一种半导体性能测试方法和系统

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体性能测试方法和系统。

背景技术

迁移率作为体现半导体输运性能的重要指标，定义为单位场强下电子的漂移速度，是重要的电荷传输参数。表征迁移率的技术手段有很多，如飞行时间法、空间电荷限制电流法、场效应晶体管(FET)法。场效应晶体管法作为制备场效应晶体管的半导体材料的方法被广泛使用。一般制作为三端器件(栅极、源极、漏极)，载流子在栅极电压的诱导之下，由接地的源电极注入，在源漏极间电压的作用下形成漂移电流，载流子被漏极所接收。

对于非晶态半导体而言，半导体能态密度呈现高斯或指数分布，能带边具有一定斜坡，即具有带尾态，所谓带尾效应是指半导体中导带和价带的边缘并不是突变的。而在实际半导体中，由于缺陷的形成，掺杂等破坏了理想的晶格周期性，形成一些局域态。从能态密度的分布而言，就是相当于靠近导带底或者价带顶的禁带区域内也有连续的能量状态分布，形式上就是在禁带中存在一个尾巴，即，带尾。处于带尾态的载流子并不是很好的扩展态，因此其往往导致半导体电学特性的退变。当半导体带尾态很小，即斜坡斜率较大时，载流子多能跃迁入能带进行输运，迁移率高；当带尾态很大，费米能级位于带尾态中，器件迁移率受到带尾态中定域化载流子的影响，会大幅度降低。常用场效应晶体管纵向结构包含金属栅、介质层(绝缘层)和半导体活性层。无序的介质层中会存在很多缺陷，导致半导体带尾态变大，对半导体活性层中载流子的输运造成影响。此外，介质层和半导体层的界面缺陷等也会对半导体引入更多的无序，使输运性能变差。因此FET表征方法受到介质层影响，难以真实地反映出半导体层的本征输运特性，而半导体层本征输运的性能研究是提升场效应半导体器件的关键因素所在。

通过提升绝缘层与半导体层的晶格匹配的方法，可以获得更好的界面性能，但是对于非晶氧化物、有机半导体等材料，尚未有完全与之匹配的绝缘层材料出现，因此对于非晶氧化物、有机半导体等材料的场效应晶体管，消除介质层和半导体层的界面缺陷的影响，是本征半导体输运性能研究亟待解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种半导体性能测试方法和系统，用以解决现有无序的介质层中存在的缺陷以及介质层和半导体层的界面缺陷会影响半导体活性层中载流子的输运性能的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种半导体性能测试方法，包括：制备场效应晶体管，其中，所述场效应晶体管包括位于待测试的半导体层和栅极之间的空气绝缘层；随着栅极电压在测试电压范围内连续变化，测量与所述栅极电压相对应的漏极电流，并根据在所述测试电压范围内的栅极电压值和对应的漏极电流值绘制转移特性曲线，其中，所述场效应晶体管的漏极连接正电源电压，源极接地以及栅极连接在所述测试电压范围内变化的栅极电压；以及根据所述转移特性曲线获取所述待测试的半导体层的本征输运性能。

上述技术方案的有益效果如下：本发明实施例通过空气(真空)绝缘层能够排除绝缘层缺陷影响，反应真实半导体本征输运性能的真空绝缘层器件结构。该器件结构制作简单，因此可广泛应用于各种具有非晶态半导体器件的物理研究当中。

基于上述方法的进一步改进，所述待测试的半导体层包括氧化铟镓锌、非晶硅、低温多晶硅和无序有机薄膜。

基于上述方法的进一步改进，制备场效应晶体管进一步包括：在衬底上方形成所述待测试的半导体层、源极和漏极，其中，暴露所述待测试的半导体层的介于所述源极和所述漏极之间的顶面；在所述源极和所述漏极之外的所述衬底上方形成侧墙层，其中，所述侧墙层的高度大于所述半导体层、所述源极和所述漏极的高度；以及在所述侧墙层上方形成栅极以在所述栅极的底面与所述源极、所述漏极的顶面以及所述待测试的半导体层的暴露顶面之间形成所述空气绝缘层。

