本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件可靠性領(lǐng)域，具體涉及一種橫向絕緣柵雙極型晶體管界面態(tài)的測試方法及5端口器件。

背景技術(shù)：

橫向絕緣柵雙極型晶體管(lateral insulated gate bipolar transistor，LIGBT)是一種將雙極性晶體管與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)合而成的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件，具有擊穿電壓高、輸出能力強及可集成的特點。絕緣層上硅(silicon on insulator，SOI)工藝具有寄生電容小、隔離性能好及集成度高等優(yōu)點。因此，基于SOI技術(shù)的LIGBT器件廣泛應(yīng)用于功率集成電路領(lǐng)域。然而，由于SOI-LIGBT器件的高溫、高電壓、高功率工作條件，器件面臨著嚴(yán)重的熱載流子效應(yīng)的影響。熱載流子注入會造成器件氧化層和Si/SiO₂界面的損傷，在器件內(nèi)部產(chǎn)生界面陷阱和氧化層陷阱電荷，導(dǎo)致器件電學(xué)參數(shù)的退化。

目前，電荷泵(charge pumping，CP)測試是研究器件界面損傷最有效、最可靠的方法，如圖2所示，其工作原理為：在器件源漏極同時加一反偏電壓，柵電極加一變化的脈沖電壓，在該脈沖電壓的上升階段，溝道表面被耗盡而逐漸進入反型狀態(tài)，此時電子將從源漏區(qū)流進溝道，其中一部分會被界面態(tài)俘獲_；在該脈沖電壓的下降階段器件返回積累狀態(tài)時，溝道中的可動電子由于源漏反偏電壓的作用又漂回到源區(qū)和漏區(qū)，但陷落在界面態(tài)中的一部分電子由于具有較長的退陷阱時間常數(shù)，在溝道消失之后仍然陷落在界面態(tài)中，最后與來自襯底的空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生了襯底電流，即電荷泵電流I_cp，它直接正比于界面態(tài)密度、器件柵電極面積、所加的柵脈沖的頻率以及參與產(chǎn)生電荷泵電流的界面態(tài)能量范圍。通過公式1就可以計算器件界面態(tài)密度。

$D_{it}=\frac{I_{cp}}{q\mathrm{\Δ}EfWL}---1$

D_it為界面態(tài)密度，q是基本電荷，f為柵脈沖頻率，W、L分別為溝道的寬和長，ΔE硅表面在反型與積累時費米能級之間的能量差。因此電荷泵電流可以反映出柵壓脈沖掃過的能帶范圍中界面態(tài)的密度的平均值，從而可以間接的反映器件受熱載流子效應(yīng)損傷的程度。通過應(yīng)力前后CP測試曲線的上下幅度變化，可以提取出器件表面損傷區(qū)域的界面態(tài)數(shù)量，而通過應(yīng)力前后CP曲線的左右偏移，則可以提取出損傷位置注入的熱電子或者熱空穴數(shù)量。

常規(guī)的SOI-LIGBT器件結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中：1是P型襯底，2是埋氧化層，3是N型漂移區(qū)，4是P型體區(qū)，5是陰極P⁺區(qū)，其上有體區(qū)金屬接觸7，6是陰極N⁺區(qū)，其上有金屬化陰極8，9是柵氧化層，10是多晶硅柵，11是鈍化層，12是場氧化層，13是多晶硅，15是陽極P⁺區(qū)，多晶硅13和陽極P⁺區(qū)15與金屬化陽極16相接，14是N型緩沖區(qū)。由以上結(jié)構(gòu)可知，SOI-LIGBT陽極是器件內(nèi)部寄生三極管的發(fā)射極，需要發(fā)射結(jié)電壓達到0.7V才可以開啟。在電荷泵測試環(huán)境下，陰極和陽極均接地，其發(fā)射結(jié)處于零偏置狀態(tài)，無法使寄生三極管內(nèi)部由陽極P⁺區(qū)15與N型漂移區(qū)3組成的PN結(jié)導(dǎo)通。因此，傳統(tǒng)SOI-LIGBT器件只有在溝道開啟后才可以測到CP電流，所以只能在溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)測到電流，從而產(chǎn)生了圖6所示不完整的CP測試結(jié)果，無法反映出多晶硅柵場板區(qū)和場板末端的界面態(tài)。

