CN102353885A - 一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法，该方法包括以下步骤：对绝缘体上硅场效应晶体管施加偏置电压，分别获取所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与功耗、以及所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与局部温度之间的对应关系；根据上述对应关系，计算所述绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。本发明在无需连接外部测试设备、也无需搭建特定测试结构的情况下，即可准确地测量出绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值，既简单又实用，还大大降低了测试成本，对研究绝缘体上硅场效应晶体管的热阻性能起到了重要的作用。

Description

一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法

技术领域

本发明涉及场效应晶体管测量技术领域，尤其涉及一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法。

背景技术

集成电路已经发展到极大规模的纳米技术时代，现有的体硅材料和工艺正接近它们的物理极限，在进一步减小集成电路的特征尺寸方面遇到了严峻的挑战。如果希望进一步提高芯片的集成度和运行速度，则必须在材料和工艺上有新的重大突破。目前业界公认，绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术与应变硅技术，将成为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的两大解决方案，是维持Moore定律走势的两大利器。

其中，SOI技术以其独特的材料结构有效克服了在体硅上制造器件所带来的局限性，已被广泛应用于高速低功耗IC设计领域。因为SOI技术具有优于体硅技术的良好高温特性，例如，无热激发闩锁效应、结泄漏电流较小、阈值电压随温度变化小等，使MOS电路的工作温度上限得以提高，工作性能也更加稳定。但是，SOI技术中埋氧层的热传导率较差，使得器件内部的热积聚变得很严重，所以自加热效应便成为影响器件特性的主要因素之一。因而，需要深入分析和提取SOI电路的自加热效应，用以模拟和预测SOI电路正常工作状态下的性能。

热阻是描述场效应晶体管自加热效应引起输入输出功率损耗(以下简称为功耗)的重要参数之一，该参数的精确提取，对于准确预测不同输入功率的情况下场效应晶体管的性能有着重要的意义。在现有技术中，通常采用以下方式提取绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值：将绝缘体上硅场效应晶体管与外部测试设备(例如高频脉冲电流电压测试设备)相连接，利用该外部测试设备对绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值进行提取。

但是，上述常用的提取热阻的方式存在一定的不足之处。由于热阻提取方式对于外部测试设备性能要求比较严格，例如，要求外部测试设备需要具备纳秒级别的精确度，所以这样的外部测试设备的价格通常都比较高，从而导致了热阻提取的成本也随之提高。

因此，亟需提出一种简单实用、成本低且效果好的绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法，通过施加偏置电压即可获取准确的热阻值，该方法不但简单实用，测试成本也非常低。

本发明提供了一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法，该方法包括以下步骤：

对绝缘体上硅场效应晶体管施加偏置电压，分别获取所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与功耗、以及所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与局部温度之间的对应关系；

根据上述对应关系，计算所述绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)无需利用外部测试设备(例如高频脉冲电流电压测试设备)即可对热阻进行测量，从而大大降低了测试的成本；

(2)简单实用，无需搭建特殊的测试结构；

(3)测量结果准确。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为绝缘体上硅场效应晶体管的剖面示意图；

图2为BSIMSOI模型的自加热效应等效电路示意图；

图3为根据本发明的一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法的流程示意图；

图4为根据本发明的一个优选实施例在绝缘体上硅场效应晶体管电极上施加偏置电压以获取dlog(I_bs)/dP特性的示意图；

图5为根据本发明的另一个优选实施例在绝缘体上硅场效应晶体管电极上施加偏置电压以获取dlog(I_bs)/dT特性的示意图；

图6为体源电流随绝缘体上硅场效应晶体管功耗的变化曲线；

图7为体源电流随绝缘体上硅场效应晶体管温度的变化曲线；

图8为当栅源电压分别为0V和3.3V时，体源电流随漏源电压的变化曲线；

图9为当沟道宽度为20微米、沟道长度为0.8微米时，绝缘体上硅N型场效应晶体管和绝缘体上硅P型场效应晶体管的输出特性曲线；以及

图10为根据本发明提供的方法所计算出来的不同宽长比绝缘体上硅N型场效应晶体管的热阻值。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

本发明提出了一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法，在对本发明所提出的热阻提取方法进行具体说明之前，首先对绝缘体上硅场效应晶体管的结构、以及热阻提取的原理进行描述。

