氟注入增强型HEMT器件中离化氟离子位置的测量方法与流程

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种离化氟离子位置的测量方法，可用于增强型hemt器件的工艺优化与分析表征。

背景技术：

以gan、gaas为代表的材料为基础，其与algan、ingan、等材料形成异质结构，在异质结构界面处通常存在高密度、高迁移率的电子，尤其适合制备高频率、大功率电子器件。这种器件在没加任何外界电压偏置的时候，沟道处于导通状态，被称为耗尽型hemt器件。在实际的使用中，考虑到降低静态功耗、实现高速逻辑电路等需要，往往还需要增强型hemt器件，也即无外界偏压下，器件的沟道处于关断状态。

目前，实现增强型hemt器件的方法有多种，其中氟f注入方法是一种重要的方法。其原理是，将f离子按照设计要求通过半导体工艺注入到栅极下方的势垒层内，强负电性的f离子会对栅极下方沟道中的电子产生耗尽作用，从而实现增强型hemt器件。此方法具有制作工艺简单，可重复性好，损伤小，与常规耗尽型hemt器件的制作工艺兼容等优点，因此成为增强型hemt器件领域的重点研究对象。然而，在长期高温高压工作条件下，f注入增强型hemt器件会出现性能退化。对于器件退化的原因，一种看法是势垒层内的f离子在高电场作用下出现离化，也即f离子失去电子变为电中性，对器件沟道的耗尽能力减弱，因此使得器件阈值电压等性能退化。然而，到目前为止，并没有一种有效的方法能验证f离子的离化，以及离化过程中f离子位置的变化过程。

随着第三代半导体技术的发展，人们对增强型hemt器件的需求越来越迫切，而势垒层内f离子的稳定性对于器件的性能影响越来越大。因此，急需一种简单高效的方法对应力过程中f离子的离化及其位置的变化进行准确的表征，便于实现对器件性能的评估。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对f注入增强型hemt器件在实际应用中的需求，提出一种氟注入增强型hemt器件中离化氟离子位置的测量方法，以对f离子的离化及其位置的变化进行准确的表征，便于实现对器件性能的评估。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)选取f注入增强型hemt器件，测量其转移特性曲线，得到器件的阈值电压vth(0)；

(2)计算器件势垒层内离化f离子的电量：

(2a)在t0～t1，t1～t2，…，tk-1～tk…，tn-1～tn时间段内对选取的器件在栅极施加反向应力，同时监测并统计该器件的源漏电流ids(t)和栅极电流ig(t)，其中n为施加应力时间段的次数，k为测量序号，k＝1，2，3，…，n；

(2b)根据电流和电荷量的关系，得到在tk-1～tk时间段内器件势垒层内离化f离子的电量δqk：

(3)导出离化f离子空间位置的计算公式：

(3a)在预设的时间节点t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn停止施加应力，测量器件的转移特性曲线，得到器件在t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn时刻对应的阈值电压：vth(1)，vth(2)，…，vth(k-1)，vth(k)，…，vth(n)，其中vth(k-1)为tk-1时刻对应的阈值电压，vth(k)为tk时刻对应的阈值电压；

(3b)根据半导体物理理论，得到tk-1～tk时间段内器件势垒层内离化f离子的电量δqk满足如下关系式：

其中，c0为栅极电容值，d0为势垒层的厚度，dk为tk-1～tk时间内势垒层内离化f离子距离栅极的等效位置；

(3c)根据hemt器件的栅极电容为平行板电容的结构特性，得到栅极电容值c0的计算公式如下：

其中，ε为电介质常数，s为栅极的面积；

(3d)联立(3b)和(3c)在tk-1～tk时间内器件势垒层内离化f离子的电量δqk：

(3e)联立(2b)和(3d)中的计算表达式，得到f注入增强型hemt器件在tk-1～tk时间内势垒层内离化f离子距离栅极等效位置dk：

本发明具有以下优点：

本发明由于仅需测量施加应力过程中器件的源漏电流和栅极电流，以及施加应力前后的器件的阈值电压，结合数学公式计算，即可获得f注入增强型hemt器件势垒层内离化f离子的等效位置，因而测量方法简单可靠，测试结果准确，有利于提高后续对器件性能评估的准确性。

附图说明

图1是本发明实现流程图；

图2是本发明测试hemt器件转移特性曲线的电路示意图；

图3是本发明对hemt器件栅极施加反向应力的电路示意图；

图4是本发明获得应力过程中hemt器件离化f离子空间的位置变化示意图；

图5是现有hemt器件的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图5，现有的f注入增强型hemt器件的结构从下到上依次为衬底、成核层、缓冲层、插入层、势垒层，其势垒层内存在f离子。势垒层上设有电极，从左到右依次为源极、栅极和漏极。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，测量选取器件的阈值电压。