基于上述方法的进一步改进，在衬底上方形成所述待测试的半导体层、源极和漏极进一步包括：通过磁控溅射法在所述衬底上蒸镀待测试的半导体材料；通过紫外光刻工艺和湿法刻蚀工艺对所述待测试的半导体材料进行图形化以形成所述待测试的半导体层；通过光刻胶涂覆工艺和电子束工艺在所述衬底和所述半导体层上方蒸镀电极材料层；以及对所述电极材料层进行图形化以形成所述源极和所述漏极。

基于上述方法的进一步改进，所述源极包括源极本体、源极延伸部和源极触点，其中，所述源极本体位于所述待测试的半导体层上方，所述源极延伸部从所述源极本体的中部与所述源极本体垂直地向外延伸并位于所述衬底上方以及所述源极触点位于所述源极延伸部的远离所述源极本体的端部处；以及所述漏极包括漏极本体、漏极延伸部和漏极触点，其中，所述漏极本体位于所述待测试的半导体层上方，所述漏极延伸部从所述漏极本体的中部与所述漏极本体垂直地向外延伸并且位于所述衬底上方以及所述漏极触点位于所述漏极延伸部的远离所述漏极本体的端部处。

上述技术方案的有益效果如下：源极包括源极本体、源极延伸部和源极触点以及漏极包括漏极本体、漏极延伸部和漏极触点，以便于对源极触点和漏极触点施加电源并且便于对半导体层进行测试。

基于上述方法的进一步改进，所述侧墙层包括第一侧墙层、第二侧墙层和第三侧墙层，其中，所述第一侧墙层，具有圆环形截面，并以360°包围所述待测试的半导体层；所述第二侧墙层，包括多个矩形截面并且位于所述第一侧墙层的一侧，其中，所述源极延伸部夹置于所述多个矩形截面中的任两个矩形截面之间；以及所述第三侧墙层，包括多个矩形截面并且位于所述第一侧墙层的另一侧，其中，所述漏极延伸部夹置于所述多个矩形截面中的任两个矩形截面之间。

上述技术方案的有益效果如下：通过第一侧墙层能够完全围绕半导体层，通过第一侧墙层以及位于第一侧墙层相对两侧的第二侧墙层和第三侧墙层能够有效地支撑栅极，以能够生成介于待测试的半导体层和栅极之间的均匀高度且稳定的空气绝缘层。

基于上述方法的进一步改进，在所述侧墙层上方形成栅极进一步包括：切割重掺杂硅片并将切割的所述重掺杂硅片搭接在所述侧墙层上方作为所述栅极，其中，所述栅极覆盖整个待测试的半导体层、所述侧墙层、所述源极本体、所述源极延伸部、所述漏极本体和所述漏极延伸部。

基于上述方法的进一步改进，根据所述转移特性曲线获取所述待测试的半导体层的本征输运性能进一步包括：根据所述转移特性曲线获取线性区的拟合斜率；以及基于所述线性区的拟合斜率获取所述半导体层的本征迁移率。

上述技术方案的有益效果如下：根据半导体性能测试方法可以极大的减小介质层无序对半导体迁移率的影响，获得半导体的本征迁移率。

基于上述方法的进一步改进，在测量与所述栅极电压相对应的漏极电流之前进一步包括：将所述场效应晶体管固定在密封的测试台上；选择性地利用真空泵将所述密封的测试台抽为真空；将所述测试台的温度调节为300K温度下，以根据测量结果获得所述待测试的半导体层的常温转移特性曲线；以及将所述测试台的温度调节为不同于300K的温度下，以根据测量结果获得所述待测试的半导体层的变温转移特性曲线。

