專利名稱：一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場效應(yīng)晶體管測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法。
背景技術(shù)：
集成電路已經(jīng)發(fā)展到極大規(guī)模的納米技術(shù)時(shí)代，現(xiàn)有的體硅材料和工藝正接近它們的物理極限，在進(jìn)一步減小集成電路的特征尺寸方面遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如果希望進(jìn)一步提高芯片的集成度和運(yùn)行速度，則必須在材料和工藝上有新的重大突破。目前業(yè)界公認(rèn)， 絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技術(shù)與應(yīng)變硅技術(shù)，將成為納米技術(shù)時(shí)代取代現(xiàn)有單晶硅材料的兩大解決方案，是維持Moore定律走勢的兩大利器。其中，SOI技術(shù)以其獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)有效克服了在體硅上制造器件所帶來的局限性，已被廣泛應(yīng)用于高速低功耗IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域。因?yàn)镾OI技術(shù)具有優(yōu)于體硅技術(shù)的良好高溫特性，例如，無熱激發(fā)閂鎖效應(yīng)、結(jié)泄漏電流較小、閾值電壓隨溫度變化小等，使MOS電路的工作溫度上限得以提高，工作性能也更加穩(wěn)定。但是，SOI技術(shù)中埋氧層的熱傳導(dǎo)率較差，使得器件內(nèi)部的熱積聚變得很嚴(yán)重，所以自加熱效應(yīng)便成為影響器件特性的主要因素之一。 因而，需要深入分析和提取SOI電路的自加熱效應(yīng)，用以模擬和預(yù)測SOI電路正常工作狀態(tài)下的性能。熱阻是描述場效應(yīng)晶體管自加熱效應(yīng)引起輸入輸出功率損耗(以下簡稱為功耗) 的重要參數(shù)之一，該參數(shù)的精確提取，對于準(zhǔn)確預(yù)測不同輸入功率的情況下場效應(yīng)晶體管的性能有著重要的意義。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用以下方式提取絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值將絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管與外部測試設(shè)備(例如高頻脈沖電流電壓測試設(shè)備)相連接，利用該外部測試設(shè)備對絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值進(jìn)行提取。但是，上述常用的提取熱阻的方式存在一定的不足之處。由于熱阻提取方式對于外部測試設(shè)備性能要求比較嚴(yán)格，例如，要求外部測試設(shè)備需要具備納秒級別的精確度，所以這樣的外部測試設(shè)備的價(jià)格通常都比較高，從而導(dǎo)致了熱阻提取的成本也隨之提高。因此，亟需提出一種簡單實(shí)用、成本低且效果好的絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法，通過施加偏置電壓即可獲取準(zhǔn)確的熱阻值，該方法不但簡單實(shí)用，測試成本也非常低。本發(fā)明提供了一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法，該方法包括以下步驟對絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管施加偏置電壓，分別獲取所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與功耗、以及所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與局部溫度之間的對應(yīng)關(guān)系；
根據(jù)上述對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)無需利用外部測試設(shè)備(例如高頻脈沖電流電壓測試設(shè)備)即可對熱阻進(jìn)行測量，從而大大降低了測試的成本；(2)簡單實(shí)用，無需搭建特殊的測試結(jié)構(gòu)；(3)測量結(jié)果準(zhǔn)確。


通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯圖1為絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的剖面示意圖；圖2為BSIMS0I模型的自加熱效應(yīng)等效電路示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法的流程示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管電極上施加偏置電壓以獲取dlog(Ibs)/dP特性的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管電極上施加偏置電壓以獲取dlog(Ibs)/dT特性的示意圖；圖6為體源電流隨絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管功耗的變化曲線；圖7為體源電流隨絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管溫度的變化曲線；圖8為當(dāng)柵源電壓分別為OV和3. 3V時(shí)，體源電流隨漏源電壓的變化曲線；圖9為當(dāng)溝道寬度為20微米、溝道長度為0. 8微米時(shí)，絕緣體上硅N型場效應(yīng)晶體管和絕緣體上硅P型場效應(yīng)晶體管的輸出特性曲線；以及圖10為根據(jù)本發(fā)明提供的方法所計(jì)算出來的不同寬長比絕緣體上硅N型場效應(yīng)晶體管的熱阻值。附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到其他工藝的可應(yīng)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”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。應(yīng)當(dāng)注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪制。本發(fā)明省略了對公知組件和處理技術(shù)及工藝的描述以避免不必要地限制本發(fā)明。本發(fā)明提出了一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法，在對本發(fā)明所提出的熱阻提取方法進(jìn)行具體說明之前，首先對絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)、以及熱阻提取的原理進(jìn)行描述。請參考圖1，圖1為絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的剖面示意圖。如圖所示，絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管包括SOI襯底、源電極101、漏電極103、柵電極102以及體電極104。其中， 所述SOI襯底包括基底層106、位于該基底層106之上的埋氧層105以及位于該埋氧層105 之上的器件層107。所述基底層106通常是單晶硅，或者是其他基本半導(dǎo)體，例如鍺，又或者是化合物半導(dǎo)體，例如，碳化硅、砷化鎵、砷化銦、砷化銦等。所述埋氧層105可以是二氧化硅、氮化硅或者其他任何適當(dāng)?shù)慕^緣材料。所述器件層107可以為所述基底層106包括的半導(dǎo)體中的任何一種。柵電極102位于所述SOI襯底之上，源電極101和漏電極103分別位于所述柵電極102兩側(cè)的器件層107內(nèi)，體電極104也位于所述器件層107內(nèi)，在所述源電極101和漏電極103之間、且靠近所述埋氧層105的區(qū)域內(nèi)。與傳統(tǒng)的體硅相比，由于埋氧層105的存在，絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)熱性能比體硅差。常規(guī)的絕緣體上硅是以二氧化硅作為埋氧層105的材料，其熱傳導(dǎo)率比較低， 在室溫(通常指25°C )下，單晶硅的熱傳導(dǎo)率為148W/m· k，而二氧化硅的熱傳導(dǎo)率僅為 1.4W/m*k。因此，絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管正常工作的過程中，在溝道中所產(chǎn)生的熱量，不容易耗散，從而導(dǎo)致一些不利影響，如自加熱效應(yīng)。在Berkeley大學(xué)提出的BSIMS0I模型中，場效應(yīng)晶體管的自加熱效應(yīng)可以使用圖 2中的等效電路進(jìn)行表征。在BSIMS0I模型中，如果自加熱選擇參數(shù)等于1的時(shí)候，熱阻值為非零值，這將會在電路仿真時(shí)增加溫度節(jié)點(diǎn)，該溫度節(jié)點(diǎn)在等效電路中將被看作為電壓節(jié)點(diǎn)。其中，Id表示漏電流，Vd表示漏極電壓，Rth和Cth分別表示在該電壓節(jié)點(diǎn)和地之間并聯(lián)的熱阻和熱容。本發(fā)明后續(xù)給出的仿真結(jié)果均基于此BSIMS0I模型所得出。熱阻是描述場效應(yīng)晶體管自加熱效應(yīng)引起功耗的重要參數(shù)之一，其基于如下計(jì)算公式
