一种基于五元素模型的MOS电容测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于五元素模型的MOS电容测量方法，包括：建立MOS电容的五元素等效电路模型；对MOS电容采用两元素并联模型在两个不同频率下进行C‑V测量并且进行I‑V测量；根据所述五元素等效电路模型以及测量结果提取所述MOS电容的辅助特征方程；根据所述辅助特征方程求解得到所述MOS电容的电容值。本发明专利技术方法应用于无色散电介质的MOS结构中，得到的合理的MOS电容并且不随选取的两个频率而变化(即无色散)，其他四个元素也都有合理的数值解，显示出基于五元素模型的MOS电容测量方法的合理性和自洽性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术实施例涉及MOS电容测量领域，尤其涉及一种基于五元素模型的MOS电容测量方法。
技术介绍
MOS结构的电容精确测量十分重要，尤其是积累区电容。MOS积累区电容对应着栅极电介质层电容，根据栅极电介质层电容可以来确定栅极电介质的介电常数和厚度等。直接用两元素并联模型或者串联模型，无法精确测量MOS电容。如图1所示的并联模型直接测量得到的MOS电容频率色散太大，其测量结果如图2所示，频率分别是100kHz、200kHz、400kHz、600kHz、800kHz、1MHz和2MHz，采用的是双向扫描模式，测量范围是-3V到2V，电压间隔是0.1V。常用的栅极电介质材料的介电常数在通常的测量频率范围是无色散的，而这里过大的色散是由于寄生参数的影响。很多寄生参数会影响到MOS积累区电容的精确测量。首先是并联电阻：随着现代MOS器件的尺寸减小，其栅极的电介质层厚度也在减小，这导致栅极漏电增加，即并联电阻减小，因而并联电阻不能忽略。其次是串联电阻：MOS结构的串联电阻主要来源于衬底的体电阻和背接触电阻，在精确测量时也是不可以忽略的。现有技术中不同的等效电路模型以及相应的测量和模拟方法，总结如下：1、三元素模型，如图3所示，该模型考虑MOS电容(C)、并联电阻(Rp)和串联电阻(Rs)。对于该三元素模型，主要有三种测量和模拟方法。第一种方法只采集一次两元素模型的测量数据，再从两元素串联模型中提取出近似的串联电阻，变三个未知参数为两个未知参数，再根据阻抗的实部和虚部分别相等的原则得到的两个方程，去计算MOS电容和并联电阻。该方法在某些频率下并联电导(并联电阻的倒数)会出现不合理的负值解。第二种方法是通过采集两个频率下的C-V数据(以下称“双频方法”)，解四个方程的方程组得到模型中三个元素的值，这属于超定方程求解。根据测量的实
验数据得到的解有时是矛盾的、不唯一的。研究表明应用该方法时对两个频率的选择和耗散因子有苛刻的要求，即两个测量频率满足f1＜＜f2，并且耗散因子小于1.1。对于当前非常薄电介质层的MOS结构，这些要求往往难以满足。第三种方法是测量和采集一个频率下的C-V数据得到两个方程，再结合I-V测量数据得到第三个方程，最后解方程组得到三个元素的解。而这种方法往往解出的电容的频率色散仍然过大，如图4所示，说明该模型仍不完美。2、四元素模型，主要有分为两种，都需要采用双频方法，解关于四个元素的四个方程。第一种模型是考虑MOS电容、并联电阻和串联电阻的基础上，还考虑测量体系的电感。用这种模型得到的解往往色散仍偏大，更主要的是会出现不合理的负电感值(非常接近于0)，这说明在测量的频率范围内考虑电感值是不必要的。第二种模型是考虑MOS电容(C)和串联电阻(Rs)的基础上，还考虑界面层电容(Ci)和界面层电阻(Ri)，如图5所示，但是忽略MOS电容的并联电阻(Rp)。这种方法得到的MOS电容在积累区出现不合理的上翻，如图6所示。这说明对于非常薄的MOS电介质层，忽略并联电阻是不合理的。三元素模型和四元素模型对于有界面层的MOS结构都无法给出合理的解，原因是三个或者四个元素不足以模拟栅极含有界面层的MOS器件。大量的研究证实，MOS结构在电介质层和半导体之间不可避免地存在界面层。随着栅极电介质层的减小，电介质层的电容和界面层的电容大小相当，因而界面层阻抗不可忽略。忽略界面层将会影响测量结果的准确性甚至合理性。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种基于五元素模型的MOS电容测量方法，以克服上述技术问题。本专利技术基于五元素模型的MOS电容测量方法，包括：建立MOS电容的五元素等效电路模型；采用两元素并联模型对所述MOS电容在两个不同频率下进行C-V测量并且进行I-V测量；根据所述五元素等效电路模型以及测量结果提取所述MOS电容的辅助特征方程；根据所述辅助特征方程求解得到所述MOS电容的电容值。进一步地，根据所述五元素等效电路模型以及测量结果提取所述MOS电容的辅助特征方程，包括：根据两个不同测量频率下两元素模型的C-V测量数据，比较五元素等效电路模型和并联模型的实部与虚部，得到辅助特征方程为： R p 1 + ω 1 2 C 2 R p 2 + R i 1 + ω 1 2 C i 2 R i 2 + R s = R 1 1 + ω 1 2 C 1 2 R 1 2 = A 1 - - - ( 1 ) ]]> CR p 2 1 + ω 1 2 C 2 R p 2 + C i R i 2 1 + ω 1 2 C i 2 R i 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于五元素模型的MOS电容测量方法，其特征在于，包括：建立MOS电容的五元素等效电路模型；采用两元素并联模型对所述MOS电容在两个不同频率下进行C‑V测量并且进行I‑V测量；根据所述五元素等效电路模型以及测量结果提取所述MOS电容的辅助特征方程；根据所述辅助特征方程求解得到所述MOS电容的电容值。

【技术特征摘要】
1.一种基于五元素模型的MOS电容测量方法，其特征在于，包括：建立MOS电容的五元素等效电路模型；采用两元素并联模型对所述MOS电容在两个不同频率下进行C-V测量并且进行I-V测量；根据所述五元素等效电路模型以及测量结果提取所述MOS电容的辅助特征方程；根据所述辅助特征方程求解得到所述MOS电容的电容值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述五元素等效电路模型以及测量结果提取所述MOS电容的辅助特征方程，包括：根据两个不同测量频率下两元素模型的C-V测量数据，比较五元素等效电路模型和两元素并联模型的实部与虚部，得到辅助特征方程为： R p 1 + ω 1 2 C 2 R p 2 + R i 1 + ω 1 2 C i 2 R i 2 + R s = R 1 1 + ω 1 2 C 1 2 R 1 2 = A 1 - - - ( 1 ) ]]> CR p 2 1 + ω 1 2 C 2 R p 2 + C i R i 2 1 + ω 1 2 C i 2 R i 2 = C 1 R 1 2 1 + ω 1 2 C 1 2 R 1 2 = A 2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张希珍，陈宝玖，于涛，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21