另一方面，本发明实施例提供了一种半导体性能测试系统，包括场效应晶体管、半导体测试仪，其中，所述场效应晶体管置于所述半导体测试仪的测试腔内，然后利用根据上述实施例所述的半导体性能测试方法测试场效应晶体管中的待测试的半导体层。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明实施例通过空气绝缘层能够排除绝缘层缺陷影响，反应真实半导体本征输运性能的真空绝缘层器件结构。该器件结构制作简单，因此可广泛应用于各种具有非晶态半导体器件的物理研究当中。

2、源极包括源极本体、源极延伸部和源极触点以及漏极包括漏极本体、漏极延伸部和漏极触点，以便于对源极触点和漏极触点施加电源并且便于对半导体层进行测试。

3、通过第一侧墙层能够完全围绕半导体层，通过第一侧墙层以及位于第一侧墙层相对两侧的第二侧墙层和第三侧墙层能够有效地支撑栅极，以能够生成介于待测试的半导体层和栅极之间的均匀高度且稳定的空气绝缘层。

4、本发明实施例获得的半导体层性能参数，可以为分析场效应晶体管中半导体的微观物理机制提供理论指导，可以直接用于分析半导体材料的载流子输运特性，从而为制造高性能的半导体器件提供指导。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1根据本发明实施例的半导体性能测试方法的流程图。

图2示出了根据本发明实施例的具有真空绝缘层的场效应晶体管的示意图。

图3为根据本发明实施例的除了栅极之外的场效应晶体管的顶部截面图；

图4为图3中的场效应晶体管的沟道局部放大图。

图5示出了通过实验获得的IGZO材料在300K下的转移曲线及线性区拟合结果。

图6示出了通过实验获得的IGZO材料在不同温度下的转移曲线。

图7示出了计算具有真空绝缘层的场效应晶体管与相同条件下氧化硅介质层的场效应晶体管的激活能和态密度的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种半导体性能测试方法。参考图1，半导体性能测试方法包括：在步骤S102中，制备场效应晶体管，其中，场效应晶体管包括位于待测试的半导体层和栅极之间的空气绝缘层；在步骤S104中，随着栅极电压在测试电压范围内连续变化，测量与栅极电压相对应的漏极电流，并根据在测试电压范围内的栅极电压值和对应的漏极电流值绘制转移特性曲线，其中，场效应晶体管的漏极连接正电源电压，源极接地以及栅极连接在测试电压范围内变化的栅极电压；以及在步骤S106中，根据转移特性曲线获取待测试的半导体层的本征输运性能。

与现有技术相比，本实施例提供的半导体性能测试方法中，通过空气绝缘层能够排除绝缘层缺陷影响，反应真实半导体本征输运性能的真空绝缘层器件结构。该器件结构制作简单，因此可广泛应用于各种具有非晶态半导体器件的物理研究当中。

下文中，将参考图1至图7，对根据本发明实施例的半导体性能测试方法的步骤S102、S104和S106进行详细描述。

参考图1，在步骤S102中，制备场效应晶体管，其中，场效应晶体管包括位于待测试的半导体层14和栅极16之间的空气绝缘层17。下文中，参考图2至图4，对制备场效应晶体管的步骤进行详细描述。

参考图2，制备场效应晶体管包括：在衬底11上方形成待测试的半导体层14、源极12和漏极13，其中，暴露待测试的半导体层14的介于源极12和漏极13之间的顶面。在源极12和漏极13之外的衬底11上方形成侧墙层15，其中，侧墙层15的高度大于半导体层14、源极12和漏极13的高度。在侧墙层15上方形成栅极16以在栅极的底面与源极12、漏极13的顶面以及待测试的半导体层14的暴露顶面之间形成空气绝缘层17。

