，得到栅极电容Cgg；根据测得的沟道电容Cgc和栅极电容Cgg计算得出前栅氧化层电容Cox与埋氧层电容Cbox。本发明根据全耗尽SOI衬底的特点对电容模型进行重建，能够准确的提取采用FDSOI衬底的MOSFET前栅氧化层和埋氧层电容。FDSOI衬底的MOSFET前栅氧化层和埋氧层电容。FDSOI衬底的MOSFET前栅氧化层和埋氧层电容。
技术研发人员：陈静 任志鹏 葛浩 胡一波 尹伊哲
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：2022.07.13
技术公布日：2022/11/1
