本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種離化氟離子位置的測(cè)量方法，可用于增強(qiáng)型hemt器件的工藝優(yōu)化與分析表征。

背景技術(shù)：

以gan、gaas為代表的材料為基礎(chǔ)，其與algan、ingan、等材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處通常存在高密度、高遷移率的電子，尤其適合制備高頻率、大功率電子器件。這種器件在沒加任何外界電壓偏置的時(shí)候，溝道處于導(dǎo)通狀態(tài)，被稱為耗盡型hemt器件。在實(shí)際的使用中，考慮到降低靜態(tài)功耗、實(shí)現(xiàn)高速邏輯電路等需要，往往還需要增強(qiáng)型hemt器件，也即無(wú)外界偏壓下，器件的溝道處于關(guān)斷狀態(tài)。

目前，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型hemt器件的方法有多種，其中氟f注入方法是一種重要的方法。其原理是，將f離子按照設(shè)計(jì)要求通過(guò)半導(dǎo)體工藝注入到柵極下方的勢(shì)壘層內(nèi)，強(qiáng)負(fù)電性的f離子會(huì)對(duì)柵極下方溝道中的電子產(chǎn)生耗盡作用，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型hemt器件。此方法具有制作工藝簡(jiǎn)單，可重復(fù)性好，損傷小，與常規(guī)耗盡型hemt器件的制作工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，因此成為增強(qiáng)型hemt器件領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。然而，在長(zhǎng)期高溫高壓工作條件下，f注入增強(qiáng)型hemt器件會(huì)出現(xiàn)性能退化。對(duì)于器件退化的原因，一種看法是勢(shì)壘層內(nèi)的f離子在高電場(chǎng)作用下出現(xiàn)離化，也即f離子失去電子變?yōu)殡娭行?，?duì)器件溝道的耗盡能力減弱，因此使得器件閾值電壓等性能退化。然而，到目前為止，并沒有一種有效的方法能驗(yàn)證f離子的離化，以及離化過(guò)程中f離子位置的變化過(guò)程。

隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)增強(qiáng)型hemt器件的需求越來(lái)越迫切，而勢(shì)壘層內(nèi)f離子的穩(wěn)定性對(duì)于器件的性能影響越來(lái)越大。因此，急需一種簡(jiǎn)單高效的方法對(duì)應(yīng)力過(guò)程中f離子的離化及其位置的變化進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)器件性能的評(píng)估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)f注入增強(qiáng)型hemt器件在實(shí)際應(yīng)用中的需求，提出一種氟注入增強(qiáng)型hemt器件中離化氟離子位置的測(cè)量方法，以對(duì)f離子的離化及其位置的變化進(jìn)行準(zhǔn)確的表征，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)器件性能的評(píng)估。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：

(1)選取f注入增強(qiáng)型hemt器件，測(cè)量其轉(zhuǎn)移特性曲線，得到器件的閾值電壓vth(0)；

(2)計(jì)算器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的電量：

(2a)在t0～t1，t1～t2，…，tk-1～tk…，tn-1～tn時(shí)間段內(nèi)對(duì)選取的器件在柵極施加反向應(yīng)力，同時(shí)監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)該器件的源漏電流ids(t)和柵極電流ig(t)，其中n為施加應(yīng)力時(shí)間段的次數(shù)，k為測(cè)量序號(hào)，k＝1，2，3，…，n；

(2b)根據(jù)電流和電荷量的關(guān)系，得到在tk-1～tk時(shí)間段內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的電量δqk：

(3)導(dǎo)出離化f離子空間位置的計(jì)算公式：

(3a)在預(yù)設(shè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn停止施加應(yīng)力，測(cè)量器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，得到器件在t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閾值電壓：vth(1)，vth(2)，…，vth(k-1)，vth(k)，…，vth(n)，其中vth(k-1)為tk-1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閾值電壓，vth(k)為tk時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閾值電壓；

(3b)根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，得到tk-1～tk時(shí)間段內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的電量δqk滿足如下關(guān)系式：

其中，c0為柵極電容值，d0為勢(shì)壘層的厚度，dk為tk-1～tk時(shí)間內(nèi)勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極的等效位置；

(3c)根據(jù)hemt器件的柵極電容為平行板電容的結(jié)構(gòu)特性，得到柵極電容值c0的計(jì)算公式如下：

其中，ε為電介質(zhì)常數(shù)，s為柵極的面積；

(3d)聯(lián)立(3b)和(3c)在tk-1～tk時(shí)間內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的電量δqk：

(3e)聯(lián)立(2b)和(3d)中的計(jì)算表達(dá)式，得到f注入增強(qiáng)型hemt器件在tk-1～tk時(shí)間內(nèi)勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極等效位置dk：

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明由于僅需測(cè)量施加應(yīng)力過(guò)程中器件的源漏電流和柵極電流，以及施加應(yīng)力前后的器件的閾值電壓，結(jié)合數(shù)學(xué)公式計(jì)算，即可獲得f注入增強(qiáng)型hemt器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的等效位置，因而測(cè)量方法簡(jiǎn)單可靠，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，有利于提高后續(xù)對(duì)器件性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2是本發(fā)明測(cè)試hemt器件轉(zhuǎn)移特性曲線的電路示意圖；

圖3是本發(fā)明對(duì)hemt器件柵極施加反向應(yīng)力的電路示意圖；

圖4是本發(fā)明獲得應(yīng)力過(guò)程中hemt器件離化f離子空間的位置變化示意圖；

圖5是現(xiàn)有hemt器件的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

參照?qǐng)D5，現(xiàn)有的f注入增強(qiáng)型hemt器件的結(jié)構(gòu)從下到上依次為襯底、成核層、緩沖層、插入層、勢(shì)壘層，其勢(shì)壘層內(nèi)存在f離子。勢(shì)壘層上設(shè)有電極，從左到右依次為源極、柵極和漏極。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1，測(cè)量選取器件的閾值電壓。

