CN103941174B - 一种判别背栅石墨烯场效应晶体管器件失效的方法 - Google Patents

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本发明公开一种判别背栅石墨烯场效应晶体管器件失效的方法，先在漏极电极和源极电极之间施加500mV的电压，在n型Si衬底和源极电极之间施加‑4V~4V的栅压，得到石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线，该转移特性曲线表现为双极性，则石墨烯场效应晶体管没有失效；再将n型Si衬底和源极电极之间的栅压从0 V逐渐增加到10 V，测试通过栅极的电流，最后在漏极电极和源极电极之间施加500mV的电压，在n型Si衬底和源极电极之间施加扫描电压‑4V~4V，得到晶体管的转移特性曲线，表现为单向导电性，则石墨烯场效应晶体管失效；通过测试晶体管的转移特性曲线即可判别出该器件是否已经发生击穿，操作简便。

Description

一种判别背栅石墨烯场效应晶体管器件失效的方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域，涉及场效应晶体管器件，具体是一种判别背栅石墨烯场效应晶体管器件失效的方法。
背景技术
凝聚态物理学家在2004年制备出石墨烯这种二维的碳原子材料，并研究了石墨烯样品的电场效应，这种新型材料在电子器件领域得到了广泛关注，目前已成功制造出石墨烯场效应晶体管。
数字逻辑的发展关键在于制造出更小的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET），这种尺寸的缩放能使集成电路的复杂度每18个月提高一倍。目前，大批量生产的处理器包含二十亿个栅极长度（简称栅长）仅为30 nm的MOSFET。当普遍采用的硅材料尺寸小于10 nm时，用它制造出的晶体管稳定性变差，10 nm成为硅材料技术无法再发挥作用的小型化极限。
与所有其他已知材料不同的是石墨烯高度稳定，可以被制成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管，而且晶体管的尺寸越小，其性能越好，可在室温下工作；此外，硅基微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少，同时，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。然而器件的可靠性是一个问题，在MOS器件中，栅介质的漏电与栅介质质量关系极大，漏电增加到一定程度即构成击穿。产生击穿的原因一般有两个，一是随着超大规模集成电路器件尺寸等比例缩小，芯片面积不断增大，相应地栅介质总面积也增大，存在缺陷的概率增加；二是栅介质厚度不断缩小，现在已经到达数纳米的程度，但是栅极电压并未同比例减小，导致栅介质中电场强度增加。所以，在未来超大规模集成电路器件中，石墨烯场效应晶体管栅介质击穿现象很容易发生，严重影响器件的性能，给集成电路的稳定性带来很大危害。
目前常用的判别场效应晶体管器件失效的方法是用万用表测量场效应晶体管的源极与漏极、源极与栅极、栅极与漏极间的电阻值，而这种判别方法对微/纳级别的石墨烯场效应晶体管并不太方便，也更繁琐。因此一种能简易直观地判断石墨烯场效应晶体管是否被击穿的方法对于集成电路器件的制作至关重要。
发明内容
针对石墨烯场效应晶体管的击穿机理，本发明提供一种判断石墨烯场效应晶体管器件失效的方法，通过测试转移特性曲线，能简易快速地判断栅介质层是否被击穿。
本发明采用的技术方案是：背栅石墨烯场效应晶体管是在n-Si 衬底表面热生长300 nm 厚的SiO2介质层、用反应离子刻蚀SiO2到10nm、转移单层的石墨烯到SiO2介质层表面、光刻成形、溅射漏极电极和源极电极得到，先在漏极电极和源极电极之间施加500mV的电压，在n型Si衬底和源极电极之间施加-4V~4V的栅压V g，测试通过漏极的电流I sd，得到石墨烯场效应晶体管的I sd-V g转移特性曲线，该转移特性曲线呈V形，表现为双极性，则石墨烯场效应晶体管没有失效；再将n型Si衬底和源极电极之间的栅压V g从0 V逐渐增加到10 V，测试通过栅极的电流I g，得到石墨烯场效应晶体管的瞬时击穿特性曲线；最后在漏极电极和源极电极之间施加500mV的电压，在n型Si衬底和源极电极之间施加扫描电压-4V~4V，再次测试测试通过漏极的电流I sd，得到石墨烯场效应晶体管的I sd-V g转移特性曲线，该转移特性曲线表现为单向导电性，则石墨烯场效应晶体管失效。
本发明通过测试背栅石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线，根据是否表现出单向导电性，即可判别出该器件是否已经发生击穿。本发明方法操作简便，能简易快捷地判别出石墨烯场效应晶体管器件是否失效，对于基于石墨烯场效应晶体管的超大规模集成电路器件的制作具有重要的意义。
