CN110596560B - 一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，关键在于在FinFET器件接受辐射源辐照时升高器件温度，温度变化量等于器件自热效应引起的温度变化量，通过升温辐照、室温测试得到FinFET器件转移、输出特性曲线，从中提取所需电学参数。该方法考虑了自热效应对FinFET器件总剂量辐射效应的影响，修正了常规总剂量辐照实验方法未考虑自热效应所带来的误差，能更加准确地评估FinFET器件总剂量辐射效应。

Description

一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法

技术领域

本发明涉及一种评估鳍式场效应晶体管(FinFET)总剂量辐射效应的方法，属于微电子器件可靠性领域。

背景技术

随着集成电路技术的飞速发展，器件特征尺寸已缩小到纳米尺度。FinFET器件具有良好的栅控能力，能够克服传统平面体硅器件所面临的短沟道效应、迁移率退化等问题，因此成为纳米级超大规模集成电路制造中的主流器件。根据衬底的不同，FinFET器件可以分为体硅FinFET器件和绝缘衬底上硅(SOI)FinFET器件。工作在辐射环境中的FinFET器件受到电子、X射线、γ射线等辐照后，会产生总剂量辐射效应，导致器件直流特性发生变化，如阈值电压漂移、关态泄漏电流增加等，引起集成电路功耗增加、性能降低甚至功能失效。另一方面，由于FinFET器件功率密度高、结构不利于热耗散，相比传统平面体硅器件具有更严重的自热效应。自热效应引起器件温度升高，造成器件性能退化。对于工作在辐射环境中的FinFET器件，同时受到总剂量辐射效应和自热效应的影响。然而，常规评估总剂量辐射效应的方法是在室温下进行总剂量辐照实验，没有考虑自热效应引起的器件温度变化。常规评估方法应用于FinFET器件时，获得的结果会因为辐照实验温度和器件真实工作环境不同而带来误差，造成辐射效应评估不准。因此，为了更加准确评估FinFET器件总剂量辐射效应，有必要提出一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法。

发明内容

为了更加准确评估FinFET器件总剂量辐射效应，本发明提出一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法。本发明的技术方案如下：

一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，其主要特征是，在FinFET器件接受辐射源辐照时，升高器件温度，温度变化量等于自热效应引起的温度变化量。具体执行如下步骤：

第一步，测试FinFET器件自热效应带来的温度变化ΔT_SHE。

第二步，进行FinFET器件总剂量辐射实验。具体的，首先在室温T_room下测得辐照前FinFET器件转移、输出特性(I_D0～V_G/D)。然后使器件接受辐照时的温度保持为T_exp(等于室温加上自热效应引起的温度变化量，T_exp＝T_room+ΔT_SHE)，而器件电学测试过程温度保持为室温T_room。即提高器件温度至T_exp，器件开始接受辐照，辐照至剂量点D₁后，暂停辐照，改变器件温度至T_room，然后测试器件转移、输出特性(I_D1～V_G/D)。重复加温辐照、室温测试步骤，至最终剂量点D_n，测得n次辐照后器件的转移特性和输出特性(I_Dn～V_G/D)结束，其中n为大于等于1的整数。

第三步，从第二步中测试得到的FinFET器件转移、输出特性曲线中提取所需电学参数，如阈值电压V_thx(剂量点D_x下，x为1到n的整数)。计算得到剂量点D_x下，辐照温度为T_exp时，器件电学参数变化，如阈值电压漂移ΔV_thx＝V_thx-V_th0，其中V_th0为辐照前器件的阈值电压，V_thx为剂量点D_x下器件的阈值电压。。

本发明评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，所述FinFET器件包括体硅FinFET器件、SOI FinFET器件，沟道材料可以为Si、Ge、SiGe、III-V族半导体材料或其异质结构，器件结构可以为三栅、Ω栅、Π栅、围栅等。

所述的评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，第一步中测得ΔT_SHE的方法为常规方法，可选用交流电导法、栅电阻法等。

本发明评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，第二步中被辐照样品器件与第一步中样品器件版图、工艺相同。辐照过程中可以在器件各端加上辐照偏置电压。不同辐照偏置电压下总剂量辐照对器件特性影响不同，应分别加以评估。通过改变载片台温度来改变器件温度，载片台温度变化应迅速，以降低退火效应。

本发明评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，第三步中提取阈值电压的方法可以是恒定电流法、最大跨导法等常规方法。FinFET器件电学参数提取不限于阈值电压，其他如饱和漏电流I_dsat、关态泄漏电流I_off、最大跨导G_m、DIBL和亚阈值摆幅SS也可以提取对比。

本发明的优点是考虑了自热效应对FinFET器件总剂量辐射效应的影响，修正了常规总剂量辐照实验方法未考虑自热效应所带来的误差。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，该方法在FinFET器件接受辐射源辐照时，改变器件温度，温度变化量与测试得到的器件自热效应引起的温度变化量相同。下面结合附图对本发明进行详细说明。

