一种半导体器件微区结构损伤无损表征的方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体器件微区结构损伤无损表征的方法，对待测器件施加一定电学偏置条件，利用测试仪器分别采集被测器件应力作用前后漏电流随时间变化的瞬态曲线，利用贝叶斯迭代的时间常数提取方法从瞬态曲线中提取器件损伤位置的时间常数，结合峰值谱时间常数提取技术将器件损伤位置的时间常数以峰值谱的形式呈现出来，并在此基础上利用幅值谱技术进行谱值化表征，将应力作用下器件内部不可见的微区结构损伤的演化过程转变为可视化的谱线移动，实现器件微区结构损伤的精准定位、损伤程度和演化过程的谱值化量化表征。伤程度和演化过程的谱值化量化表征。伤程度和演化过程的谱值化量化表征。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体器件微区结构损伤无损表征的方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件测试表征领域，主要应用于半导体器件微区结构损伤无损表征。

技术介绍

[0002]宽禁带半导体器件，具有高击穿电压、高输出功率和高可靠性等优良特性，在高频大功率领域显示出优异的性能。然而受器件异质结构和材料生长条件的影响，器件在高温、动态强场、电应力作用下，器件有源区极易诱发陷阱，然而陷阱问题的存在限制了其性能的进一步提高和广泛应用，因此了解器件微区结构损伤位置、损伤程度、损伤演化过程及规律，是有效分析微区结构损伤机理和进行器件可靠设计的前提，亟需开展半导体器件微区结构损伤无损表征技术研究，实现半导体器件微区结构损伤的非破坏性测量、精准定位和演化过程量化表征。

