一种半导体测试结构和测试方法

技术领域

本申请实施例涉及半导体制造领域，尤其涉及一种半导体测试结构和测试方法。

背景技术

随着集成电路的集成化，以及半导体器件的微型化，晶体管的性能对于集成电路的影响越发显著。在影响晶体管性能的因素中，寄生电容会对由晶体管形成的半导体器件的工作效率产生影响。因此，需要对所述晶体管的寄生电容进行测试，从而尽量降低寄生电容的大小。

但是，现有技术对于晶体管寄生电容的测试方法复杂，且很难精准获取寄生电容值。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种半导体测试结构和测试方法。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种半导体测试结构，包括：第一测试结构、第二测试结构和第三测试结构；其中，

所述第一测试结构包括场效应晶体管和第一金属结构；所述场效应晶体管包括衬底、形成于所述衬底表面的栅极结构、以及形成于所述栅极结构两侧的衬底内的掺杂区；所述第一金属结构包括n个与所述掺杂区连接的接触插塞以及与所述接触插塞连接的金属层，n为大于2的正整数；

所述第二测试结构包括场效应晶体管和第二金属结构；所述场效应晶体管包括衬底、形成于所述衬底表面的栅极结构、以及形成于所述栅极结构两侧的衬底内的掺杂区；所述第二金属结构包括两个与所述掺杂区连接的接触插塞以及与所述接触插塞连接的金属层；

所述第三测试结构包括场效应晶体管和第三金属结构；所述场效应晶体管包括衬底、形成于所述衬底表面的栅极结构、以及形成于所述栅极结构两侧的衬底内的掺杂区；所述第三金属结构包括位于所述场效应晶体管上方的金属层。

在一种可选的实施方式中，所述第一测试结构、第二测试结构和第三测试结构的场效应晶体管和金属层的形成工艺、材料和尺寸相同。

在一种可选的实施方式中，所述第一测试结构和所述第二测试结构的接触插塞的形成工艺、材料和尺寸相同。

在一种可选的实施方式中，所述金属层包括第一金属层和第二金属层；

所述第一金属层和所述第二金属层之间通过层间接触插塞进行连接。

在一种可选的实施方式中，所述第一测试结构、所述第二测试结构和所述第三测试结构位于同一衬底上；或者，

所述第一测试结构、所述第二测试结构和所述第三测试结构位于不同衬底上。

在一种可选的实施方式中，所述第一测试结构、所述第二测试结构和所述第三测试结构位于同一衬底上的情况下，所述第一测试结构、所述第二测试结构和所述第三测试结构不相邻设置；或者，

所述第一测试结构、所述第二测试结构和所述第三测试结构相邻设置，且所述第一测试结构、所述第二测试结构和所述第三测试结构之间通过隔离结构进行隔离。

在一种可选的实施方式中，所述掺杂区还包括位于所述栅极结构下方、与所述栅极结构重叠的区域。

在一种可选的实施方式中，所述n为大于或等于10的正整数。

第二方面，本申请实施例提供一种测试方法，应用于如第一方面任一项所述的半导体测试结构，所述方法包括：

对所述栅极结构施加第一偏置电压，并对位于所述栅极结构两侧的所述掺杂区施加第二偏置电压，分别测得所述第一测试结构、第二测试结构和第三测试结构的电容值；

通过所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值，获得第一测试电容值，所述第一测试电容值为所述栅极结构与所述接触插塞之间的电容值；

通过所述第二测试结构的电容值与所述第一测试电容值和所述第三测试结构的电容值的差值，获得第二测试电容值，所述第二测试电容值为所述栅极结构与沟道区之间的电容值；

通过所述第三测试结构的电容值，获得第三测试电容值，所述第三测试电容值为所述栅极结构与所述金属层之间的电容值。

在一种可选的实施方式中，所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值为所述第一测试电容值的n-2倍。

本申请通过三种不同结构的测试结构，其中，所述第一测试结构和第二测试结构的差异仅在于与所述掺杂区连接的接触插塞的个数，因此，通过所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与相邻所述接触插塞之间的电容值；所述第二测试结构和第三测试结构的差异仅在于所述第三测试结构不具有接触插塞，因此，通过所述第二测试结构的电容值与所述第一测试电容值和所述第三测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与沟道区之间的电容值，最后可以通过第三测试结构的电容值，获得所述栅极结构与所述金属层之间的电容值，从而可以精准地获取场效应晶体管的寄生电容。