1a)選取f注入增強(qiáng)型hemt器件，連接測(cè)量hemt器件轉(zhuǎn)移特性曲線的電路，

參照?qǐng)D2，其連接方式為：器件的源極接地，漏極依次連接恒定電壓源和電流表，電流表的另一端接地，其電流表示數(shù)為漏極輸出電流；柵極連接可控電壓源，可控電壓源另一端接地；

1b)通過(guò)可控電壓源改變柵極的電壓得到不同柵壓下hemt器件的漏極輸出電流，繪制hemt器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，其中，轉(zhuǎn)移特性曲線的橫坐標(biāo)為柵極電壓，縱坐標(biāo)為漏極電流；

1c)在hemt器件的轉(zhuǎn)移特性曲線變化率最大的點(diǎn)處做切線，切線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)處的柵極電壓值為閾值電壓，記初始t0＝0時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閾值電壓為vth(0)。

步驟2，計(jì)算離化f離子的電量。

2a)連接在柵極施加反向應(yīng)力的電路：

參照?qǐng)D3，其連接方式為：hemt器件的源極的一端與漏極連接，另一端與第一電流表連接，該第一電流表的另一端接地，其電流表示數(shù)為源漏電流ids(t)；hemt器件的柵極依次與電壓源和第二電流表連接，該第二電流表的另一端接地，其電流表示數(shù)為柵極電流ig(t)；

利用hemt器件的源極與漏極相連能保持器件溝道電勢(shì)一致的特性，再利用電壓源對(duì)柵極施加的反向偏置電壓，使柵極電勢(shì)低于器件溝道的電勢(shì)，產(chǎn)生由器件溝道指向柵極的高電場(chǎng)，即為在柵極施加反向應(yīng)力；

2b)在t0～t1，t1～t2，…，tk-1～tk…，tn-1～tn時(shí)間段內(nèi)對(duì)選取的器件在柵極施加反向應(yīng)力，同時(shí)監(jiān)測(cè)并統(tǒng)計(jì)該器件的源漏電流ids(t)和柵極電流ig(t)，其中n為施加應(yīng)力時(shí)間段的次數(shù)，k為測(cè)量序號(hào)，k＝1，2，3，…，n，選取的時(shí)間點(diǎn)滿足tn＞tn-1＞…＞t3＞t2＞t1＞t0＝0；

2c)對(duì)器件柵極施加反向應(yīng)力，在勢(shì)壘層內(nèi)產(chǎn)生由器件溝道指向柵極的高電場(chǎng)e，在電場(chǎng)的作用下，使得勢(shì)壘層內(nèi)的f離子發(fā)生離化失去帶負(fù)電的電子e，電子在電場(chǎng)的作用下向器件溝道區(qū)移動(dòng)并進(jìn)入溝道，導(dǎo)致源漏電流ids(t)和柵極電流ids(t)不再相等，兩者的差值是f離子離化失去的電子形成的電流，根據(jù)電流和電荷量之間的關(guān)系，計(jì)算在tk-1～tk時(shí)間段內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的電量δqk：

步驟3，導(dǎo)出離化f離子空間位置的計(jì)算公式。

3a)在預(yù)設(shè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn停止施加反向應(yīng)力。然后根據(jù)步驟1中測(cè)量閾值電壓的方法，得到器件在t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閾值電壓：vth(1)，vth(2)，…，vth(k-1)，vth(k)，…，vth(n)，其中vth(k-1)為tk-1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閾值電壓，vth(k)為tk時(shí)刻對(duì)應(yīng)的閾值電壓，k＝1，2，3，…，n；

3b)根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，得到tk-1～tk時(shí)間段內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的電量δqk滿足如下關(guān)系式：

其中，c0為柵極電容值，d0為勢(shì)壘層的厚度，dk為tk-1～tk時(shí)間內(nèi)勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極等效位置；

3c)根據(jù)hemt器件的柵極電容為平行板電容的結(jié)構(gòu)特性，得到柵極電容值c0的計(jì)算公式如下：

其中，ε為電介質(zhì)常數(shù)，s為柵極的面積；

3d)聯(lián)立(3b)和(3c)在tk-1～tk時(shí)間內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的電量δqk：

3e)聯(lián)立(2b)和(3d)中的計(jì)算表達(dá)式，得到f注入增強(qiáng)型hemt器件在tk-1～tk時(shí)間內(nèi)勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極等效位置dk：

步驟4，根據(jù)公式計(jì)算器件離化f離子的空間位置。

根據(jù)步驟3e)，依次求得各時(shí)段器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極的等效位置：

d1，d2，d3，…，dk，...，dn，

其中，d1為t0-t1時(shí)間內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極的等效位置，d2為t1～t2時(shí)間內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化的f離子距離柵極的等效位置，d3為t2～t3時(shí)間內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極的等效位置，…，dk為tk-1～tk時(shí)間內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子距離柵極的等效位置，…，dn為tn-1～tn時(shí)間內(nèi)器件勢(shì)壘層內(nèi)離化f離子的距離柵極等效位置，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

在保證測(cè)量精度的前提下，時(shí)間間隔越小，獲得的離化f離子空間位置越準(zhǔn)確。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解本發(fā)明的內(nèi)容和原理后，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，例如，本發(fā)明也可用于研究勢(shì)壘層中的氧等其它離子的離化以及陷阱的退陷等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。