技术实现思路

[0003]本专利技术的技术目的在于，基于漏极瞬态电流变化与半导体器件微区结构损伤之间的关系，提出了一种半导体器件微区结构损伤无损表征方法，该方法贝叶斯迭代反卷积的时间常数提取技术，分析时间常数和峰值谱变化，实现半导体器件微区结构损伤无损表征、精准定位和演化过程量化表征。
[0004]半导体器件损伤带来的缺陷捕获和释放电子过程直接影响其电流变化。漏
‑
源电极之间电流瞬态变化与器件微区损伤之间存在映射关系。基于该映射关系，通过采集器件损伤前后的漏极电流瞬态变化曲线，利用贝叶斯迭代反卷积时间常数提取方法电流瞬态曲线时间常数提取，并在此基础上通过对时间常数谱进行积分，获取不同位置发生损伤对漏极电流变化的贡献，并以谱线的形式表现出来。通过分析损伤前后漏极瞬态曲线，将器件内部不可见的微区结构损伤的演化过程转变为可视化的谱线移动，实现器件微区结构损伤的精准定位、损伤程度和演化过程的谱值化量化表征。
[0005]本专利技术采用的技术方案为一种半导体器件微区结构损伤无损表征的方法，可将应力作用对器件的损伤程度与器件损伤前进行对比，精准表征器件损伤程度及损伤位置的变化情况。
[0006]S1搭建一瞬态电流测试系统，如图2所示，采集应力(高温、高压等)作用前后器件漏电流的瞬态变化曲线。电流测试系统的精度可达毫秒量级，测量瞬态电流响应中需要在测量过程前对器件损伤部位先施加一个陷阱填充阶段，在填充阶段施加较大的电应力，使器件损伤部位即陷阱被充分填充，然后迅速切换至小的测量偏置下(测量阶段)，监控电子从陷阱中释放的过程，即可采集到漏电流I
DS
随时间的变化曲线。选择一被测器件，将被测器件放置温度为T0的恒温平台，对器件施加上述说明中的电学偏置条件，以采集漏电流I
DS
随时间的变化曲线。
[0007]S2在采集到瞬态漏极电流响应后，为了提取到器件损伤位置(陷阱)的核心信息，
对瞬态漏极电流响应曲线进一步处理，得到陷阱的时间常数谱，基于贝叶斯反卷积的时间常数提取方法经过多次迭代计算可将曲线幅值变化较平缓区域即峰值被强信号的峰值湮没而难以识别的区域或高度重叠峰值区域等极其不易分辨区域精准区分开，并且能有效地凸显出器件损伤位置(陷阱)的时间常数峰值。
[0008]陷阱信息以e指数变化形式存在于瞬态电流响应中，如式(1)所示
[0009][0010]τ
i
为第i个陷阱的时间常数，ΔI
i
为其影响电流变化的幅值。时间常数谱主要用来提取陷阱的特征时间常数τ
i
，并以峰值谱的形式展示出来，其峰值的横坐标即为陷阱时间常数。
[0011]首先，引入对数时间变量：
[0012]z＝lnt
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]然后，陷阱的时间常数谱如下式：
[0014][0015]ΔI(z)即为时间常数谱，则瞬态电流I
ds
(t)被描述为：
[0016][0017]与式(1)相比较，(4)是沟道瞬态电流的积分形式。结合式(2)，瞬态电流被转换为：
[0018][0019]这是ΔI(τ)的卷积型积分方程。在式(3.5)的两侧对z进行微分的结果为：
[0020][0021]定义函数W(z)如下：
[0022]W(z)＝exp(z
‑
exp(z))
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0023]则的表达式为：
[0024][0025]为卷积运算符，则时间常数谱ΔI(z)为：
[0026][0027]至此，时间常数谱可以由贝叶斯反卷积求解得到。所有的器件损伤位置(陷阱)时间常数以峰值谱的形式呈现出来，峰值谱包络线围成的面积与漏源电流的变化量相对应，时间常数谱峰值对应横坐标为器件损伤位置(陷阱)的时间常数，纵坐标为器件损伤位置(陷阱)引起漏源电流的相对变化量。
[0028]S3根据峰值和漏极电流总的变化量，累加时间常数谱的y值，使每个时间点对应的y值等于前面所有时间点(包括该时间点)y值的累加值，即令再将x轴数值与y轴数值互换得到积分幅值谱。
[0029]S4对积分幅值谱一阶求导得到微分幅值谱。微分幅值谱中峰值之间的差值即为陷
阱的绝对作用强度，即全部作用强度之和等于总的瞬态电流响应的变化。可以更直观精确的表征器件微区结构损伤的位置及损伤程度。此外，微分幅值谱的峰值纵坐标代表着该类型陷阱的“独立程度”，即这类陷阱的时间常数与其他陷阱的远近。
[0030]全部表征过程如图1所示，表征过程包括：瞬态漏极电流采集与修正、时间常数提取、峰值谱表征、幅值谱表征。
附图说明
[0031]图1器件微区结构损伤表征过程示意图。
[0032]图2器件瞬态电流测试系统。
[0033]图3瞬态漏电流测量系统硬件架构和电学偏置时序图。
[0034]图4应力引起器件微区结构损伤的谱值化表征方法示意图。
具体实施方式
[0035]以下结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。
[0036]以GaN HEMT为例，将器件放置在温度为T0的恒温平台，采集漏电流IDS随时间的变化曲线。器件损伤位置(陷阱)释放电子(detrapping)过程漏电流瞬态响应表征：填充阶段，在漏极接入直流电压，电压为V0，源极接地，栅极接反向偏电压V1，填充时间为T1；测量阶段，对填充完的被测器件立即施加一个小的激励信号，即栅极电压为0V，源极接入小电压V2，使器件填充阶段俘获的电子能够被充分释放，测试时间为T2。由于示例中所使用的GaN HEMT为耗尽型器件，若栅极漏极皆处于正偏状态，漏电流超过允许的最大沟道电流时器件极易损坏。因此需要单独的两路时序脉冲分别控制栅极和漏极的工作状态。GaN HEMT瞬态漏电流测量系统硬件架构和电学偏置时序图如图3所示。将这一器件施加一定应力(如电应力、高温应力等)条件后，将应力作用后的器件放置温度为T0的恒温平台，施加与应力作用前相同的电学偏置条件，再次测试器件漏电流随时间变化的瞬态曲线，应力作用前后漏电流随时间变化的瞬态曲线如图4(a)所示。
[0037]在采集到被测器件损伤前后瞬态漏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件微区结构损伤无损表征的方法，其特征在于，该方法基于贝叶斯迭代反卷积的时间常数提取技术，分析时间常数和峰值谱变化，实现半导体器件微区结构损伤无损表征、精准定位和演化过程量化表征；漏
‑
源电极之间电流瞬态变化与器件微区损伤之间存在映射关系；基于该映射关系，通过采集器件损伤前后的漏极电流瞬态变化曲线，利用贝叶斯迭代反卷积时间常数提取方法电流瞬态曲线时间常数提取，并在此基础上通过对时间常数谱进行积分，获取不同位置发生损伤对漏极电流变化的贡献，并以谱线的形式表现出来；通过分析损伤前后漏极瞬态曲线，将器件内部不可见的微区结构损伤的演化过程转变为可视化的谱线移动，实现器件微区结构损伤的精准定位、损伤程度和演化过程的谱值化量化表征。2.根据权利要求1所述的一种半导体器件微区结构损伤无损表征的方法，其特征在于，S1搭建一瞬态电流测试系统，采集应力作用前后器件漏电流的瞬态变化曲线；电流测试系统的精度达毫秒量级，测量瞬态电流响应中需要在测量过程前对器件损伤部位先施加一个陷阱填充阶段，在填充阶段施加较大的电应力，使器件损伤部位即陷阱被充分填充，然后切换至小的测量偏置下，监控电子从陷阱中释放的过程，即可采集到漏电流IDS随时间的变化曲线；选择一被测器件，将被测器件放置温度为T0的恒温平台，对器件施加电学偏置条件，以采集漏电流IDS随时间的变化曲线；S2在采集到瞬态漏极电流响应后，对瞬态漏极电流响应曲线处理，得到陷阱的时间常数谱，基于贝叶斯反卷积的时间常数提取方法经过多次迭代计算将曲线幅值变化较平缓区域精准区分开，并且能凸显出器件损伤位置的时间常数峰值；陷阱信息以e指数变化形式存在于瞬态电流响应中，如式(1)所示τ
i
为第i个陷阱的时间常数，ΔI...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚民，温茜，孟宪伟，冯士维，彭飞，杨洁，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：