附图说明

图1为本申请实施例提供的第一测试结构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第二测试结构的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第三测试结构的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的第一测试结构的剖视图；

图5本申请实施例提供的一种测试方法的实现流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

本申请实施例提供一种半导体测试结构，图1为本申请实施例提供的第一测试结构的结构示意图，图2为本申请实施例提供的第二测试结构的结构示意图，图3为本申请实施例提供的第三测试结构的结构示意图，结合参考图1至图3，所述半导体测试结构包括：第一测试结构100、第二测试结构200和第三测试结构300；其中，

所述第一测试结构100包括场效应晶体管和第一金属结构；所述场效应晶体管包括衬底(图中未示出)、形成于所述衬底表面的栅极结构111、以及形成于所述栅极结构111两侧的衬底内的掺杂区112；所述第一金属结构包括n个与所述掺杂区112连接的接触插塞121以及与所述接触插塞121连接的金属层122，n为大于2的正整数；

所述第二测试结构200包括场效应晶体管和第二金属结构；所述场效应晶体管210包括衬底(图中未示出)、形成于所述衬底表面的栅极结构211、以及形成于所述栅极结构211两侧的衬底内的掺杂区212；所述第二金属结构包括两个与所述掺杂区212连接的接触插塞221以及与所述接触插塞221连接的金属层222；

所述第三测试结构300包括场效应晶体管和第三金属结构；所述场效应晶体管包括衬底(图中未示出)、形成于所述衬底表面的栅极结构311、以及形成于所述栅极结构311两侧的衬底内的掺杂区312；所述第三金属结构包括位于所述场效应晶体管上方的金属层321。

在本申请实施例中，所述衬底可以为单质半导体材料衬底(例如为硅(Si)衬底、锗(Ge)衬底等)、复合半导体材料衬底(例如为锗硅(SiGe)衬底等)，或绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上锗(GeOI)衬底等。

在本申请实施例中，形成栅极结构的具体过程为：在所述衬底上形成介质层；在所述介质层的部分区域上形成多晶硅栅极；刻蚀去除未被所述多晶硅栅极覆盖的部分所述介质层，以使所述衬底上的硅区域暴露；被所述多晶硅栅极覆盖的部分所述介质层作为栅介质层。所述栅介质层和所述多晶硅栅极构成所述栅极结构。所述栅介质层的材料包括以下至少一种：氧化硅、氮氧化硅、高介电常数材料。其中，所述高介电常数材料可以为二氧化铪。

在本申请实施例中，形成掺杂区的具体过程为：在形成所述栅极结构后，通过离子注入工艺在被暴露的所述衬底上的所述硅区域上形成源极区和漏极区；所述源极区和所述漏极区位于所述栅极结构两侧，所述源极区和所述漏极区构成所述掺杂区。

在本申请实施例中，所述场效应晶体管还包括位于所述源极区和所述漏极区之间、且位于所述栅极结构下方的沟道区。

在本申请实施例中，所述第一测试结构100的掺杂区112、所述第二测试结构200的掺杂区212和所述第三测试结构300的掺杂区312的掺杂类型和掺杂浓度相同。

在本申请实施例中，所述接触插塞可以为槽(trench)结构，即为接触槽插塞。在一些实施例中，所述接触插塞还可以为接触孔插塞(contact)。

在本申请实施例中，所述第一测试结构100的场效应晶体管、第二测试结构200的场效应晶体管和第三测试结构300的场效应晶体管的形成工艺、材料和尺寸相同。所述第一测试结构100的金属层122、第二测试结构200的金属层222和第三测试结构300的金属层321的形成工艺、材料和尺寸相同。

在本申请实施例中，所述第一测试结构100的接触插塞121和所述第二测试结构200的接触插塞221的形成工艺、材料和尺寸相同。

本申请实施例中的测试结构中的场效应晶体管、接触插塞和金属层的形成工艺、材料和尺寸相同。尽可能的保证每个测试结构的统一性，从而得以控制所述测试结构之间的变量。

本申请通过三种不同结构的测试结构，其中，所述第一测试结构和第二测试结构中的场效应晶体管、接触插塞和金属层的形成工艺、材料和尺寸相同，所述第一测试结构和第二测试结构的差异就仅在于与所述掺杂区连接的接触插塞的个数，因此，通过所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与相邻所述接触插塞之间的电容值；所述第二测试结构和第三测试结构中的场效应晶体管和金属层的形成工艺、材料和尺寸相同，所述第二测试结构和第三测试结构的差异就仅在于所述第三测试结构不具有接触插塞，因此，通过所述第二测试结构的电容值与所述第一测试电容值和所述第三测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与沟道区之间的电容值，最后可以通过第三测试结构的电容值，获得所述栅极结构与所述金属层之间的电容值，从而可以精准地获取场效应晶体管的寄生电容。

