CN107797045A - 一种量测晶体管自热效应及沟道平均温度变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量测晶体管自热效应及沟道平均温度变化的方法，包括确定自热效应产热的热饱和时间和关断后这些热量完全消除的散热时间,提取晶体管开启时沟道平均温度随时间的变化,以及描绘晶体管“沟道平均温度‑漏极电压‑漏极电流”的三维特性关系，用于提取随时间瞬态变化的热容和热阻，以建立准确的、符合实际电路情况的SPICE模型，可适用于以硅、锗、Ⅲ‑Ⅴ族化合物为载流子沟道的高性能平面晶体管，以及鳍式立体栅极、环栅(GAA)结构的场效应晶体管。本发明方法通过直接量测晶体管的电学特性，定量表征自热效应对漏极电流的影响，用以建立与自热效应的相关的准确的SPICE模型。

Description

一种量测晶体管自热效应及沟道平均温度变化的方法

技术领域

本发明属于金属半导体氧化物场效应晶体管电学特性测试与可靠性表征领域，具体涉及一种在极短时间(1nS)内，利用电学特性测试量测晶体管自热效应及沟道平均温度变化的方法。

背景技术

缩小器件尺寸、提高集成密度一直是集成电路发展的推动力。随着半导体工艺技术的不断发展，集成电路的特征尺寸已经从最初的十几微米缩小到沈亚微米，甚至十几纳米。随着特征尺寸缩小到纳米尺度，栅介质厚度也逐渐减小到接近1nm，导致关态栅漏电流增大，以及功耗密度增加、迁移率退化，造成器件性能恶化，传统的硅基平面场效应晶体管已经接近物理极限。实现器件进一步等比例缩小，则必须通过采用新的材料、工艺或新的器件结构来解决目前限制晶体管等比例缩小的因素，才能在器件特征尺寸缩小，提高集成度的同时，获取更好的器件性能。如已经应用广泛的high-k材料取代传统的SiO₂作为栅介质层，还有采取措施提高沟道内载流子迁移率，如新的沟道材料，包括III-V族半导体、Ge、石墨烯、各种纳米管、线等结构，弥补沟道高掺杂引起的库伦相互作用更显著及栅介质变薄引起的有效电场强度提高和界面散射增强等因素带来的迁移率退化。

所谓自热效应，是指因为器件工作时因为内部温度升高，使其载流子迁移率降低，造成器件电流降低的现象。在目前先进的技术节点上，晶圆代工厂所认可并采用的主要是SOI(Silicon on Insulator,绝缘层上硅)器件和FinFET(Fin Field-EffectTransistors,鳍式场效应晶体管)。对SOI器件而言，其掩埋氧化层的热传导率比硅材料的热传导率低两个数量级，所以其工作时产生的热量很难消散；对FinFET器件而言，其特殊的三维结构同样使其工作时产生的热量很难散消散，因此，这两种新结构器件均饱受自热效应的困扰。自热效应引起的热噪声不仅影响电路的性能和可靠性，严重的热问题甚至可能对电路产生毁灭性的作用，为进一步研究自热效应的影响，首先需要对自热效应定量表征。在自热效应中，焦耳热的产生和传输速度极快，通常在纳秒甚至皮秒量级，所以需要用超快速的电学测试系统才能直接观察到自热效应引起的电流变化，并对其定量表征。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种量测晶体管自热效应及沟道平均温度变化的方法，包括确定晶体管开启时自热效应产热的热饱和时间和关断后这些热量完全消除的散热时间，提取晶体管开启时沟道平均温度随时间的变化，描绘晶体管“沟道平均温度-漏极电压-漏极电流”的三维特性关系，用于提取随时间瞬态变化的热容和热阻，以建立准确的、符合实际电路情况的SPICE模型。具体包括以下步骤：

(1)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号，脉冲信号的高电平时长使晶体管达到热饱和状态，漏极施加工作电压，定量测试晶体管开启后由于自热效应导致的漏电流的下降值，将此下降值作为基准值；

(2)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号，漏极施加工作电压，通过改变栅极施加的脉冲信号的占空比和周期，调整晶体管开启工作的时间和关断截止的时间，定量测试晶体管开启后由于自热效应导致的漏电流的下降值；当下降值等于基准值时，晶体管开启工作的时间长度即为自热效应导致的热饱和时间，晶体管关断截止的时间长度即为关断后这些热量完全消除的散热时间；

(3)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号，漏极施加工作电压，通过改变载物台的温度，调整放置在载物台上的晶体管的初始沟道平均温度，定量测试不同初始沟道平均温度下漏电流的值，得到漏电流与沟道平均温度的关系，通过漏电流与时间的关系，提取晶体管开启时沟道平均温度随时间的变化；

(4)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS、高电平时长等于热饱和时间、低电平时间大于散热时间的特定脉冲信号，漏极施加与栅极电压信号的高电平大小相同的电压值，通过改变此电压值和载物台温度，得到“沟道平均温度-漏极电压-漏极电流”的三维特性关系，用于提取随时间瞬态变化的热容和热阻，以建立准确的、符合实际电路情况的SPICE模型。

进一步地，所述步骤1-3中，给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号之前，还包括将上升沿小于1nS的脉冲信号输入至实时采样示波器中，检测脉冲信号的过冲、振铃的步骤，使得脉冲信号符合高频信号完整性要求。

