[發明專利]一種量測晶體管自熱效應及溝道平均溫度變化的方法

有效

• 申請號: 201710821889.3
• 申請日: 2017-09-13
• 公開（公告）號: CN107797045B
• 公開（公告）日: 2019-06-07
• 發明（設計）人: 趙毅;曲益明;陳冰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種量測晶體管自熱效應及溝道平均溫度變化的方法，包括確定自熱效應產熱的熱飽和時間和關斷后這些熱量完全消除的散熱時間,提取晶體管開啟時溝道平均溫度隨時間的變化,以及描繪晶體管“溝道平均溫度?漏極電壓?漏極電流”的三維特性關系，用于提取隨時間瞬態變化的熱容和熱阻，以建立準確的、符合實際電路情況的SPICE模型，可適用于以硅、鍺、Ⅲ?Ⅴ族化合物為載流子溝道的高性能平面晶體管，以及鰭式立體柵極、環柵(GAA)結構的場效應晶體管。本發明方法通過直接量測晶體管的電學特性，定量表征自熱效應對漏極電流的影響，用以建立與自熱效應的相關的準確的SPICE模型。

技術領域

本發明屬于金屬半導體氧化物場效應晶體管電學特性測試與可靠性表征領域，具體涉及一種在極短時間(1nS)內，利用電學特性測試量測晶體管自熱效應及溝道平均溫度變化的方法。

背景技術

縮小器件尺寸、提高集成密度一直是集成電路發展的推動力。隨著半導體工藝技術的不斷發展，集成電路的特征尺寸已經從最初的十幾微米縮小到沈亞微米，甚至十幾納米。隨著特征尺寸縮小到納米尺度，柵介質厚度也逐漸減小到接近1nm，導致關態柵漏電流增大，以及功耗密度增加、遷移率退化，造成器件性能惡化，傳統的硅基平面場效應晶體管已經接近物理極限。實現器件進一步等比例縮小，則必須通過采用新的材料、工藝或新的器件結構來解決目前限制晶體管等比例縮小的因素，才能在器件特征尺寸縮小，提高集成度的同時，獲取更好的器件性能。如已經應用廣泛的high-k材料取代傳統的SiO₂作為柵介質層，還有采取措施提高溝道內載流子遷移率，如新的溝道材料，包括III-V族半導體、Ge、石墨烯、各種納米管、線等結構，彌補溝道高摻雜引起的庫倫相互作用更顯著及柵介質變薄引起的有效電場強度提高和界面散射增強等因素帶來的遷移率退化。

所謂自熱效應，是指因為器件工作時因為內部溫度升高，使其載流子遷移率降低，造成器件電流降低的現象。在目前先進的技術節點上，晶圓代工廠所認可并采用的主要是SOI(Silicon on Insulator,絕緣層上硅)器件和FinFET(Fin Field-EffectTransistors,鰭式場效應晶體管)。對SOI器件而言，其掩埋氧化層的熱傳導率比硅材料的熱傳導率低兩個數量級，所以其工作時產生的熱量很難消散；對FinFET器件而言，其特殊的三維結構同樣使其工作時產生的熱量很難散消散，因此，這兩種新結構器件均飽受自熱效應的困擾。自熱效應引起的熱噪聲不僅影響電路的性能和可靠性，嚴重的熱問題甚至可能對電路產生毀滅性的作用，為進一步研究自熱效應的影響，首先需要對自熱效應定量表征。在自熱效應中，焦耳熱的產生和傳輸速度極快，通常在納秒甚至皮秒量級，所以需要用超快速的電學測試系統才能直接觀察到自熱效應引起的電流變化，并對其定量表征。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種量測晶體管自熱效應及溝道平均溫度變化的方法，包括確定晶體管開啟時自熱效應產熱的熱飽和時間和關斷后這些熱量完全消除的散熱時間，提取晶體管開啟時溝道平均溫度隨時間的變化，描繪晶體管“溝道平均溫度-漏極電壓-漏極電流”的三維特性關系，用于提取隨時間瞬態變化的熱容和熱阻，以建立準確的、符合實際電路情況的SPICE模型。具體包括以下步驟：

(1)給晶體管的柵極施加上升沿小于1nS的脈沖信號，脈沖信號的高電平時長使晶體管達到熱飽和狀態，漏極施加工作電壓，定量測試晶體管開啟后由于自熱效應導致的漏電流的下降值，將此下降值作為基準值；

(2)給晶體管的柵極施加上升沿小于1nS的脈沖信號，漏極施加工作電壓，通過改變柵極施加的脈沖信號的占空比和周期，調整晶體管開啟工作的時間和關斷截止的時間，定量測試晶體管開啟后由于自熱效應導致的漏電流的下降值；當下降值等于基準值時，晶體管開啟工作的時間長度即為自熱效應導致的熱飽和時間，晶體管關斷截止的時間長度即為關斷后這些熱量完全消除的散熱時間；