请参考图1，图1为绝缘体上硅场效应晶体管的剖面示意图。如图所示，绝缘体上硅场效应晶体管包括SOI衬底、源电极101、漏电极103、栅电极102以及体电极104。其中，所述SOI衬底包括基底层106、位于该基底层106之上的埋氧层105以及位于该埋氧层105之上的器件层107。所述基底层106通常是单晶硅，或者是其他基本半导体，例如锗，又或者是化合物半导体，例如，碳化硅、砷化镓、砷化铟、砷化铟等。所述埋氧层105可以是二氧化硅、氮化硅或者其他任何适当的绝缘材料。所述器件层107可以为所述基底层106包括的半导体中的任何一种。栅电极102位于所述SOI衬底之上，源电极101和漏电极103分别位于所述栅电极102两侧的器件层107内，体电极104也位于所述器件层107内，在所述源电极101和漏电极103之间、且靠近所述埋氧层105的区域内。

与传统的体硅相比，由于埋氧层105的存在，绝缘体上硅场效应晶体管的导热性能比体硅差。常规的绝缘体上硅是以二氧化硅作为埋氧层105的材料，其热传导率比较低，在室温(通常指25℃)下，单晶硅的热传导率为148W/m·k，而二氧化硅的热传导率仅为1.4W/m·k。因此，绝缘体上硅场效应晶体管正常工作的过程中，在沟道中所产生的热量，不容易耗散，从而导致一些不利影响，如自加热效应。

在Berkeley大学提出的BSIMSOI模型中，场效应晶体管的自加热效应可以使用图2中的等效电路进行表征。在BSIMSOI模型中，如果自加热选择参数等于1的时候，热阻值为非零值，这将会在电路仿真时增加温度节点，该温度节点在等效电路中将被看作为电压节点。其中，I_d表示漏电流，V_d表示漏极电压，R_th和C_th分别表示在该电压节点和地之间并联的热阻和热容。本发明后续给出的仿真结果均基于此BSIMSOI模型所得出。

热阻是描述场效应晶体管自加热效应引起功耗的重要参数之一，其基于如下计算公式：

$R_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{\ΔTemperature}}{\mathrm{\ΔPower}}$

其中，R_th表示晶体管的热阻，Temperature表示绝缘体上硅场效应晶体管在工作状态下的局部温度，Power表示绝缘体上硅场效应晶体管的功耗，ΔTemperature表示绝缘体上硅场效应晶体管局部温度的变化量，ΔPower表示绝缘体上硅场效应晶体管功耗的变化量。

从上述公式可以看出，在绝缘体上硅场效应晶体管工作期间，分别测量两个时刻(以t₁和t₂表示)绝缘体上硅场效应晶体管的局部温度(以Teperature₁和Teperature₂表示)，然后相应地计算出t₁和t₂时刻绝缘体上硅场效应晶体管的功耗(以Power₁和Power₂表示)，即可得到ΔTemperature＝Teperature₂-Teperature₁和ΔPower＝Power₂-Power₁，从而计算出绝缘体上硅场效应晶体管热阻值的大小。其中，绝缘体上硅场效应晶体管的功耗可以通过源漏电流和源漏电压的乘积计算得到，而绝缘体上硅场效应晶体管的局部温度则需要借助外部的测温设备或者其他较为复杂的测试方法(例如红外热像仪法)。所以希望在不影响绝缘体上硅场效应晶体管性能的前提下，基于体源二极管技术提取出绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。

基于上述考虑，可以对上述热阻公式进行变形，得到如下等式：

$R_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{\ΔTemperature}}{\mathrm{\ΔPower}}=\frac{d\log \left(I_{\mathrm{bs}}\right)/\mathrm{dP}}{d\log \left(I_{\mathrm{bs}}\right)/\mathrm{dT}}$

其中，I_bs表示源电极和体电极之间的电流(下文简称为体源电流)，T表示绝缘体上硅场效应晶体管在非工作状态下的局部温度(即外界对绝缘体上硅场效应晶体管所施加的温度)，P表示绝缘体上硅场效应晶体管的功耗，即，源漏电流与源漏电压之乘积。

通过变形后的等式可以看出，只需分别获取到dlog(I_bs)/dP和dlog(I_bs)/dT的值，即可得出绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值，其中，与测量Temperature的值相比，获取I_bs、P以及T值的方法相对简单，无需借助其他外部设备以及使用复杂的测试方法，因此，可以将对Temperature和Power的测量转化为对I_bs、P以及T值的测量，从而使得提取热阻变得简单易行。

基于上述分析，下面将对本发明提出的绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法进行说明。请结合图4和图5参考图3，其中，图3为根据本发明的一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法的流程示意图，图4和图5分别为根据本发明的一个优选实施例在绝缘体上硅场效应晶体管电极上施加偏置电压以获取dlog(I_bs)/dP以及dlog(I_bs)/dT特性的示意图。