為此，我們提出了一種用于絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管界面態(tài)的測試方法，在SOI-LIGBT器件內(nèi)部陽極P⁺區(qū)旁增加電荷泵電子提供區(qū)，新結(jié)構(gòu)器件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件的退化機理完全相同，在不改變器件電學(xué)特性且沒有帶來耐壓降低問題的前提下，獲得了完整的CP測試結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種橫向絕緣柵雙極型晶體管界面態(tài)的測試方法及5端口器件，可在不改變器件電學(xué)特性的基礎(chǔ)上，測試出器件內(nèi)部各區(qū)域尤其是多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的界面損傷，從而解決了SOI-LIGBT進行CP實驗時無法測得多晶硅柵場板及場板末端界面態(tài)的問題。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種橫向絕緣柵雙極型晶體管界面態(tài)的測試方法，包括溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)電荷泵電流的測試，其特征為，還包括多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)電荷泵電流的測試，所述多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)電荷泵電流的測試采用以下方法：

先在同一晶圓上目標(biāo)器件旁邊制造輔助5端口器件，所述輔助5端口器件是在傳統(tǒng)橫向絕緣柵雙極型晶體管的N型緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)置電荷泵電子提供區(qū)；再進行系統(tǒng)搭建，將輔助5端口器件陰極N⁺區(qū)與電荷泵電子提供區(qū)短接，在輔助5端口器件P型體區(qū)與電荷泵電子提供區(qū)之間提供反向偏置電壓，柵電極用于外接加載脈沖電壓，最后進行多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)電荷泵電流的測試操作：在柵電極上加載脈沖電壓，使場板下方N型漂移區(qū)在積累狀態(tài)與反型狀態(tài)之間切換，當(dāng)N型漂移區(qū)處于積累狀態(tài)，若此時溝道開啟，陰極N⁺區(qū)中的電子將通過溝道流入到多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)，電荷泵電子提供區(qū)中的電子將流經(jīng)N型緩沖區(qū)和N型漂移區(qū)流入到多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)，若此時溝道區(qū)無法開啟，則電荷泵電子提供區(qū)單獨為多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的電荷泵測試提供所需電子，兩種情況下均有一部分電子會被多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)界面態(tài)俘獲；當(dāng)N型漂移區(qū)處于反型狀態(tài)，若此時溝道為開啟狀態(tài)，多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的可動電子在反偏電壓的作用下漂回到陰極N⁺區(qū)和電荷泵電子提供區(qū)，若此時溝道為關(guān)閉狀態(tài)，則多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的可動電子在反偏電壓的作用下漂回到電荷泵電子提供區(qū)，隨后，陷落在多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)界面態(tài)中的電子將與來自P型體區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生電荷泵電流，由此得到輔助5端口器件多晶硅柵場板區(qū)和場板末端區(qū)的界面態(tài)，所測得的輔助5端口器件多晶硅柵場板區(qū)和場板末端區(qū)的界面態(tài)即為目標(biāo)器件多晶硅柵場板區(qū)和場板末端區(qū)的界面態(tài)。

溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)電荷泵電流的測試采用以下方法：給柵電極加一變化的脈沖電壓，當(dāng)脈沖電壓變化到使溝道區(qū)在反型狀態(tài)和積累狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，在該脈沖電壓的上升階段，溝道表面被耗盡而逐漸進入反型狀態(tài)，電子將從陰極N⁺區(qū)和電荷泵電子區(qū)流進溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)，其中一部分會被界面態(tài)俘獲；在該脈沖電壓的下降階段，器件返回積累狀態(tài)時，溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)中的可動電子在反偏電壓的作用下漂回到陰極N⁺區(qū)和電荷泵電子區(qū)，剩余電子在溝道消失之后仍然陷落在界面態(tài)中，并與來自P型體區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生電荷泵電流，由電流計測得溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的電荷泵電流，由此得到出輔助5端口器件溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的界面態(tài)，所測得的輔助5端口器件溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的界面態(tài)即為目標(biāo)器件溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的界面態(tài)。