附图说明
图1是石墨烯场效应晶体管击穿后的结构示意图；
图2是石墨烯场效应晶体管击穿后的等效电路图；
图3是石墨烯场效应晶体管击穿过程特性曲线（I g-V g）；
图4是未发生击穿的石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线（I sd-V g）；
图5是击穿后的石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线（I sd-V g）；
图中：1—n型Si衬底；2—SiO2介质层；3—漏极电极；4—Si丝；5—石墨烯；6—源极电极。
具体实施方式
参见图1，在n-Si 衬底1表面热生长300 nm 厚的SiO2介质层2，用反应离子刻蚀（RIE）技术刻蚀SiO2到10nm，转移单层的石墨烯5到SiO2介质层2表面，光刻成形，溅射漏极电极3和源极电极6，制备栅氧为10 nm厚的背栅石墨烯场效应晶体管。
然后用Cascade半自动探针台，在漏极电极3和源极电极6之间施加500mV的电压，在n型Si衬底1和源极电极6之间施加扫描电压-4V~4V，即-4V~4V的栅压V g，测试通过漏极的电流I sd，得到石墨烯场效应晶体管的I sd-V g转移特性曲线，如图4所示，呈“V”形。
再用Cascade半自动探针台扫描模式，将n型Si衬底1和源极电极6之间的电压从0V逐渐增加到10 V，测试通过栅极的电流I g，10 nm SiO2石墨烯场效应晶体管的瞬时击穿特性曲线如图3所示。当施加的栅压V g很小时，由于SiO2介质层2的绝缘作用，通过栅极的电流I g几乎为0，随着栅压增加到大于8 V（电场>8 MV/cm）时，SiO2介质层2内部出现Si丝4，形成导电通道，通过栅极的电流I g陡然增大到10 μA量级，即表明SiO2介质层2已经被击穿，击穿后的等效电路图如图2。
当在n型Si衬底1和源极电极6之间的栅压V g从0 V逐渐增加到10 V的同时，可以在漏极电极3和源极电极6之间继续施加500mV的电压或者停止施加电压，不影响测试效果。
SiO2介质层2在强电场下击穿的演变过程是：SiO2/Si界面处存在大量的Si-O应力键，这些应力键很弱，在高电场下很容易断裂。击穿发生的瞬间，界面附近会聚集大量的缺陷，形成渗透通道；当导电通道最终形成时，产生很大的局部电流，使得更多的缺陷参与导通。在热破坏下，新的缺陷产生，形成更多的导电通道，最终导致失控；在此过程中，SiO2中靠近界面的最薄弱区域含有大量断键缺陷，发生Si融化，氧释放耗尽；n-Si衬底为液态硅的凝固提供核，液态硅凝固并在氧化硅中形成贯穿的n-Si丝，击穿后的的结构如图1所示。
再次用Cascade半自动探针台，在漏极电极3和源极电极6之间施加500mV的电压，在n型Si衬底1和源极电极6之间施加扫描电压-4V~4V，再次测试测试通过漏极的电流I sd，得到石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线，如图5所示，表现为单向导电性。
石墨烯材料为零带隙结构，表现出金属性；而器件击穿后形成的Si丝4是以n型Si衬底1为模板成核的，属于半导体。石墨烯场效应晶体管击穿后，栅介质（SiO2）不再表现为绝缘性，而且这种击穿是不可逆的，当石墨烯薄片和n-Si丝接触时就构成了金属-半导体接触。由于石墨烯暴露在空气中，形成p-型掺杂。在外加电压V g的非平衡条件下，石墨烯-Si（金属-半导体）界面允许态的电子能量有一个突变，这一能量变化使得电子从石墨烯到n-Si 丝的转移比相反方向的转移困难，表现为单向导电性。
石墨烯场效应晶体管栅氧击穿后，石墨烯/n-Si 丝界面形成类肖特基二极管，其等效电路图如图2所示，C d和C s是漏极和源极与衬底之间形成的寄生电容，R d 和R s是石墨烯薄片与漏、源电极之间形成的接触电阻。由于寄生电容C d（C s）具有通交流电压、隔直流电压的作用，当栅极电压V g和漏极电压V d同时施加于击穿后的器件时，寄生电容不工作，电流从类肖特基二极管通过。此时，通过漏极的电流I sd 由两部分组成：
，
其中是由V g引起，由V sd引起，G 0为漏极和源极之间的系列电导，对于特定的器件，G 0为常数。因此，对于任一定值V sd，I sd与V g呈指数关系，即转移特性曲线（I sd-V g）表现为单向导电性（图5）。而对于完好的石墨烯场效应晶体管，其表现为双极性，转移特性曲线呈“V”形（图4）。
因此，只要获得器件的转移特性曲线（I sd-V g），当石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线（I sd-V g）表现出单向导电性（如图5所示），即可判断该石墨烯场效应晶体管已经被击穿，已经失效。当石墨烯场效应晶体管的转移特性曲线呈“V”形，表现为双极性（如图4所示），即可判别出该石墨烯场效应晶体管没有发生击穿失效。

