CN116593853B - 一种提取晶体管器件热特性参数的简单量测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提取晶体管器件热特性参数的简单量测方法，通过高时间分辨率快速测试获得晶体管器件小于等于1ns上升沿时间开启后由于自热效应导致的漏极电流退化与时间的关系，基于漏极电流的温度敏感性标定器件沟道温度变化；根据一阶电路全响应方程拟合晶体管器件沟道温度与时间的关系获得热时间常数；利用沟道温度与器件功率的变化关系求解热阻参数，进而获得热容参数。本发明通过高时间分辨率快速测试可以捕捉晶体管器件热饱和全过程，基于一阶电路全响应方程能够准确拟合器件沟道加热过程的热时间常数，并提取热阻、热容参数，是直接评估器件自热效应的有效方法，热特性参数的准确提取能够为电路设计提供参考依据，优化器件热阻抗设计。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件电学测试技术领域，具体涉及一种提取晶体管器件热特性参数的简单量测方法。
背景技术
自20世纪60年代首次展示硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以来，集成电路芯片每个晶片的晶体管数量至少增加了6个数量级，超大规模集成电路的尺寸缩放极大地提高了性价比和效率。然而，从90nm技术节点开始，硅基晶体管的进一步放大面临着巨大的挑战，为了进一步提高摩尔定律的性价比，在20nm以下技术节点上采用了新型结构的晶体管来提高单位面积的功率密度。例如绝缘衬底上硅技术(SOI)，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，具有集成密度高、寄生电容小、工艺简单、速度快、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势；多栅MOSFET，由于在侧壁有额外的导电通道，表现出优越的静电控制以及每个区域更高的电流密度。然而，新型结构晶体管器件晶体管因为器件电流密度大以及SiO2、SiGe等材料的导热性差会导致严重的自热效应，通道/漏极边界附近自热效应的增加将在器件性能和可靠性方面引入各种问题，包括弹道输运特性、负偏压温度不稳定性、热载流子注入效应、器件涨落特性的额外退化，自热效应已成为限制先进晶体管器件性能和可靠性的瓶颈。
评估器件的自热效应已经成为一个令人关注的问题，这就需要准确提取器件的热特性参数。根据目前已有的报道，器件热特性参数的提取主要有模拟仿真和器件测试两种方式；在模拟仿真方面，主要是通过对晶体管器件建立等温面模型或者计算热量的产生和传导来模拟器件沟道热分布从而计算出器件的热特性参数，如文献[Pop,E.,Sinha,S.,&Goodson,K.E..(2006).Heat generation and transport in nanometer-scaletransistors.Proceedings of the IEEE,94,1587-1601]，模拟仿真的方法都是基于理想值计算可以作为参考但始终跟真实情况有一定的偏差。在测试方面主要有以下几种方法：频率变化的小信号漏极电导(交流电导)方法、测量晶体管电流-电压特性和S参数利用阻抗关系获得器件热特性参数、设计特殊的栅极测试结构的四端栅极电阻技术，其中文献[Tenbroek,B.M.,Lee,M.,Redman-White,W.,Bunyan,J.T.,&Uren,M.J..(2002).Self-heating effects in soi mosfets and their measurement by small signalconductance techniques.IEEE Transactions on Electron Devices,43(12),2240-2248]提出频率变化的小信号漏极电导(交流电导)方法是最常用的方法，因为其测试简单且不需要特殊的测试结构，但随着先进晶体管器件的发展，特别是SOI技术的推进，器件与衬底之间存在寄生电容使得薄SOI器件的交流电导评估比较复杂，交流电导方法的准确性变得令人怀疑。公开号为CN110008488A的中国专利申请利用器件I-V特性和S参数建立热导阻抗模型的方法不仅需要测量器件的电流-电压特性还需要获得S参数，建立复杂的热导阻抗模型之后需要进行大量复杂的复数运算。而文献[Takahashi,T.,Matsuki,T.,Shinada,T.,Inoue,Y.,&Uchida,K..(2016).Direct evaluation of self-heating effects inbulk and ultra-thin box soi mosfets using four-terminal gate resistancetechnique.IEEE Journal of the Electron Devices Society,4(5),365-373]四端栅极电阻方法需要设计专门的栅极测试结构，并且该方法只能提取热阻参数，不能获得热时间常数等其他热特性参数。以上几种方法主要通过量测器件自热效应加热后的特性参数经过计算得到热特性参数，不能捕捉到器件工作时热产生的动态过程，有相应的局限性。