测试和实验流程图如图1所示，本例中提取器件自热升温的方法为交流电导法，以晶圆级总剂量辐照实验平台为例，具体步骤如下：

步骤1.用频率为1MHz的交流小信号测试器件A的I-V特性，获得无自热效应影响的I_ds1～V_ds1曲线；

步骤2.对I_ds1～V_ds1曲线求导获得漏源电导g_ds；

步骤3.直流测试得到器件A的I_ds2～V_ds2曲线；

步骤4.改变载片台温度，在不同温度点测试器件A的漏电流，线性拟合获得漏电流对温度的偏微分

步骤5.计算热阻R_th和自热效应升温ΔT_SHE，分别由公式(1)和公式(2)计算得到：

ΔT_SHE＝R_th·I_ds·V_ds……(2)

其中，公式(1)中I_{ds1_at}和I_{ds2_at}分别为步骤2和步骤3测得的饱和漏电流；

步骤6.对相同的另一器件B进行晶圆级总剂量辐照实验。首先载片台温度为T_room，测得器件B初始转移、输出特性I_D0～V_G/D；

步骤7.温度点T_exp设置为(T_room+ΔT_SHE)，载片台温度升高到T_exp并保持，器件接受辐射源辐照，辐照过程中器件各端接地，剂量累积至剂量点D₁时暂停辐照，载片台温度降低至T_room，测试器件B转移、输出特性I_D1～V_G/D；

步骤8.重复步骤7，测得剂量点D₂、D₃、D₄时的器件B转移、输出特性I_D2～V_G/D、I_D3～V_G/D、I_D4～V_G/D；

步骤9.用恒定电流法提取器件B在不同总剂量下的阈值电压，并计算阈值电压漂移。

该方法在FinFET器件接受辐射源辐照时，升高器件温度，温度变化量与自热效应引起的温度变化相同。考虑了FinFET器件中自热效应对总剂量辐射效应的影响，修正了常规总剂量辐照实验方法未考虑自热效应所带来的误差。为FinFET器件及电路抗辐照能力评估及抗辐照加固设计提供了更加准确的表征手段。

以上描述的实施例子并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，本发明的保护范围以权利要求范围所界定。

Claims (8)

1.一种评估FinFET器件总剂量辐射效应的方法，包括以下步骤：

1)测试FinFET器件自热效应带来的温度变化ΔT_SHE；

2)对与步骤1)所用FinFET器件相同的另一器件进行总剂量辐射实验，具体过程包括：

2a)辐照前在室温T_room下测试器件的转移特性和输出特性；

2b)升温至T_exp＝T_room+ΔT_SHE，对器件进行辐照至剂量点D₁，暂停辐照，降温至室温T_room，测试器件的转移特性和输出特性；

2c)多次重复步骤2b)的升温辐照、室温测试过程，直至最终辐照剂量点D_n，测得n次辐照后器件的转移特性和输出特性，其中n为大于等于1的整数；

3)从步骤2)中测得的FinFET器件的转移特性和输出特性中提取所需电学参数，计算得到各辐照剂量点D_x下，辐照温度为T_exp时，FinFET器件的电学参数变化，其中x为1到n的整数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)测试ΔT_SHE的方法为交流电导法或栅电阻法。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1)测试ΔT_SHE的方法是交流电导法，具体包括：

1a)用交流小信号测试器件的I-V特性，获得无自热效应影响的I_ds1～V_ds1曲线；

1b)对I_ds1～V_ds1曲线求导获得漏源电导g_ds；

1c)直流测试得到器件的I_ds2～V_ds2曲线；

1d)改变器件温度，在不同温度点测试其漏电流，线性拟合获得漏电流对温度的偏微分

1e)由公式(1)计算热阻R_th，再由公式(2)计算得到自热效应升温ΔT_SHE；

ΔT_SHE＝R_th·I_ds·V_ds (2)

其中，公式(1)中I_{ds1_sat}和I_{ds2_sat}分别为步骤1b)和步骤1c)测得的饱和漏电流。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中所述电学参数包括器件在各辐照剂量点下的阈值电压V_th、饱和漏电流I_dsat、关态泄漏电流I_off、最大跨导G_m、DIBL和亚阈值摆幅SS。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中计算得到剂量点D_x下，辐照温度为T_exp时，器件的阈值电压漂移ΔV_thx＝V_thx-V_th0，其中V_th0为辐照前器件的阈值电压，V_thx为剂量点D_x下器件的阈值电压。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中被辐照的FinFET器件与步骤1)中测试的FinFET器件的版图和工艺完全相同。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)辐照过程中在器件各端加上辐照偏置电压，分别评估不同辐照偏置电压下总剂量辐照对器件特性的影响。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FinFET器件为体硅FinFET器件或SOIFinFET器件，其沟道材料为Si、Ge、SiGe、III-V族半导体材料或其异质结构，器件结构为三栅、Ω栅、Π栅或围栅。

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