Claims (3)

1. 一种判别背栅石墨烯场效应晶体管器件失效的方法，背栅石墨烯场效应晶体管是在n型Si衬底表面热生长300 nm 厚的SiO2介质层、用反应离子刻蚀SiO2介质层到10nm、转移单层的石墨烯到SiO2介质层表面、光刻成形、溅射漏极电极和源极电极得到，其特征是：
（1）在漏极电极和源极电极之间施加500mV的电压，在n型Si衬底和源极电极之间施加-4V~4V的栅压V g，测试通过漏极的电流I sd，得到石墨烯场效应晶体管的I sd-V g转移特性曲线，该转移特性曲线呈V形，表现为双极性，则石墨烯场效应晶体管没有失效；
（2）将n型Si衬底和源极电极之间的栅压V g从0 V逐渐增加到10 V，测试通过栅极的电流I g，得到石墨烯场效应晶体管的瞬时击穿特性曲线；
（3）在漏极电极和源极电极之间施加500mV的电压，在n型Si衬底和源极电极之间施加扫描电压-4V~4V，再次测试测试通过漏极的电流I sd，得到石墨烯场效应晶体管的I sd-V g转移特性曲线，该转移特性曲线表现为单向导电性，则石墨烯场效应晶体管失效。
2.根据权利要求1所述的判别背栅石墨烯场效应晶体管器件失效的方法，其特征是：步骤（2）中，当在n型Si衬底和源极电极之间的栅压V g从0 V逐渐增加到10 V的同时，在漏极电极和源极电极之间继续施加500mV的电压或者停止施加电压。
3.根据权利要求1所述的判别背栅石墨烯场效应晶体管器件失效的方法，其特征是：步骤（2）中，瞬时击穿特性曲线显示，当施加的栅压V g很小时，通过栅极的电流I g为0，随着栅压V g增加到大于8 V时，SiO2介质层内部出现Si丝，形成导电通道，通过栅极的电流I g增大到10μA量级，则SiO2介质层已经被击穿。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105467290A (zh) * 2015-11-23 2016-04-06 上海卫星装备研究所 宇航级vmos管功能性完好的测试方法
CN107785434A (zh) * 2017-10-17 2018-03-09 江苏大学 一种n型黑磷场效应晶体管的制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103105571A (zh) * 2013-01-24 2013-05-15 东南大学 一种基于仿真的绝缘栅双极型晶体管的电流特性测定方法
CN103199020A (zh) * 2013-03-05 2013-07-10 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于pi的液栅型石墨烯场效应管的制备方法和检测方法
CN103208524A (zh) * 2013-04-25 2013-07-17 西安电子科技大学 一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管及其制备方法
CN103311276A (zh) * 2013-06-07 2013-09-18 中国科学院微电子研究所 一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102456592A (zh) * 2010-10-15 2012-05-16 北京京东方光电科技有限公司 测试阵列基板上薄膜晶体管特性的方法和装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103105571A (zh) * 2013-01-24 2013-05-15 东南大学 一种基于仿真的绝缘栅双极型晶体管的电流特性测定方法
CN103199020A (zh) * 2013-03-05 2013-07-10 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于pi的液栅型石墨烯场效应管的制备方法和检测方法
CN103208524A (zh) * 2013-04-25 2013-07-17 西安电子科技大学 一种多层双栅石墨烯场效应的晶体管及其制备方法
CN103311276A (zh) * 2013-06-07 2013-09-18 中国科学院微电子研究所 一种自对准石墨烯场效应晶体管及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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石墨烯晶体管的加工及测试研究;王永存;《仪表技术与传感器》;20140228(第2期);第39-41页 *

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