一種判別背柵石墨烯場效應晶體管器件失效的方法技術

本發明專利技術公開一種判別背柵石墨烯場效應晶體管器件失效的方法，先在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加-4V~4V的柵壓，得到石墨烯場效應晶體管的轉移特性曲線，該轉移特性曲線表現為雙極性，則石墨烯場效應晶體管沒有失效；再將n型Si襯底和源極電極之間的柵壓從0V逐漸增加到10V，測試通過柵極的電流，最后在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電壓-4V~4V，得到晶體管的轉移特性曲線，表現為單向導電性，則石墨烯場效應晶體管失效；通過測試晶體管的轉移特性曲線即可判別出該器件是否已經發生擊穿，操作簡便。

【技術實現步驟摘要】
一種判別背柵石墨烯場效應晶體管器件失效的方法
本專利技術屬于半導體器件領域，涉及場效應晶體管器件，具體是一種判別背柵石墨烯場效應晶體管器件失效的方法。
技術介紹
凝聚態物理學家在2004年制備出石墨烯這種二維的碳原子材料，并研究了石墨烯樣品的電場效應，這種新型材料在電子器件領域得到了廣泛關注，目前已成功制造出石墨烯場效應晶體管。數字邏輯的發展關鍵在于制造出更小的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET），這種尺寸的縮放能使集成電路的復雜度每18個月提高一倍。目前，大批量生產的處理器包含二十億個柵極長度（簡稱柵長）僅為30nm的MOSFET。當普遍采用的硅材料尺寸小于10nm時，用它制造出的晶體管穩定性變差，10nm成為硅材料技術無法再發揮作用的小型化極限。與所有其他已知材料不同的是石墨烯高度穩定，可以被制成尺寸不到1個分子大小的單電子晶體管，而且晶體管的尺寸越小，其性能越好，可在室溫下工作；此外，硅基微計算機處理器在室溫條件下每秒鐘只能執行一定數量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產生的熱量也非常少，同時，石墨烯本身就是一個良好的導熱體，可以很快地散發熱量。然而器件的可靠性是一個問題，在MOS器件中，柵介質的漏電與柵介質質量關系極大，漏電增加到一定程度即構成擊穿。產生擊穿的原因一般有兩個，一是隨著超大規模集成電路器件尺寸等比例縮小，芯片面積不斷增大，相應地柵介質總面積也增大，存在缺陷的概率增加；二是柵介質厚度不斷縮小，現在已經到達數納米的程度，但是柵極電壓并未同比例減小，導致柵介質中電場強度增加。所以，在未來超大規模集成電路器件中，石墨烯場效應晶體管柵介質擊穿現象很容易發生，嚴重影響器件的性能，給集成電路的穩定性帶來很大危害。目前常用的判別場效應晶體管器件失效的方法是用萬用表測量場效應晶體管的源極與漏極、源極與柵極、柵極與漏極間的電阻值，而這種判別方法對微/納級別的石墨烯場效應晶體管并不太方便，也更繁瑣。因此一種能簡易直觀地判斷石墨烯場效應晶體管是否被擊穿的方法對于集成電路器件的制作至關重要。
技術實現思路
針對石墨烯場效應晶體管的擊穿機理，本專利技術提供一種判斷石墨烯場效應晶體管器件失效的方法，通過測試轉移特性曲線，能簡易快速地判斷柵介質層是否被擊穿。本專利技術采用的技術方案是：背柵石墨烯場效應晶體管是在n-Si襯底表面熱生長300nm厚的SiO2介質層、用反應離子刻蝕SiO2到10nm、轉移單層的石墨烯到SiO2介質層表面、光刻成形、濺射漏極電極和源極電極得到，先在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加-4V~4V的柵壓Vg，測試通過漏極的電流Isd，得到石墨烯場效應晶體管的Isd-Vg轉移特性曲線，該轉移特性曲線呈V形，表現為雙極性，則石墨烯場效應晶體管沒有失效；再將n型Si襯底和源極電極之間的柵壓Vg從0V逐漸增加到10V，測試通過柵極的電流Ig，得到石墨烯場效應晶體管的瞬時擊穿特性曲線；最后在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電壓-4V~4V，再次測試測試通過漏極的電流Isd，得到石墨烯場效應晶體管的Isd-Vg轉移特性曲線，該轉移特性曲線表現為單向導電性，則石墨烯場效應晶體管失效。本專利技術通過測試背柵石墨烯場效應晶體管的轉移特性曲線，根據是否表現出單向導電性，即可判別出該器件是否已經發生擊穿。本專利技術方法操作簡便，能簡易快捷地判別出石墨烯場效應晶體管器件是否失效，對于基于石墨烯場效應晶體管的超大規模集成電路器件的制作具有重要的意義。附圖說明圖1是石墨烯場效應晶體管擊穿后的結構示意圖；圖2是石墨烯場效應晶體管擊穿后的等效電路圖；圖3是石墨烯場效應晶體管擊穿過程特性曲線（Ig-Vg）；圖4是未發生擊穿的石墨烯場效應晶體管的轉移特性曲線（Isd-Vg）；圖5是擊穿后的石墨烯場效應晶體管的轉移特性曲線（Isd-Vg）；圖中：1—n型Si襯底；2—SiO2介質層；3—漏極電極；4—Si絲；5—石墨烯；6—源極電極。具體實施方式參見圖1，在n-Si襯底1表面熱生長300nm厚的SiO2介質層2，用反應離子刻蝕（RIE）技術刻蝕SiO2到10nm，轉移單層的石墨烯5到SiO2介質層2表面，光刻成形，濺射漏極電極3和源極電極6，制備柵氧為10nm厚的背柵石墨烯場效應晶體管。