首先，执行步骤S101，对绝缘体上硅场效应晶体管施加偏置电压，分别获取体源电流I_bs与功耗P、以及体源电流I_bs与局部温度T之间的对应关系。

具体地，请参考图4，图4为根据本发明的一个优选实施例在绝缘体上硅场效应晶体管电极上施加偏置电压以获取dlog(I_bs)/dP特性的示意图。如图所示，将待测的绝缘体上硅场效应晶体管放置在用于从外界施加温度的设备上(例如热盘)，设置该设备的温度使得绝缘体上硅场效应晶体管的局部温度在测试过程中保持恒温，并在绝缘体上硅场效应晶体管上施加偏置电压，其中，基底层106接地，源电极101接地，体电极104的偏置电压(V_BS)等于0.7V，栅电极102的偏置电压(V_BS)的范围为0V至正常工作时候的电源电压，该正常工作时候的电源电压优选为3.3V，则V_BS的范围为0V-3.3V，例如0V、2.5V或者3.3V。在其他实施例中，根据实际需要，正常工作时候的电源电压也可以大于3.3V。为了避免漏体结的影响，需要使得漏体结处于反向偏置状态，所以，在本实施例中，漏电极103的偏置电压(V_DS)从1V扫描至正常工作时候的电源电压3.3V。当V_DS发生变化的过程中，I_bs也会随着V_DS的变化而相应变化。在V_DS扫描的范围内，以一定间隔(例如0.001W)记录V_DS值，同时，记录与每个V_DS值相对应的漏源电流I_ds、以及体源电流I_bs。由于I_bs数值很小，所以测量到I_bs后可以对I_bs进行处理得到log(I_bs)。然后将V_DS和I_ds相乘得到功耗P。最后，根据log(I_bs)和P的值绘制出体源电流随绝缘体上硅场效应晶体管功耗的第一关系曲线，其中，该第一关系曲线的第一线性斜率即为dlog(I_bs)/dP的值。

接着，请参考图5，图5为根据本发明的另一个优选实施例在绝缘体上硅场效应晶体管电极上施加偏置电压以获取dlog(I_bs)/dT特性的示意图。如图所示，在绝缘体上硅场效应晶体管上施加偏置电压，其中，基底层106、源电极101以及栅电极102均接地，体电极104施加的偏置电压(V_BS)从0V扫描至1V，在扫描的同时，设置外界所施加的温度使得绝缘体上硅场效应晶体管的局部温度T在测试过程中在一定的范围内变化，并以一定间隔(例如10℃)记录T值，以及记录每个T值所对应的体源电流I_bs。然后根据log(I_bs)和T的值绘制出体源电流随绝缘体上硅场效应晶体管局部温度的第二关系曲线，其中，该第二关系曲线的第二线性斜率即为dlog(I_bs)/dT的值。

最后，执行步骤S102，根据所述体源电流I_bs与功耗P、以及体源电流I_bs与局部温度T之间的对应关系，计算出绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。具体地，根据变形后的热阻计算公式，用dlog(I_bs)/dP除以dlog(I_bs)/dT，即可得到绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。

下面，以一个具体例子对上述方法进行说明。

请参考图6，图6是根据图4中所示的配置方式对待测的绝缘体上硅场效应晶体管施加偏置电压，在恒温条件下得到的体源电流随绝缘体上硅场效应晶体管功耗的变化曲线，其中，横坐标表示绝缘体上硅场效应晶体管的功耗P，纵坐标表示log(I_bs)。从图中可以看出，该变化曲线与线性斜率等于52.83的直线基本重合，所以，可以认为dlog(I_bs)/dP的值为52.83。

请参考图7，图7是根据图5中所示的配置方式对待测的绝缘体上硅场效应晶体管施加偏置电压，在局部温度(由外界所施加的温度)为40℃-160℃的条件下，得到的体源电流随绝缘体上硅场效应晶体管局部温度的变化曲线，其中，横坐标表示绝缘体上硅场效应晶体管的局部温度T，纵坐标表示log(I_bs)。从图中可以看出，该变化曲线与线性斜率等于0.0108的直线基本重合，所以，可以认为dlog(I_bs)/dT的值为0.0108。

根据dlog(I_bs)/dP和dlog(I_bs)/dT的值，可以得到被测的绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值等于4891.67℃/W。

可选地，dlog(I_bs)/dP和dlog(I_bs)/dT的测量顺序可以颠倒，即，先进行dlog(I_bs)/dT的测量，再对dlog(I_bs)/dP进行测量，然后根据其二者的测量结果计算出绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。

可选地，在其他实施例中，还可以将热阻计算公式变形为如下等式：

$R_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{\ΔTemperature}}{\mathrm{\ΔPower}}=\frac{d{I}_{\mathrm{bs}}/\mathrm{dP}}{d{I}_{\mathrm{bs}}/\mathrm{dT}}$

