一种自热效应检测结构的制作方法

本实用新型涉及一种自热效应检测结构，特别是涉及一种FinFET自热效应的检测结构。

背景技术：

在先进互补金属氧化物半导体(CMOS)产业中，随着22nm及更小尺寸的到来，为了改善短沟道效应并提高器件的性能，鳍式场效应晶体管(FinField-effecttransistor，FinFET)由于其独特的结构被广泛的采用。

如图1所示，常规平面结构的场效应晶体管包括：衬底1、氧化层2、及栅极3。而鳍式场效晶体管的结构通常是在绝缘体上硅基片上形成，包括狭窄而独立的硅条，作为垂直的沟道结构，也称为鳍。具体如图2所示，现有技术中的一种FinFET的结构包括：衬底1、氧化层2、鳍结构4及围绕在鳍结构4两侧及上方的栅极3。

在互补金属氧化物半导体技术中，晶体管消耗的有效功率主要转化为热量，并扩散到周围的环境中，这种现象已经被许多文献观察和研究。在互补金属氧化物半导体技术中，沟道区域会产生大量的热。如图1所示，在常规平面结构的CMOS中，这些热量5更容易沿着图示箭头方向横向扩散，所以散发到衬底1的热量很小。但是，如图2所示在FinFET结构中，由于横向绝缘，有更多的热量5沿着图示箭头方向扩散方向散发到衬底1，导致更高的局部温度。

目前，仿真表明，鳍结构和栅极的数量越多，自热效应越严重，而且，不同尺寸的晶体管的自热效应也是不同的。由于热电子发射发生在漏极，所以晶体管漏极端的自热效应比源极端更严重，漏极端产生的热量会通过鳍结构的底部扩散到其他的鳍结构或者衬底，导致相邻的鳍片的温度会上升，衬底温度也会上升。然而，目前还没有可靠的检测结构能更有效地监控FinFET器件的自热效应。

同时，在热载流子效应测试(HCI test)、负偏温度不稳定性测试(NBTI test)以及正偏温度不稳定性测试(PBTI test)中，自热效应都对测试结果产生很大的影响，因此，我们需要从热载流子效应测试(HCI test)、负偏温度不稳定性测试(NBTI test)和正偏温度不稳定性测试(PBTI test)结果中将器件的自热效应产生的热量分离出来。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种自热效应检测结构，用于解决现有技术中在热载流子效应测试(HCI test)、负偏温度不稳定性测试(NBTI test)以及正偏温度不稳定性测试(PBTI test)中，自热效应都对测试结果产生很大影响的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种自热效应检测结构，所述自热效应检测结构包括：第一导电类型掺杂的衬底；鳍结构，形成于所述衬底上；栅极，横跨所述鳍结构；第二导电类型掺杂的源区及漏区，形成于所述栅极两侧鳍结构中；插塞，形成于所述源区及漏区上；第一测试端，通过插塞连接于所述源区及漏区；第二测试端，连接于所述衬底。

优选地，所述源区及漏区分别与衬底构成PN结二极管。

优选地，所述PN结二极管为齐纳击穿的二极管或雪崩击穿的二极管。

优选地，所述第一测试端及所述第二测试端分别连接于所述PN结二极管的两个电极端。

优选地，所述第一测试端及所述第二测试端分别连接于每个所述PN结二极管的两个电极端，或者分别连接于多个所述PN结二极管的两个电极端。

优选地，所述第一测试端及所述第二测试端连接击穿电压测试设备。

优选地，所述插塞设置于栅极两侧各一个。

优选地，所述插塞距离栅极的距离是相同的。

优选地，所述第一导电类型掺杂为P型掺杂，所述第二导电类型掺杂为N型掺杂；或者所述第一导电类型掺杂为N型掺杂，所述第二导电类型掺杂为P型掺杂。

优选地，所述源区及漏区的材料为锗化硅或硅。

如上所述，本实用新型的自热效应检测结构，具有以下有益效果：

本实用新型通过测量二极管测试结构中不同二极管的击穿电压值，结合击穿电压值与温度之间的关系，得到FinFET器件在一定时间、一定区域中的温度变化情况，获得不同时间的自热效应对不同节点区域的影响，绘制FinFET器件的温度分布等值线图，进而有利于技术人员对自热效应的改善，而且通过对不同时间、不同位置的自热效应的监控，也有利于技术人员从热载流子效应测试(HCI test)、负偏温度不稳定性测试(NBTI test)和正偏温度不稳定性测试(PBTI test)结果中将器件的自热效应分离出来。

附图说明

图1显示为本实用新型的平面结构晶体管沟道区域热扩散示意图。

图2显示为本实用新型的FinFET结构沟道区域热扩散示意图。

图3显示为本实用新型的自热效应检测结构示意图。

图4显示为本实用新型的自热效应检测结构示意图。

图5显示为本实用新型的二极管的击穿电压值与温度之间的关系变化示意图。

元件标号说明

1 衬底 13 栅极

2 氧化层 14 插塞

3 栅极 151 漏区

4 鳍结构 152 源区

5 热量 201 第一测试端

11 衬底 202 第二测试端

12 鳍结构

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图3至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

实施例一

如图3和图4所示，本实用新型提供一种自热效应检测结构包括：第一导电类型掺杂的衬底11；鳍结构12，形成于所述衬底11上；栅极13，横跨所述鳍结构12；第二导电类型掺杂的源区(S)152及漏区(D)151，形成于所述栅极13两侧鳍结构12中；插塞(CCT)14，形成于所述源区152及漏区151上；第一测试端201，通过金属插塞14连接于所述源区152及漏区151；第二测试端202，连接于所述衬底11。