因此，研究器件自热产生的动态过程有助于分析自热效应对器件的真实影响，热特性参数的准确提取有利于评估电路中器件的自热效应，为电路设计中器件的热阻抗优化提供参考依据。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种提取晶体管器件热特性参数的简单量测方法，通过高时间分辨率的快速电学特性测试，捕捉器件自热效应加热器件沟道的全过程，能够简单高效准确的提取晶体管器件热特性参数。
一种提取晶体管器件热特性参数的简单量测方法，包括如下步骤：
(1)利用脉冲信号发生器向待测晶体管器件的栅极施加长脉宽脉冲电压信号VG，并通过高带宽示波器一通道采集该脉冲电压信号VG，同时给待测晶体管器件的漏极施加电压VD；
(2)通过高带宽示波器二通道采集经过待测晶体管器件的输出脉冲电压信号Vout，并计算流经待测晶体管器件的漏极电流ID以得到漏极电流ID与时间t的关系；
(3)改变载物台温度Tchuck，记录不同载物台温度下栅极施加相同脉冲电压信号VG得到的漏极电流ID与时间t的关系；
(4)在不同载物台温度下将器件开启1ns得到的漏极电流ID作为待测晶体管器件沟道温度Tchannel等于Tchuck时对应的漏极电流，从而获得不受自热效应影响情况下漏极电流ID与温度T的关系；
(5)基于漏极电流ID与温度T的关系将漏极电流ID与时间t的关系转换为沟道温度Tchannel与时间t的关系，并利用一阶电路全响应方程拟合出待测晶体管器件沟道温度Tchannel与时间t的关系式，从而获得热时间常数τ；
(6)根据沟道温度变化量计算待测晶体管器件的热阻参数Rth，进而根据热阻参数Rth和热时间常数τ计算出待测晶体管器件的热容参数Cth。
进一步地，所述量测方法在超快速脉冲电学测试系统上实现，该系统包括脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台、中央控制器以及直流电源，其中脉冲信号发生器通过探针台与待测晶体管器件的栅极连接，示波器的一通道与二通道通过探针台分别与待测晶体管器件的栅极和漏极相连，直流电源通过高带宽三通捡拾器与待测晶体管器件漏极以及高带宽示波器相连，中央控制器用于控制脉冲信号产生、漏极信号采集以及热特性参数提取运算；在测试过程中脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台、直流电源均与公共地连接。
进一步地，所述脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台和直流电源之间的连接线缆阻抗均为50Ω。
进一步地，所述长脉宽脉冲电压信号VG的上升沿小于等于1ns，其脉宽长度要保证待测晶体管器件沟道热饱和，漏极电流ID不再下降。
进一步地，所述待测晶体管器件的接触电极采用集成电路中常用的射频测量地-信号-地(GSG)测试结构。
进一步地，所述步骤(5)中的一阶电路全响应方程表达式如下：
其中：y(t)为t时刻的电气量，y(0)为初始时刻的电气量，y(∞)为无穷时刻的电气量，ρ为时间常数；
进而根据漏极电流ID与时间t的关系以及漏极电流ID与温度T的关系，以漏极电流ID为中介将上述一阶电路全响应方程转换为沟道温度Tchannel与时间t的关系式如下：
其中：T(t)为t时刻待测晶体管器件的沟道温度，T(0)为初始时刻待测晶体管器件的沟道温度，T(∞)为无穷时刻待测晶体管器件的沟道温度。
进一步地，由于待测晶体管器件在1ns的快速上升沿时间内没有产生自热，初始时刻待测晶体管器件的沟道温度T(0)即等于载物台温度Tchuck。
进一步地，由于待测晶体管器件自热效应加热的同时也会散热，无穷时刻待测晶体管器件的沟道温度T(∞)即等于待测晶体管器件沟道温度达到热饱和时的温度。
进一步地，所述步骤(6)中通过以下关系式计算出热阻参数Rth；
其中：ΔT为待测晶体管器件沟道温度从初始时刻到沟道热饱和时的温度变化量。
进一步地，所述步骤(6)中通过以下关系式计算出热容参数Cth；
本发明方法不仅适用于硅基晶体管器件也适用于锗基等其他新型晶体管器件，尤其适用于绝缘衬底上硅技术、多栅极晶体管器件等短沟道自热效应严重的器件，高时间分辨率的快速脉冲测试可以捕捉晶体管器件热饱和动态全过程，基于一阶电路全响应方程能够准确拟合出器件沟道加热过程的热时间参数，同时提取热阻、热容参数，测试简单，测试量少，并且能够获得不同温度下的热特性参数，不仅适用于高温(300K～500K)，同样也适用于低温(4K～300K)是直接评估器件工作状态下自热效应的有效方法，热特性参数的准确提取能够为电路模拟仿真提供真实器件数据支持，为器件的热阻抗优化设计提供有力支持。