在本申请实施例中，图4为本申请实施例提供的第一测试结构的剖视图，结合图1和图4所示，所述第一测试结构100的金属层122包括第一金属层1221和第二金属层1222；所述第一金属层1221和所述第二金属层1222之间通过层间接触插塞1223进行连接。

所述第二测试结构200的金属层222包括第一金属层2221和第二金属层2222；所述第一金属层2221和所述第二金属层2222之间通过层间接触插塞(图中未示出)进行连接。

所述第三测试结构300的金属层321包括第一金属层3211和第二金属层3212；所述第一金属层3211和所述第二金属层3212之间通过层间接触插塞(图中未示出)进行连接。

这里，所述层间接触插塞可以为层间接触孔插塞(contact)。

在本申请实施例中，所述第一测试结构100、所述第二测试结构200和所述第三测试结构300位于同一衬底上；或者，所述第一测试结构100、所述第二测试结构200和所述第三测试结构300位于不同衬底上。

在本申请实施例中，所述第一测试结构100、所述第二测试结构200和所述第三测试结构300位于同一衬底上的情况下，所述第一测试结构100、所述第二测试结构200和所述第三测试结构300不相邻设置；或者，所述第一测试结构100、所述第二测试结构200和所述第三测试结构300相邻设置，且所述第一测试结构100、所述第二测试结构200和所述第三测试结构300之间通过隔离结构进行隔离。所述隔离结构的材料可以为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在本申请实施例中，所述隔离结构的材料优选为氧化硅。

在本申请实施例中，所述第一测试结构100的掺杂区112还包括位于所述栅极结构111下方、与所述栅极结构111重叠的区域。所述第二测试结构200的掺杂区212还包括位于所述栅极结构211下方、与所述栅极结构211重叠的区域。所述第三测试结构300的掺杂区312还包括位于所述栅极结构311下方、与所述栅极结构311重叠的区域。

在本申请实施例中，所述第一金属结构包括n个与所述掺杂区112连接的接触插塞121，所述n为大于或等于10的正整数。而所述第二金属结构包括两个与所述掺杂区212连接的接触插塞221。从而所述第一测试结构100和所述第二测试结构200之间的差异仅在于与所述掺杂区连接的接触插塞的个数，因此，通过所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与相邻所述接触插塞之间的电容值。且所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值为所述第一测试电容值的n-2倍。

在一些实施例中，在所述第一金属结构包括的接触插塞121的个数远大于所述第二金属结构包括的接触插塞221的个数的情况下，则所述第二测试结构中的所述栅极结构与相邻所述接触插塞之间的电容值可以忽略不计。因此，通过所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与相邻所述接触插塞之间的电容值。

在本申请实施例中，为了测量所述栅极结构与所述沟道区之间的电容值，设置了上述半导体测试结构，从而可以获取所述场效应晶体管的寄生电容，所述寄生电容包括所述栅极结构与所述接触插塞之间的电容值和栅极结构与所述金属层之间的电容值。

本申请实施例公开了一种半导体测试结构，包括：第一测试结构、第二测试结构和第三测试结构；其中，所述第一测试结构包括场效应晶体管和第一金属结构；所述场效应晶体管包括衬底、形成于所述衬底表面的栅极结构、以及形成于所述栅极结构两侧的衬底内的掺杂区；所述第一金属结构包括n个与所述掺杂区连接的接触插塞以及与所述接触插塞连接的金属层，n为大于2的正整数；所述第二测试结构包括场效应晶体管和第二金属结构；所述场效应晶体管包括衬底、形成于所述衬底表面的栅极结构、以及形成于所述栅极结构两侧的衬底内的掺杂区；所述第二金属结构包括两个与所述掺杂区连接的接触插塞以及与所述接触插塞连接的金属层；所述第三测试结构包括场效应晶体管和第三金属结构；所述场效应晶体管包括衬底、形成于所述衬底表面的栅极结构、以及形成于所述栅极结构两侧的衬底内的掺杂区；所述第三金属结构包括位于所述场效应晶体管上方的金属层。本申请通过三种不同结构的测试结构，其中，所述第一测试结构和第二测试结构的差异仅在于与所述掺杂区连接的接触插塞的个数，因此，通过所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与相邻所述接触插塞之间的电容值；所述第二测试结构和第三测试结构的差异仅在于所述第三测试结构不具有接触插塞，因此，通过所述第二测试结构的电容值与所述第一测试电容值和所述第三测试结构的电容值的差值，可以获得所述栅极结构与沟道区之间的电容值，最后可以通过第三测试结构的电容值，获得所述栅极结构与所述金属层之间的电容值，从而可以精准地获取场效应晶体管的寄生电容。