然后用Cascade半自動探針臺，在漏極電極3和源極電極6之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底1和源極電極6之間施加掃描電壓-4V~4V，即-4V~4V的柵壓Vg，測試通過漏極的電流Isd，得到石墨烯場效應晶體管的Isd-Vg轉移特性曲線，如圖4所示，呈“V”形。再用Cascade半自動探針臺掃描模式，將n型Si襯底1和源極電極6之間的電壓從0V逐漸增加到10V，測試通過柵極的電流Ig，10nmSiO2石墨烯場效應晶體管的瞬時擊穿特性曲線如圖3所示。當施加的柵壓Vg很小時，由于SiO2介質層2的絕緣作用，通過柵極的電流Ig幾乎為0，隨著柵壓增加到大于8V（電場>8MV/cm）時，SiO2介質層2內部出現Si絲4，形成導電通道，通過柵極的電流Ig陡然增大到10μA量級，即表明SiO2介質層2已經被擊穿，擊穿后的等效電路圖如圖2。當在n型Si襯底1和源極電極6之間的柵壓Vg從0V逐漸增加到10V的同時，可以在漏極電極3和源極電極6之間繼續施加500mV的電壓或者停止施加電壓，不影響測試效果。SiO2介質層2在強電場下擊穿的演變過程是：SiO2/Si界面處存在大量的Si-O應力鍵，這些應力鍵很弱，在高電場下很容易斷裂。擊穿發生的瞬間，界面附近會聚集大量的缺陷，形成滲透通道；當導電通道最終形成時，產生很大的局部電流，使得更多的缺陷參與導通。在熱破壞下，新的缺陷產生，形成更多的導電通道，最終導致失控；在此過程中，SiO2中靠近界面的最薄弱區域含有大量斷鍵缺陷，發生Si融化，氧釋放耗盡；n-Si襯底為液態硅的凝固提供核，液態硅凝固并在氧化硅中形成貫穿的n-Si絲，擊穿后的的結構如圖1所示。再次用Cascade半自動探針臺，在漏極電極3和源極電極6之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底1和源極電極6之間施加掃描電壓-4V~4V，再次測試測試通過漏極的電流Isd，得到石墨烯場效應晶體管的轉移特性曲線，如圖5所示，表現為單向導電性。石墨烯材料為零帶隙結構，表現出金屬性；而器件擊穿后形成的Si絲4是以n型Si襯底1為模板成核的，屬于半導體。石墨烯場效應晶體管擊穿后，柵介質（SiO2）不再表現為絕緣性，而且這種擊穿是不可逆的，當石墨烯薄片和n-Si絲接觸時就構成了金屬-半導體接觸。由于石墨烯暴露在空氣中，形成p-型摻雜。在外加電壓Vg的非平衡條件下，石墨烯-Si（金屬-半導體）界面允許態的電子能量有一個突變，這一能量變化使得電子從石墨烯到n-Si絲的轉移比相反方向的轉移困難，表現為單向導電性。石墨烯場效應晶體管柵氧擊穿后，石墨烯/n-Si絲界面形成類肖特基二極管，其等效電路圖如圖2所示，Cd和Cs是漏極和源極與襯底之間形成的寄生電容，Rd和Rs是石墨烯薄片與漏、源電極之間形成的接觸電阻。由于寄生電容Cd（Cs）具有通交流電壓、隔直流電壓的作用，當柵極電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種判別背柵石墨烯場效應晶體管器件失效的方法，背柵石墨烯場效應晶體管是在n?Si?襯底表面熱生長300?nm?厚的SiO2介質層、用反應離子刻蝕SiO2到10nm、轉移單層的石墨烯到SiO2介質層表面、光刻成形、濺射漏極電極和源極電極得到，其特征是：（1）在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加?4V~4V的柵壓Vg，測試通過漏極的電流Isd，得到石墨烯場效應晶體管的Isd?Vg轉移特性曲線，該轉移特性曲線呈V形，表現為雙極性，則石墨烯場效應晶體管沒有失效；（2）將n型Si襯底和源極電極之間的柵壓Vg從0?V逐漸增加到10?V，測試通過柵極的電流Ig，得到石墨烯場效應晶體管的瞬時擊穿特性曲線；（3）在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加掃描電壓?4V~4V，再次測試測試通過漏極的電流Isd，得到石墨烯場效應晶體管的Isd?Vg轉移特性曲線，該轉移特性曲線表現為單向導電性，則石墨烯場效應晶體管失效。

【技術特征摘要】
1.一種判別背柵石墨烯場效應晶體管器件失效的方法，背柵石墨烯場效應晶體管是在n型Si襯底表面熱生長300nm厚的SiO2介質層、用反應離子刻蝕SiO2介質層到10nm、轉移單層的石墨烯到SiO2介質層表面、光刻成形、濺射漏極電極和源極電極得到，其特征是：（1）在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和源極電極之間施加-4V~4V的柵壓Vg，測試通過漏極的電流Isd，得到石墨烯場效應晶體管的Isd-Vg轉移特性曲線，該轉移特性曲線呈V形，表現為雙極性，則石墨烯場效應晶體管沒有失效；（2）將n型Si襯底和源極電極之間的柵壓Vg從0V逐漸增加到10V，測試通過柵極的電流Ig，得到石墨烯場效應晶體管的瞬時擊穿特性曲線；（3）在漏極電極和源極電極之間施加500mV的電壓，在n型Si襯底和...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王權，劉帥，任乃飛，李允，劉小穎，王雯，俞斌，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32