具体地，在衬底11上方形成待测试的半导体层14、源极12和漏极13进一步包括：通过磁控溅射法在衬底上蒸镀待测试的半导体材料；通过紫外光刻工艺和湿法刻蚀工艺对待测试的半导体材料进行图形化以形成待测试的半导体层14；通过光刻胶涂覆工艺和电子束工艺在衬底和半导体层上方蒸镀电极材料层；以及对电极材料层进行图形化以形成源极12和漏极13。具体地，参考图3和图4，源极12包括源极本体121、源极延伸部122和源极触点123，其中，源极本体121位于待测试的半导体层14上方，源极延伸部122从源极本体121的中部与源极本体121垂直地向外延伸并位于衬底上方以及源极触点123位于源极延伸部122的远离源极本体121的端部处。漏极13包括漏极本体131、漏极延伸部132和漏极触点132，其中，漏极本体131位于待测试的半导体层14上方，漏极延伸部132从漏极本体131的中部与漏极本体131垂直地向外延伸并且位于衬底上方以及漏极触点133位于漏极延伸部132的远离漏极本体131的端部处。

参考图3，侧墙层15包括第一侧墙层151、第二侧墙层152和第三侧墙层153。第一侧墙层151，具有圆环形截面，并以360°包围待测试的半导体层14；第二侧墙层152，包括多个矩形截面并且位于第一侧墙层151的一侧，其中，源极延伸部122夹置于多个矩形截面中的任两个矩形截面之间，使得源极触点123从第二侧墙层152的任两个矩形截面中伸出；以及第三侧墙层153，包括多个矩形截面并且位于第一侧墙层151的另一侧，其中，漏极延伸部132夹置于多个矩形截面中的任两个矩形截面之间，使得漏极触点133从第三侧墙层153的任两个矩形截面中伸出。

参考图2和图3，在侧墙层15上方形成栅极16进一步包括：切割重掺杂硅片并将切割的重掺杂硅片搭接在侧墙层15上方作为栅极16，其中，栅极覆盖整个待测试的半导体层14、侧墙层15、源极本体121、源极延伸部122、漏极本体131和漏极延伸部132。

在步骤S104中，随着栅极电压在测试电压范围内连续变化，测量与栅极电压相对应的漏极电流，并根据在测试电压范围内的栅极电压值和对应的漏极电流值绘制转移特性曲线，其中，场效应晶体管的漏极连接正电源电压，源极接地以及栅极连接在测试电压范围内变化的栅极电压。具体地，在测量与栅极电压相对应的漏极电流之前进一步包括：将场效应晶体管固定在密封的测试台上；选择性地利用真空泵将密封的测试台抽为真空，例如，真空泵包括机械泵或分子泵。在可选实施例中，选择性地将场效应晶体管置于氮气环境中，具体地，对密封的测试台提供氮气以将场效应晶体管置于氮气环境中，只不过介电常数相应变化；将测试台的温度调节为300K温度下，以根据测量结果获得待测试的半导体层的常温转移特性曲线(参考图5)；以及将测试台的温度调节为不同于300K的温度下，以根据测量结果获得待测试的半导体层的变温转移特性曲线(参考图6)。在将场效应晶体管置于真空环境中，使得待测试的半导体层与绝缘材料及气体分子不接触以完全排除绝缘材料及其界面的缺陷对待测试的半导体层的影响。

在步骤S106中，根据转移特性曲线获取待测试的半导体层的本征输运性能。待测试的半导体层的适用范围包括各种非晶态半导体体系，例如，待测试的半导体层包括氧化铟镓锌、非晶硅、低温多晶硅和无序有机薄膜等。根据转移特性曲线获取待测试的半导体层的本征输运性能进一步包括：根据转移特性曲线获取线性区的拟合斜率；以及基于线性区的拟合斜率获取半导体层的本征迁移率。

下文中，参考图2至图7，以具体实例的方式对根据本发明实施例的半导体性能测试方法进行详细描述。

本发明的目的在于排除介质层及界面的缺陷对半导体层的影响，测试半导体层本身的本征输运性能。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