本申请实施例提供一种测试方法，该测试方法应用于上述的半导体测试结构，图5为本申请实施例提供的一种测试方法的实现流程示意图，如图5所示，所述方法主要包括以下步骤：

步骤501：对所述栅极结构施加第一偏置电压，并对位于所述栅极结构两侧的所述掺杂区施加第二偏置电压，分别测得所述第一测试结构、第二测试结构和第三测试结构的电容值。

在本申请实施例中，对所述第一测试结构的栅极结构施加低电压(或栅极接地)，对所述第一测试结构的掺杂区施加高电压，以测得所述第一测试结构(如图1所示)的栅极结构到沟道区的电容值C1；对所述第二测试结构的栅极结构施加低电压(或栅极接地)，对所述第二测试结构的掺杂区施加高电压，以测得所述第二测试结构(如图2所示)的栅极结构到沟道区的电容值C2；对所述第三测试结构的栅极结构施加低电压(或栅极接地)，对所述第三测试结构的掺杂区施加高电压，以测得所述第三测试结构(如图3所示)的栅极结构到沟道区的电容值C3。

步骤502：通过所述第一测试结构的电容值与所述第二测试结构的电容值的差值，获得第一测试电容值，所述第一测试电容值为所述栅极结构与所述接触插塞之间的电容值。

在本申请实施例中，所述第一测试结构和第二测试结构的差异仅在于与所述掺杂区连接的接触插塞的个数，因此，通过所述第一测试结构的电容值C1与所述第二测试结构的电容值C2的差值，可以获得第一测试电容值C

步骤503：通过所述第二测试结构的电容值与所述第一测试电容值和所述第三测试结构的电容值的差值，获得第二测试电容值，所述第二测试电容值为所述栅极结构与沟道区之间的电容值。

在本申请实施例中，所述第二测试结构和第三测试结构(如图3所示)的差异仅在于所述第三测试结构不具有接触插塞，因此，通过所述第二测试结构的电容值与所述第一测试电容值和所述第三测试结构的电容值的差值，可以获得第二测试电容值C

步骤504：通过所述第三测试结构的电容值，获得第三测试电容值，所述第三测试电容值为所述栅极结构与所述金属层之间的电容值。

在本申请实施例中，由于所述第三测试结构中并非设置与所述掺杂区连接的接触插塞，位于所述栅极结构两侧的两个掺杂区(源极区和漏极区)之间无法形成沟道，即两个掺杂区(源极区和漏极区)之间没有电流通路，从而无法测量到所述栅极结构与所述沟道区之间的电容值和所述栅极结构与所述接触插塞之间的电容值。因此，结合图1至图4所示，所述第三测试结构的电容值C3＝C

这里，所述金属层包括第一金属层和第二金属层的情况下，C

在本申请实施例中，为了测量所述栅极结构与所述沟道区之间的电容值，设置了上述半导体测试结构及其测试方法，从而可以获取所述场效应晶体管的寄生电容，所述寄生电容包括所述栅极结构与所述接触插塞之间的电容值和栅极结构与所述金属层之间的电容值。

本申请实施例提供的半导体测试结构包括第一测试结构、第二测试结构和第三测试结构，其中，所述第一测试结构和第二测试结构的差异仅在于与所述掺杂区连接的接触插塞的个数，所述第二测试结构和第三测试结构的差异仅在于所述第三测试结构不具有接触插塞，因此，通过测得所述第一测试结构、第二测试结构和第三测试结构的电容值，并经过运算，可以获得所述栅极结构与所述接触插塞之间的电容值、栅极结构与所述金属层之间的电容值，以及栅极结构与沟道区之间的电容值，从而可以精准地获取所述场效应晶体管的寄生电容。

应理解，说明书通篇中提到的“本申请实施例”或“一些实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本申请实施例中”或“在一些实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，也可以分布到多个工序中；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。