^ ^TemperatureRth；---
APower其中，Rth表示晶體管的熱阻，Temperature表示絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管在工作狀態(tài)下的局部溫度，Power表示絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的功耗，Δ Temperature表示絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管局部溫度的變化量，AP0wer表示絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管功耗的變化量。從上述公式可以看出，在絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管工作期間，分別測量兩個(gè)時(shí)刻 (以、和t2表示)絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的局部溫度(以I^perature1和T印eratur^表示)，然后相應(yīng)地計(jì)算出、和t2時(shí)刻絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的功耗(以Power1和Power2 表不)，艮口可得至丨J Δ Temperature = Teperature2-Teperature1 禾口 Δ Power = Power2-Power1, 從而計(jì)算出絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻值的大小。其中，絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的功耗可以通過源漏電流和源漏電壓的乘積計(jì)算得到，而絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的局部溫度則需要借助外部的測溫設(shè)備或者其他較為復(fù)雜的測試方法(例如紅外熱像儀法)。所以希望在不影響絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管性能的前提下，基于體源二極管技術(shù)提取出絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值。基于上述考慮，可以對上述熱阻公式進(jìn)行變形，得到如下等式
權(quán)利要求
1.一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法，該方法包括以下步驟對絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管施加偏置電壓，分別獲取所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與功耗、以及所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與局部溫度之間的對應(yīng)關(guān)系；根據(jù)上述對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，獲取所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與功耗之間的對應(yīng)關(guān)系的步驟包括在所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的局部溫度為恒溫的條件下，對所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的漏電極施加不同的偏置電壓，以獲取所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與功耗之間的第一關(guān)系曲線；計(jì)算所述第一關(guān)系曲線的第一線性斜率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，漏電極和體電極之間的結(jié)面處于反向偏置狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中將所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的基底層以及源電極分別接地；對所述體電極和柵電極分別施加0. 7V和3. 3V的偏置電壓；以及對所述漏電極施加的偏置電壓的范圍為1V-3. 3V。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，獲取所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與局部溫度之間的對應(yīng)關(guān)系的步驟包括改變所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的局部溫度，并對所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體電極施加不同的偏置電壓，以獲取所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與局部溫度之間的第二關(guān)系曲線；計(jì)算所述第二關(guān)系曲線的第二線性斜率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的方法，其中將所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的基底層、源電極以及柵電極分別接地；以及對所述體電極施加的偏置電壓的范圍為0V-1V。
7.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的方法，其中，所述計(jì)算所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值的步驟包括計(jì)算所述第一線性斜率與所述第二線性斜率之間的比值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管熱阻提取方法，該方法包括以下步驟對絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管施加偏置電壓，分別獲取所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與功耗、以及所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的體源電流與局部溫度之間的對應(yīng)關(guān)系；根據(jù)上述對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算所述絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值。本發(fā)明在無需連接外部測試設(shè)備、也無需搭建特定測試結(jié)構(gòu)的情況下，即可準(zhǔn)確地測量出絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻值，既簡單又實(shí)用，還大大降低了測試成本，對研究絕緣體上硅場效應(yīng)晶體管的熱阻性能起到了重要的作用。
文檔編號G01R31/26GK102353885SQ20111018736
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者畢津順, 海潮和, 羅家俊, 韓鄭生 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所