一種用于橫向絕緣柵雙極型晶體管界面態(tài)的測試方法的5端口器件，包括：P型襯底，所述P型襯底上設(shè)有埋氧化層，在埋氧化層上設(shè)有N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)內(nèi)設(shè)有P型體區(qū)和N型緩沖區(qū)，在N型緩沖區(qū)的內(nèi)部設(shè)有陽極P⁺區(qū)，在P型體區(qū)內(nèi)設(shè)有陰極P⁺區(qū)和陰極N⁺區(qū)且并排處于P型體區(qū)的上部，在N型漂移區(qū)的表面設(shè)有柵氧化層和場氧化層，且柵氧化層的一端和場氧化層的一端相抵，所述柵氧化層的另一端向陰極N⁺區(qū)延伸并止于陰極N⁺區(qū)的邊界，所述場氧化層的另一端向陽極P⁺區(qū)延伸并止于所述陽極P⁺區(qū)的邊界，在柵氧化層的表面設(shè)有多晶硅柵且所述多晶硅柵延伸至場氧化層的上表面，場氧化層的右上表面有多晶硅，在場氧化層、陰極P⁺區(qū)、陰極N⁺區(qū)、多晶硅柵、陽極P⁺區(qū)的表面設(shè)有鈍化層，在陽極P⁺區(qū)和多晶硅的表面連接有金屬化陽極，在陰極N⁺區(qū)的表面連接有金屬化陰極，在陰極P⁺區(qū)的表面連接有體區(qū)金屬接觸，在多晶硅柵表面連接有柵電極，其特征在于，還包括一個電荷泵電子提供區(qū)和一個電荷泵專用測試電極，所述電荷泵電子提供區(qū)和陽極P⁺區(qū)并排處于N型緩沖區(qū)的上部，且所述電荷泵電子提供區(qū)與電荷泵專用測試電極相連，陰極N⁺區(qū)與電荷泵電子提供區(qū)短接，在陰極N⁺區(qū)與電荷泵電子提供區(qū)之間連接有用于提供反向偏置電壓的電源，所述電荷泵電子提供區(qū)寬度為1μm-3μm，且摻雜濃度高于N型緩沖區(qū)的摻雜濃度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明方法與現(xiàn)有電荷泵測試方法相比，可簡單快速測出SOI-LIGBT器件內(nèi)部各區(qū)域界面態(tài)損傷，解決傳統(tǒng)SOI-LIGBT器件進行CP實驗時無法測得多晶硅柵場板及場板末端界面態(tài)的問題。當(dāng)測量多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的界面態(tài)數(shù)量時，在柵電極上加脈沖電壓，使場板下方N型漂移區(qū)3在積累狀態(tài)與反型狀態(tài)之間切換。若此時溝道區(qū)無法開啟，陰極N⁺區(qū)6不能為多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)提供電子，電荷泵測試所需電子由電荷泵電子提供區(qū)17提供。當(dāng)N型漂移區(qū)3處于積累狀態(tài)，電子將從電荷泵電子區(qū)17流經(jīng)N型緩沖區(qū)14和N型漂移區(qū)3流入到多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)，其中一部分會被該處界面態(tài)俘獲；當(dāng)N型漂移區(qū)3處于反型狀態(tài)，多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的可動電子由于反偏電壓的作用又漂回到電荷泵電子提供區(qū)17，但陷落在界面態(tài)中的一部分電子由于具有較長的退陷阱時間常數(shù)仍然陷落在界面態(tài)中，最后與來自P型體區(qū)4的空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生了復(fù)合電流，即電荷泵電流。因此，本發(fā)明可以通過電荷泵實驗顯示出多晶硅柵場板區(qū)和場板末端的界面態(tài)，研究器件內(nèi)部各區(qū)域界面損傷，明確器件熱載流子退化機理。本方法測得完整的CP電流如圖7所示，而圖6所示為傳統(tǒng)方法測得的不完整CP電流曲線。

(2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)與圖4所示的傳統(tǒng)的SOI-LIGBT結(jié)構(gòu)的器件相比，不會改變器件的電學(xué)參數(shù)和退化機理，可用于輔助分析器件退化機制。如圖8所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，擊穿電壓基本不變。如圖9所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，輸出特性基本不變。