1a)选取f注入增强型hemt器件，连接测量hemt器件转移特性曲线的电路，

参照图2，其连接方式为：器件的源极接地，漏极依次连接恒定电压源和电流表，电流表的另一端接地，其电流表示数为漏极输出电流；栅极连接可控电压源，可控电压源另一端接地；

1b)通过可控电压源改变栅极的电压得到不同栅压下hemt器件的漏极输出电流，绘制hemt器件的转移特性曲线，其中，转移特性曲线的横坐标为栅极电压，纵坐标为漏极电流；

1c)在hemt器件的转移特性曲线变化率最大的点处做切线，切线与横坐标的交点处的栅极电压值为阈值电压，记初始t0＝0时刻对应的阈值电压为vth(0)。

步骤2，计算离化f离子的电量。

2a)连接在栅极施加反向应力的电路：

参照图3，其连接方式为：hemt器件的源极的一端与漏极连接，另一端与第一电流表连接，该第一电流表的另一端接地，其电流表示数为源漏电流ids(t)；hemt器件的栅极依次与电压源和第二电流表连接，该第二电流表的另一端接地，其电流表示数为栅极电流ig(t)；

利用hemt器件的源极与漏极相连能保持器件沟道电势一致的特性，再利用电压源对栅极施加的反向偏置电压，使栅极电势低于器件沟道的电势，产生由器件沟道指向栅极的高电场，即为在栅极施加反向应力；

2b)在t0～t1，t1～t2，…，tk-1～tk…，tn-1～tn时间段内对选取的器件在栅极施加反向应力，同时监测并统计该器件的源漏电流ids(t)和栅极电流ig(t)，其中n为施加应力时间段的次数，k为测量序号，k＝1，2，3，…，n，选取的时间点满足tn＞tn-1＞…＞t3＞t2＞t1＞t0＝0；

2c)对器件栅极施加反向应力，在势垒层内产生由器件沟道指向栅极的高电场e，在电场的作用下，使得势垒层内的f离子发生离化失去带负电的电子e，电子在电场的作用下向器件沟道区移动并进入沟道，导致源漏电流ids(t)和栅极电流ids(t)不再相等，两者的差值是f离子离化失去的电子形成的电流，根据电流和电荷量之间的关系，计算在tk-1～tk时间段内器件势垒层内离化f离子的电量δqk：

步骤3，导出离化f离子空间位置的计算公式。

3a)在预设时间节点t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn停止施加反向应力。然后根据步骤1中测量阈值电压的方法，得到器件在t1，t2，…，tk-1，tk，…，tn时刻对应的阈值电压：vth(1)，vth(2)，…，vth(k-1)，vth(k)，…，vth(n)，其中vth(k-1)为tk-1时刻对应的阈值电压，vth(k)为tk时刻对应的阈值电压，k＝1，2，3，…，n；

3b)根据半导体物理理论，得到tk-1～tk时间段内器件势垒层内离化f离子的电量δqk满足如下关系式：

其中，c0为栅极电容值，d0为势垒层的厚度，dk为tk-1～tk时间内势垒层内离化f离子距离栅极等效位置；

3c)根据hemt器件的栅极电容为平行板电容的结构特性，得到栅极电容值c0的计算公式如下：

其中，ε为电介质常数，s为栅极的面积；

3d)联立(3b)和(3c)在tk-1～tk时间内器件势垒层内离化f离子的电量δqk：

3e)联立(2b)和(3d)中的计算表达式，得到f注入增强型hemt器件在tk-1～tk时间内势垒层内离化f离子距离栅极等效位置dk：

步骤4，根据公式计算器件离化f离子的空间位置。

根据步骤3e)，依次求得各时段器件势垒层内离化f离子距离栅极的等效位置：

d1，d2，d3，…，dk，...，dn，

其中，d1为t0-t1时间内器件势垒层内离化f离子距离栅极的等效位置，d2为t1～t2时间内器件势垒层内离化的f离子距离栅极的等效位置，d3为t2～t3时间内器件势垒层内离化f离子距离栅极的等效位置，…，dk为tk-1～tk时间内器件势垒层内离化f离子距离栅极的等效位置，…，dn为tn-1～tn时间内器件势垒层内离化f离子的距离栅极等效位置，计算结果如图4所示。

在保证测量精度的前提下，时间间隔越小，获得的离化f离子空间位置越准确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容和原理后，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，例如，本发明也可用于研究势垒层中的氧等其它离子的离化以及陷阱的退陷等，均应包含在本发明的保护范围之内。