附图说明
图1为本发明高时间分辨率的超快速脉冲电学测试系统结构示意图。
图2(a)为施加到待测晶体管器件栅极的上升沿1ns脉宽100ns的脉冲信号VG波形示意图。
图2(b)为从待测晶体管器件漏极捕捉到的漏极电流信号ID波形示意图。
图3为不同温度下晶体管器件1ns时间开启后漏极电流ID随时间变化的波形示意图。
图4为晶体管器件开启1ns后沟道温度等于载物台温度时器件漏极电流ID与载物台温度的示意图。
图5为计算得到的晶体管器件实时沟道温度随器件开启时间的变化关系示意图。
图6为拟合得到的晶体管器件实时沟道温度随器件开启时间的变化关系示意图(包含热时间常数)。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提取晶体管器件热特性参数的量测方法能够捕捉器件自热效应加热沟道的全时间过程，为自热效应的研究提供准确的热特性参数，该方法在上升沿小于等于1ns的超快速脉冲电学测试系统上实现；如图1所示，该系统包括脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台、中央控制器以及直流电源；脉冲信号发生器通过探针台与待测晶体管器件的栅极连接；示波器的一通道与二通道通过探针台分别与待测晶体管器件的栅极、漏极相连；直流电源通过高带宽三通捡拾器与晶体管器件漏极和高带宽示波器相连，中央控制器用于控制脉冲信号产生、漏极信号采集以及热特性参数提取的运算；在测试全程中，脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台、直流电源均与公共地连接。
本实施例中脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台和直流电源之间的连接线缆阻抗均为50Ω。
基于上述测试系统我们在30nm FDSOI晶体管器件上进行了实验验证，器件的接触电极为集成电路中常用的射频测量地-信号-地(GSG)测试结构，量测方法包括以下步骤：
(1)通过信号发生器向待测晶体管器件的栅极施加上升沿小于等于1ns的长脉宽脉冲电压信号VG，并通过示波器一通道采集输入脉冲电压信号VG，同时给晶体管器件漏极施加电压VD，VD＝0.8V。信号发生器可以输出上升/下降沿小于1ns的脉冲信号，栅极脉冲信号可以根据需要灵活选择不同脉冲宽度，脉宽长度需要足够长到器件沟道温度饱和。如图2(a)所示，给待测晶体管器件的栅极施加一个上升沿为1ns，脉冲宽度为100ns的脉冲信号，然后通过高带宽示波器读取待测晶体管器件栅极电压VG，示波器采样率为80GS/s(每秒采样80G数据点)，则采集时间精度可达12.5个皮秒级别。
(2)通过示波器二通道采集经过待测晶体管器件的输出脉冲电压信号Vout，并计算流经待测晶体管器件的电流ID，获得漏极电流ID与时间t的关系，如图2(b)所示。
(3)改变载物台温度Tchuck，记录不同载物台温度下相同栅极脉冲电压信号VG得到的漏极电流ID与时间t的关系，如图3所示。
(4)将不同载物台温度下器件开启1ns时得到的漏极电流ID作为器件沟道温度Tchannel等于载物台温度Tchuck时对应的漏极电流，获得不受自热效应影响的漏极电流ID与温度T的关系，如图4所示。
(5)基于漏极电流ID与温度T的关系将漏极电流VD与时间t的关系转换为沟道温度Tchannel和时间t的关系，如图5所示；然后利用一阶电路全响应方程拟合沟道温度Tchannel与时间t的关系，获得热时间常数τ，如图6所示，其中热时间常数τ为6.3ns。
一阶电路全响应方程具体为：
其中：t为时间，ρ为时间常数，y(0)为起始时刻电气值，y(∞)为无穷时刻电气值；在热时间常数计算过程中，将漏极电流ID的响应通过漏极电流ID与温度T的关系转换为沟道温度Tchannel和时间t的关系，将一阶电路全响应方程转换为：
其中：T(0)为初始器件沟道温度，由于器件没有产生自热，初始器件沟道温度等于载物台温度Tchuck；T(∞)为无穷时刻器件沟道温度，由于器件自热效应加热的同时也会散热，无穷时刻器件沟道温度等于器件沟道温度达到热饱和时的温度。
(6)通过沟道温度变化ΔT和器件功率P计算热阻参数Rth，进而根据热时间常数τ计算热容参数Cth。
器件沟道温度变化ΔT和器件功率P的公式具体为：
ΔT＝Rth×VD×ID
其中：ΔT为器件沟道温度从初始时刻到沟道热饱和时的温度变化量，Rth为热阻参数，VD为漏极电压，ID为漏极电流。
在40℃时，沟道温度变化值为80K，器件功率P＝VD×ID＝6.4mW根据上式计算得到热阻参数Rth为12.5K/mW，根据热时间常数τ＝Rth×Cth，计算出热容参数Cth为5.04×10-9J/K。