(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)將電荷泵電子提供區(qū)17放置在N型緩沖區(qū)4內(nèi)，與將電荷泵電子提供區(qū)17放置在N型漂移區(qū)3相比，器件具有更低的關(guān)態(tài)泄漏電流和更寬的開態(tài)安全工作區(qū)。

(4)本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)的制造工藝與傳統(tǒng)SOI-LIGBT制造工藝相兼容，不增加工藝難度和光刻版次，節(jié)約成本，具有很強的可實施性。

附圖說明

圖1是電荷泵測試方法流程圖。

圖2是電荷泵測試原理圖。

圖3是SOI-LIGBT界面態(tài)的電荷泵測試接線圖。

圖4是傳統(tǒng)的SOI-LIGBT器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明提供的可進行電荷泵實驗的5端口SOI-LIGBT器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是傳統(tǒng)SOI-LIGBT器件CP測試結(jié)果圖。

圖7是本發(fā)明結(jié)構(gòu)器件和傳統(tǒng)SOI-LIGBT器件的CP測試結(jié)果比較圖。

圖8是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與傳統(tǒng)SOI-LIGBT結(jié)構(gòu)的器件關(guān)態(tài)擊穿特性測試結(jié)果的比較圖。

圖9是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與傳統(tǒng)SOI-LIGBT結(jié)構(gòu)的器件的I-V測試結(jié)果的比較圖。

具體實施方式

一種橫向絕緣柵雙極型晶體管界面態(tài)的測試方法，包括溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)電荷泵電流的測試，其特征為，還包括多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)電荷泵電流的測試，所述多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)電荷泵電流的測試采用以下方法：

先在同一晶圓上目標(biāo)器件旁邊制造5端口器件，所述輔助5端口器件是在傳統(tǒng)橫向絕緣柵雙極型晶體管的N型緩沖區(qū)14內(nèi)設(shè)置電荷泵電子提供區(qū)17；再進行系統(tǒng)搭建，電荷泵實驗中界面態(tài)數(shù)量的測試我們采用的儀器是半導(dǎo)體測試儀Keithley4200，從Keithley4200中引出三根引線，一根為陰極N⁺區(qū)6與電荷泵電子提供區(qū)17提供反向偏置電壓(輔助5端口器件陰極N⁺區(qū)6與電荷泵電子提供區(qū)17短接，共用一根導(dǎo)線)，一根接P型體區(qū)4，另外一根為柵電極19提供加載電壓，加載電壓為一電壓頻率和幅度固定，基準(zhǔn)電壓變化，幅值大于平帶電壓和閾值電壓壓差的脈沖電壓，器件各部分平帶電壓與閾值電壓通過器件仿真得到，本實驗中，設(shè)置基準(zhǔn)電壓從-20V變化到5V，步長為0.1V，設(shè)置電壓幅度為8V，電壓頻率為1MHz，上升沿及下降沿均為10^-7s，占空比為50％；將電荷泵電流引入Keithley4200的內(nèi)置電流表，然后在Keithley4200測試界面設(shè)置測試條件，包括加載電壓脈沖幅度、脈沖頻率、占空比以及測試模式，進行測試后通過Keithley4200測得電荷泵電流，記錄實驗數(shù)據(jù)。進行多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)電荷泵電流的測試時，在柵電極19上加載脈沖電壓，使場板下方N型漂移區(qū)3在積累狀態(tài)與反型狀態(tài)之間切換，當(dāng)N型漂移區(qū)3處于積累狀態(tài)，若此時溝道開啟，陰極N⁺區(qū)6中的電子將通過溝道流入到多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)，電荷泵電子提供區(qū)17中的電子將流經(jīng)N型緩沖區(qū)14和N型漂移區(qū)3流入到多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)，若此時溝道區(qū)無法開啟，則電荷泵電子提供區(qū)17單獨為多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的電荷泵測試提供所需電子，兩種情況下均有一部分電子會被多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)界面態(tài)俘獲；當(dāng)N型漂移區(qū)3處于反型狀態(tài)，若此時溝道為開啟狀態(tài)，多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的可動電子在反偏電壓的作用下漂回到陰極N⁺區(qū)6和電荷泵電子提供區(qū)17，若此時溝道為關(guān)閉狀態(tài)，則多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)的可動電子在反偏電壓的作用下漂回到電荷泵電子提供區(qū)17，隨后，陷落在多晶硅柵場板區(qū)及場板末端區(qū)界面態(tài)中的電子將與來自P型體區(qū)4的空穴復(fù)合，產(chǎn)生電荷泵電流，由此得到輔助5端口器件多晶硅柵場板區(qū)和場板末端區(qū)的界面態(tài)，所測得的輔助5端口器件多晶硅柵場板區(qū)和場板末端區(qū)的界面態(tài)即為目標(biāo)器件多晶硅柵場板區(qū)和場板末端區(qū)的界面態(tài)。

溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)電荷泵電流的測試采用以下方法：給柵電極加一變化的脈沖電壓，當(dāng)脈沖電壓變化到使溝道區(qū)在反型狀態(tài)和積累狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，在該脈沖電壓的上升階段，溝道表面被耗盡而逐漸進入反型狀態(tài)，電子將從陰極N⁺區(qū)6和電荷泵電子區(qū)17流進溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)，其中一部分會被界面態(tài)俘獲；在該脈沖電壓的下降階段，器件返回積累狀態(tài)時，溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)中的可動電子在反偏電壓的作用下漂回到陰極N⁺區(qū)6和電荷泵電子區(qū)17，剩余電子在溝道消失之后仍然陷落在界面態(tài)中，并與來自P型體區(qū)4的空穴復(fù)合，產(chǎn)生電荷泵電流，由電流計測得溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的電荷泵電流，由此得到出輔助5端口器件溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的界面態(tài)，所測得的輔助5端口器件溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的界面態(tài)即為目標(biāo)器件溝道區(qū)和鳥嘴區(qū)的界面態(tài)。

一種用于橫向絕緣柵雙極型晶體管界面態(tài)的測試方法的5端口器件，包括：P型襯底1，所述P型襯底1上設(shè)有埋氧化層2，在埋氧化層2上設(shè)有N型漂移區(qū)3，在N型漂移區(qū)3內(nèi)設(shè)有P型體區(qū)4和N型緩沖區(qū)14，在N型緩沖區(qū)14的內(nèi)部設(shè)有陽極P⁺區(qū)15，在P型體區(qū)4內(nèi)設(shè)有陰極P⁺區(qū)5和陰極N⁺區(qū)6且并排處于P型體區(qū)4的上部，在N型漂移區(qū)3的表面設(shè)有柵氧化層9和場氧化層12，且柵氧化層9的一端和場氧化層12的一端相抵，所述柵氧化層9的另一端向陰極N⁺區(qū)6延伸并止于陰極N⁺區(qū)6的邊界，所述場氧化層12的另一端向陽極P⁺區(qū)15延伸并止于所述陽極P⁺區(qū)15的邊界，在柵氧化層9的表面設(shè)有多晶硅柵10且所述多晶硅柵10延伸至場氧化層12的上表面，場氧化層12的右上表面有多晶硅13，在場氧化層12、陰極P⁺區(qū)5、陰極N⁺區(qū)6、多晶硅柵10、陽極P⁺區(qū)15的表面設(shè)有鈍化層11，在陽極P⁺區(qū)15和多晶硅13的表面連接有金屬化陽極16，在陰極N⁺區(qū)6的表面連接有金屬化陰極8，在陰極P⁺區(qū)5的表面連接有體區(qū)金屬接觸7，在多晶硅柵表面連接有柵電極19，其特征在于，還包括一個電荷泵電子提供區(qū)17和一個電荷泵專用測試電極18，所述電荷泵電子提供區(qū)17和陽極P⁺區(qū)15并排處于N型緩沖區(qū)14的上部，且所述電荷泵電子提供區(qū)17與電荷泵專用測試電極18相連，陰極N⁺區(qū)6與電荷泵電子提供區(qū)17短接，在陰極N⁺區(qū)6與電荷泵電子提供區(qū)17之間連接有用于提供反向偏置電壓的電源。

所述電荷泵電子提供區(qū)17寬度為1μm-3μm，且摻雜濃度高于N型緩沖區(qū)14的摻雜濃度。