本发明的创新在于用电学表征的方法表征场效应晶体管器件工作时自热效应的现象，并定量表征自热效应造成的漏电流下降。给场效应晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的超快速脉冲信号，使其在此超快的开启过程中产生的焦耳热可以忽略不计；通过改变脉冲信号的占空比和周期，确定自热效应产热的热饱和时间和关断后这些热量完全消除的散热时间；通过改变载物台的温度，提取晶体管开启时沟道平均温度随时间的变化；通过改变加在栅极和漏极上的电压和载物台温度，描绘“沟道平均温度-漏极电压-漏极电流”的三维特性关系，用于提取随时间瞬态变化的热容和热阻，以建立准确的、符合实际电路情况的SPICE模型。

附图说明

图1为表征晶体管自热效应的快速测试系统示意图；

图2为表征自热效应时加载在晶体管上的栅极信号和对应漏极电流响应信号的示意图；

图3(a)为散热时间不足时的漏极电流信号的示例；

图3(b)为产热没有饱和时的漏极电流信号的示例；

图4为漏极电流随时间和温度的变化；

图5为提取的晶体管开启时沟道平均温度随时间的变化；

图6为描绘的“沟道平均温度-漏极电压-漏极电流”的三维特性关系。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为表征晶体管自热效应的快速测试系统示意图。该系统包含脉冲发生器101、第一微波探针102、待测场效应晶体管103、可变温探针台104、第二微波探针105、宽频带拾捡三通装置106、直流电源107、数字示波器108和公共地109；脉冲发生器101输出的上升沿小于1ns的栅极电压脉冲信号110经过第一微波探针102，加载在待测场效应晶体管103的栅极上；数字示波器108的带宽和采样率满足在皮秒级快速上升采集到足够多的数据点的要求，所用通道最高采样率100GS/s，内插采样率最高5TS/s。栅极电压脉冲信号110的上升沿、占空比、周期和高低电平幅值都是可调的。直流电源107为宽频带拾捡三通装置106工作供电，并将漏极电压信号111通过第二微波探针105加载在待测场效应晶体管103的漏极，对应的漏极电流信号112经过宽频带拾捡三通装置106，输入数字示波器108。整个系统中建立公共地109。

图2为表征自热效应时加载在晶体管上的栅极信号和对应漏极电流响应信号的示意图，其中栅极电压脉冲信号110的上升沿小于1nS，以保证场效应晶体管103在超快的开启过程中产生的焦耳热可以忽略不计，而且栅极电压脉冲信号110具有合适占空比和周期，以保证待测场效应晶体管103开启后，自热效应引起的产热饱和时间和关断后这些热量完全消除。使栅极电压脉冲信号110的高电平时间大于自热效应引起的产热饱和时间，将晶体管的关断散热时间从10nS逐渐增加至100μS时，量测每次开启后漏极电流信号112的降低，确定待测场效应晶体管103关断后需要20μS方可自热效应的产热完全消除；使栅极电压脉冲信号110的低电平时间大于自热效应的产热完全消除的时间，将晶体管的开启时间从1nS逐渐增加至1μS时，量测每次开启后漏极电流信号112的降低，确定待测场效应晶体管103开启后需要60nS自热效应的产热方可饱和；图3(a)为散热时间不足时的漏极电流信号的示例，图3(b)为产热没有饱和时的漏极电流信号的示例。给待测场效应晶体管103的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号，漏极施加工作电压，通过改变载物台的温度变化待测场效应晶体管103的初始沟道平均温度，定量测试不同初始沟道平均温度下漏电流的值，得到漏电流与沟道平均温度的关系，如图4所示，借由漏电流与时间的关系，如图2所示，提取待测场效应晶体管103开启时沟道平均温度随时间的变化，如图5所示。给待测场效应晶体管103的栅极施加上升沿小于1nS、高电平时长等于热饱和时间、低电平时间大于散热时间(优选为等于两倍散热时间)的特定脉冲信号，漏极施加与栅极电压信号的高电平大小相同的电压值，通过改变此电压值和在载物台温度，得到“沟道平均温度-漏极电压-漏极电流”的三维特性关系，如图6所示。上述的定量量测结果，可用于提取随时间瞬态变化的热容和热阻，以建立准确的、符合实际电路情况的SPICE模型

上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的最佳实例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种量测晶体管自热效应及沟道平均温度变化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号，脉冲信号的高电平时长使晶体管达到热饱和状态，漏极施加工作电压，定量测试晶体管开启后由于自热效应导致的漏电流的下降值，将此下降值作为基准值；

(2)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号，漏极施加工作电压，通过改变栅极施加的脉冲信号的占空比和周期，调整晶体管开启工作的时间和关断截止的时间，定量测试晶体管开启后由于自热效应导致的漏电流的下降值；当下降值等于基准值时，晶体管开启工作的时间长度即为自热效应导致的热饱和时间，晶体管关断截止的时间长度即为关断后这些热量完全消除的散热时间；

(3)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号，漏极施加工作电压，通过改变载物台的温度，调整放置在载物台上的晶体管的初始沟道平均温度，定量测试不同初始沟道平均温度下漏电流的值，得到漏电流与沟道平均温度的关系，通过漏电流与时间的关系，提取晶体管开启时沟道平均温度随时间的变化；

(4)给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS、高电平时长等于热饱和时间、低电平时间大于散热时间的特定脉冲信号，漏极施加与栅极电压信号的高电平大小相同的电压值，通过改变此电压值和载物台温度，得到“沟道平均温度-漏极电压-漏极电流”的三维特性关系，用于提取随时间瞬态变化的热容和热阻，以建立准确的、符合实际电路情况的SPICE模型。

2.根据权利要求1所述的量测晶体管自热效应及沟道平均温度变化的方法，其特征在于：所述步骤1-3中，给晶体管的栅极施加上升沿小于1nS的脉冲信号之前，还包括将上升沿小于1nS的脉冲信号输入至实时采样示波器中，检测脉冲信号的过冲、振铃的步骤，使得脉冲信号符合高频信号完整性要求。