则通过获取dI_bs/dP和dI_bs/dT特性，也可以计算出绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。对于其他基于I_bs、P以及T的公式变形，在此不再一一赘述。

执行上述步骤后，在无需连接外部测试设备、也无需搭建特殊测试结构的情况下，即可准确地测量出绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值，与现有的热阻提取方法相比，本发明所提供热阻提取方法，既简单又实用，还大大降低了测试成本。

下面，还给出了使用本发明所提供的提取方法得到一些测试结果。

首先，请参考图8，图8为当栅源电压分别为0V和3.3V时，体源电流随漏源电压的变化曲线。如图所示，横坐标表示漏源电压(V_DS)，纵坐标表示体源电流(I_bs)，两条曲线分别表示当栅电极的偏置电压(V_GS)为0V和3.3V的情况下，体源电流与漏源电压之间的关系曲线。通过比较该两条曲线可以看出，当栅电极施加的偏置电压为0V和3.3V时，该两种情况下绝缘体上硅场效应晶体管中体源电流的差别不大，从而说明本发明所提供的热阻提取方法不会引起寄生双极晶体管效应，即，不会在提取热阻的过程中影响绝缘体上硅场效应晶体管的性能。

接着，请参考图9，图9为当沟道宽度为20微米、沟道长度为0.8微米时，绝缘体上硅N型场效应晶体管和绝缘体上硅P型场效应晶体管的输出特性曲线。如图所示，横坐标表示漏源电压，纵坐标表示漏极输出电流，两条特性曲线分别为绝缘体上硅N型场效应晶体管和绝缘体上硅P型场效应晶体管在宽长比为20/0.8的情况下，漏极电流与源漏电压之间的关系。从NMOS特性曲线可以看出，当漏源电压增大到饱和区之后，绝缘体上硅N型场效应晶体管的漏极输出电流有所减小；从PMOS特性曲线可以看出，当漏源电压增大到饱和区之后，绝缘体上硅P型场效应晶体管的漏极输出电流基本不变，因此，绝缘体上硅N型场效应晶体管的热阻要大于绝缘体上硅P型场效应晶体管的热阻。

最后，请参考图10，图10为根据本发明提供的方法所计算出来的不同宽长比绝缘体上硅N型场效应晶体管的热阻值。图10给出了沟道宽度为10微米，沟道长度分别为0.8微米、1.2微米以及5.0微米的情况下，绝缘体上硅N型场效应晶体管的热阻值，从中可以看出绝缘体上硅N型场效应晶体管的热阻值随着沟道长度的增加而减小，即，绝缘体上硅N型场效应晶体管的沟道长度越长，其热阻值越小。

通过上述提取结果可以看出，本发明所提供的热阻提取方法不会影响到绝缘体上硅场效应晶体管的性能。此外，由于该提取方法简单易行，所以可以广泛应用于对绝缘体上硅场效应晶体管热阻性能的研究中。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (7)

1.一种绝缘体上硅场效应晶体管热阻提取方法，该方法包括以下步骤：

对绝缘体上硅场效应晶体管施加偏置电压，分别获取所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与功耗、以及所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与局部温度之间的对应关系；

根据上述对应关系，计算所述绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与功耗之间的对应关系的步骤包括：

在所述绝缘体上硅场效应晶体管的局部温度为恒温的条件下，对所述绝缘体上硅场效应晶体管的漏电极施加不同的偏置电压，以获取所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与功耗之间的第一关系曲线；

计算所述第一关系曲线的第一线性斜率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，漏电极和体电极之间的结面处于反向偏置状态。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中：

将所述绝缘体上硅场效应晶体管的基底层以及源电极分别接地；

对所述体电极和栅电极分别施加0.7V和3.3V的偏置电压；以及

对所述漏电极施加的偏置电压的范围为1V-3.3V。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，获取所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与局部温度之间的对应关系的步骤包括：

改变所述绝缘体上硅场效应晶体管的局部温度，并对所述绝缘体上硅场效应晶体管的体电极施加不同的偏置电压，以获取所述绝缘体上硅场效应晶体管的体源电流与局部温度之间的第二关系曲线；

计算所述第二关系曲线的第二线性斜率。

6.根据权利要求5中所述的方法，其中：

将所述绝缘体上硅场效应晶体管的基底层、源电极以及栅电极分别接地；以及

对所述体电极施加的偏置电压的范围为0V-1V。

7.根据权利要求5中所述的方法，其中，所述计算所述绝缘体上硅场效应晶体管的热阻值的步骤包括：

计算所述第一线性斜率与所述第二线性斜率之间的比值。

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