为了减少系统噪声影响，本实施例在测试全程中，建立公共地，将快速脉冲铁电电学测试系统与探针台接至公共地。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种提取晶体管器件热特性参数的简单量测方法，包括如下步骤：
(1)利用脉冲信号发生器向待测晶体管器件的栅极施加长脉宽脉冲电压信号VG，并通过高带宽示波器一通道采集该脉冲电压信号VG，同时给待测晶体管器件的漏极施加电压VD；
所述长脉宽脉冲电压信号VG的上升沿小于等于1ns，其脉宽长度要保证待测晶体管器件沟道热饱和，漏极电流ID不再下降；
(2)通过高带宽示波器二通道采集经过待测晶体管器件的输出脉冲电压信号Vout，并计算流经待测晶体管器件的漏极电流ID以得到漏极电流ID与时间t的关系；
(3)改变载物台温度Tchuck，记录不同载物台温度下栅极施加相同脉冲电压信号VG得到的漏极电流ID与时间t的关系；
(4)在不同载物台温度下将器件开启1ns得到的漏极电流ID作为待测晶体管器件沟道温度Tchannel等于Tchuck时对应的漏极电流，从而获得不受自热效应影响情况下漏极电流ID与温度T的关系；
(5)基于漏极电流ID与温度T的关系将漏极电流ID与时间t的关系转换为沟道温度Tchannel与时间t的关系，并利用一阶电路全响应方程拟合出待测晶体管器件沟道温度Tchannel与时间t的关系式，从而获得热时间常数τ，具体地：
所述一阶电路全响应方程表达式如下：
其中：y(t)为t时刻的电气量，y(0)为初始时刻的电气量，y(∞)为无穷时刻的电气量，ρ为时间常数；
进而根据漏极电流ID与时间t的关系以及漏极电流ID与温度T的关系，以漏极电流ID为中介将上述一阶电路全响应方程转换为沟道温度Tchannel与时间t的关系式如下：
其中：T(t)为t时刻待测晶体管器件的沟道温度，T(0)为初始时刻待测晶体管器件的沟道温度，T(∞)为无穷时刻待测晶体管器件的沟道温度；由于待测晶体管器件在1ns的快速上升沿时间内没有产生自热，初始时刻待测晶体管器件的沟道温度T(0)即等于载物台温度Tchuck；由于待测晶体管器件自热效应加热的同时也会散热，无穷时刻待测晶体管器件的沟道温度T(∞)即等于待测晶体管器件沟道温度达到热饱和时的温度；
(6)根据沟道温度变化量通过以下关系式计算待测晶体管器件的热阻参数Rth；
进而根据热阻参数Rth和热时间常数τ，通过以下关系式计算出待测晶体管器件的热容参数Cth；
其中：ΔT为待测晶体管器件沟道温度从初始时刻到沟道热饱和时的温度变化量。
2.根据权利要求1所述的简单量测方法，其特征在于：该量测方法在超快速脉冲电学测试系统上实现，该系统包括脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台、中央控制器以及直流电源，其中脉冲信号发生器通过探针台与待测晶体管器件的栅极连接，示波器的一通道与二通道通过探针台分别与待测晶体管器件的栅极和漏极相连，直流电源通过高带宽三通捡拾器与待测晶体管器件漏极以及高带宽示波器相连，中央控制器用于控制脉冲信号产生、漏极信号采集以及热特性参数提取运算；在测试过程中脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台、直流电源均与公共地连接。
3.根据权利要求2所述的简单量测方法，其特征在于：所述脉冲信号发生器、高带宽示波器、探针台和直流电源之间的连接线缆阻抗均为50Ω。
4.根据权利要求1所述的简单量测方法，其特征在于：所述待测晶体管器件的接触电极采用集成电路中常用的射频测量地-信号-地测试结构。
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| CN103234659A (zh) * | 2013-03-28 | 2013-08-07 | 华南理工大学 | 一种架空线路在线测温方法 |
| CN104062323A (zh) * | 2014-06-06 | 2014-09-24 | 西安理工大学 | 一种在线测量接触电阻的方法 |
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| CN108614005A (zh) * | 2018-04-13 | 2018-10-02 | 南方科技大学 | 一种基于多层复合材料的热物性参数的测试方法及系统 |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 北京：航空工业出版社.《电力电子技术》.北京：航空工业出版社,第321页. * |
| 广州：广东科技出版社.《晶体管电路工程计算》.广州：广东科技出版社,1982,第117页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116593853A (zh) | 2023-08-15 |
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