步骤一：制备悬空绝缘层的结构器件

本方法发明的器件结构如图2所示。在衬底11上分别图形化半导体层1)，源极12、漏极13之后，在已有图形区以外的区域，采用光刻胶涂覆的方法制作出支撑真空栅介质(空气绝缘层或者氮气绝缘层)的侧墙(spacer)层15，侧墙层的高度高于半导体层和源端、漏端，并360°包围住半导体层，以保证器件结构的稳定性，顶部截面图如图2所示。将重掺硅片或沉积有金膜的重掺硅片作为顶栅16，形成位于半导体层14和顶栅16之间的空气(真空)层17。

步骤二：测试器件电学特性

测试时一般使用真空低温探针台，测试腔由机械泵、分子泵抽为真空(测试时，固定在低温真空测试台测试，测试台密闭抽真空，非器件本身创新的性质。空气、氮气环境亦可，只不过介电常数相应变化。)，保证半导体层和栅端之间为真空介质层，真空介质层的高度为侧墙层与半导体层的高度差。使用Keithley 4200测量器件(SCS半导体参数分析仪)的电学特性(转移特性I

步骤三：提取半导体非晶态本征的迁移率

依据步骤二获得器件在真空环境中室温(300K)时的转移曲线(参考图5)，根据公式(1)计算可得排除介质层无序影响的反应半导体层本征运输性能的迁移率μ

式中，Slope为转移曲线(I

式中，ε

进一步地，测试不同变温点的转移曲线(参考图6)，可以得到更多反应半导体层本征运输的信息，参考图7，如激活能E

利用公式(4)，拟合公式(3)中电导和栅压、温度的曲线，可以得到不同栅压对应的激活能E

其中，A为拟合常数，k为玻尔兹曼常数，T是温度。根据公式(5)，可得该体系下的态密度N(E)

式中，e为元电荷量，a是半导体层的积累层厚度。

有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中，排除了介质层及其界面的缺陷对半导体层的影响，可得到半导体层的本征输运性能；

2.获得的半导体层性能参数，可以为分析场效应晶体管中半导体的微观物理机制提供理论指导，可以直接用于分析半导体材料的载流子输运特性，从而为制造高性能的半导体器件提供指导。

实施例

以IGZO(Indium gallium zinc oxide)作为半导体层的场效应晶体管作为实施例，对本发明进一步说明。

采用表面具有300nm厚的SiO

测试时置于温度300K的真空半导体测试仪的腔体内部。测试转移输出曲线，参见图5，斜率为拟合估算为1.72×10-5A/V，根据公式(1)和(2)，可得其迁移率为77.7cm

变化真空测试条件下的测试温度，可得到器件的变温转移曲线，如图6所示。根据公式(3)、(4)和(5)，拟合实验数据。可以求得器件的激活能E

本发明的另一个具体实施例，公开了一种半导体性能测试系统，包括场效应晶体管、半导体测试仪。场效应晶体管置于半导体测试仪的测试腔内，然后利用上述实施例所述的半导体性能测试方法测试场效应晶体管中的待测试的半导体层。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明实施例通过空气绝缘层能够排除绝缘层缺陷影响，反应真实半导体本征输运性能的真空绝缘层器件结构。该器件结构制作简单，因此可广泛应用于各种具有非晶态半导体器件的物理研究当中。

2、源极包括源极本体、源极延伸部和源极触点以及漏极包括漏极本体、漏极延伸部和漏极触点，以便于对源极触点和漏极触点施加电源并且便于对半导体层进行测试。

3、通过第一侧墙层能够完全围绕半导体层，通过第一侧墙层以及位于第一侧墙层相对两侧的第二侧墙层和第三侧墙层能够有效地支撑栅极，以能够生成介于待测试的半导体层和栅极之间的空气绝缘层。

4、本发明实施例获得的半导体层性能参数，可以为分析场效应晶体管中半导体的微观物理机制提供理论指导，可以直接用于分析半导体材料的载流子输运特性，从而为制造高性能的半导体器件提供指导。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。