本实用新型中，源区152及漏区151分别与衬底11构成PN结二极管。第一测试端201及第二测试端202连接于所述PN结二极管的两个电极端，形成PN结二极管测试结构。具体的，反向击穿时，将二极管的正极(P区)接在低电位端，负极(N区)接在高电位端。当PN结二极管外加的反向电压高到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。引起二极管电击穿的临界电压值称为反向击穿电压值。而且，PN结二极管的反向击穿电压值会随着温度的变化而变化。

本实用新型中形成的PN结二极管为齐纳击穿的二极管或雪崩击穿的二极管。齐纳击穿一般发生在掺杂浓度较高的PN结二极管中。这是因为掺杂浓度较高的PN结中，空间电荷区的电荷密度很大，宽度较窄，只要加不大的反向电压，就能建立起很强的电场，它能够直接将束缚在共价键中的价电子拉出来，使势垒区产生大量的电子-空穴对，形成较大的反向电流，产生击穿。这种在强电场作用下，使势垒区中原子直接激发的击穿现象称为齐纳击穿。

雪崩击穿一般发生在掺杂浓度较低、外加电压又较高的PN结二极管中。这是因为掺杂浓度较低的PN结中，空间电荷区宽度较宽，发生碰撞电离的机会较多。随着反向电压的提高，空间电荷区内电场增强，通过势垒区的载流子获得的能量也随之增加。当反向电压接近击穿电压时，这些有较高能量的载流子与空间电荷区内的中性原子相遇发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对。这些新产生的电子和空穴又会在电场的作用下，重新获得能量，碰撞其它的中性原子使之电离，再产生更多的电子-空穴对。这种连锁反应继续下去，使空间电荷区内的载流子数量剧增，就像雪崩一样，使反向电流急剧增大，产生击穿。所以把这种击穿称为雪崩击穿。

如图5所示，齐纳击穿的二极管与雪崩击穿的二极管具有不同温度系数。齐纳击穿的二极管具有负温度系数，即温度升高时稳定电压值下降(温度使价电子上升较高能量)，PN结击穿电压下降。雪崩击穿的二极管，具有正温度系数，即温度升高时稳定电压值上升(温度使原子振幅加大，阻碍载流子运动)，PN结击穿电压上升。雪崩击穿的二极管中，温度对二极管的击穿电压的影响，是通过改变载流子的平均自由路径来实现的。

本实用新型中，还包括多个分别连接于PN结二极管的两个电极端的第一测试端201和第二测试端202，同时，第一测试端201及第二测试端202连接击穿电压测试设备，用于检测PN结二极管的反向击穿电压值。不同温度条件下，PN结二极管对应不同的击穿电压值，通过探测器测试设备探测PN结二极管的击穿电压值变化，就可以实时获取鳍式场效应管不 同区域的温度变化。具体的，第一测试端201和第二测试端202可以连接于每个二极管的两个电极端或者多个二极管的两个电极端。如图4所示，每个相邻的鳍结构12上都设置有多个插塞14，可以形成多个PN结二极管，且呈阵列分布，例如是Xn排Yn列(n为正整数)，即有n个鳍结构12，每个鳍结构12上有n个插塞14(形成n个PN结二极管)。相应的第一测试端201也有Xn排Yn列。第二测试端202可以为一个，也可以为多个。具体的，将位于Xn排Yn列处的第一测试端201与第二测试端202分别连接击穿电压测试设备，就可以获得位于Xn排Yn列处的PN结二极管的击穿电压值，从而获得测试阵列的温度分布等值线图。当然，也可以将某一排或某一列的PN结二极管并联，直接检测一排或一列中的多个PN结二极管的击穿电压值，例如将X₁排中的n个PN结二极管并联，测得X₁排的n个PN结二极管的击穿电压值。当然，也可以将某一区域的PN结二极管并联，检测某一区域的PN结二极管的击穿电压值，例如可以将X₁～X₃排Y₁～Y₃列的9个PN结二极管并联，测得这个区域的PN结二极管的击穿电压值。

具体的，在本实施例中，所述鳍结构12的数量为14个，所述栅极13的数量为7个(包括栅极和伪栅极)。所述鳍的数量、栅极13的数量、插塞14以及测试端的数量都可以依据需要进行选择。每排(即每列)中形成的PN结二极管的数量可以相同也可以不同。

在本实施例中，同一个鳍结构12上形成有多个PN结二极管，所述PN结二极管通过插塞14分别连接于第一测试端201及第二测试端202。在操作(operation)过程中或热载流子效应测试(HCI test)过程中，可以检测设置于同一个鳍结构12的漏区151及源区152的PN结二极管结击穿电压值(junction breakdown voltage)，从而获得同一个鳍结构12的漏区151及源区152的温度分布等值线图。

本实用新型中，鳍式场效应晶体管可以为N阱鳍式场效应晶体管或P阱鳍式场效应晶体管。源区152及漏区151的材料可以为锗化硅或硅。具体的，N阱鳍式场效应晶体管的第一导电类型掺杂为N型掺杂，第二导电类型掺杂为P型掺杂，即在N阱中形成有P型掺杂源区152及漏区151，其中，源区152及漏区151的材料为锗化硅。P阱鳍式场效应晶体管的第一导电类型掺杂为P型掺杂，第二导电类型掺杂为N型掺杂，也就是，即在P阱中形成有N型掺杂源区152及漏区151，其中，源区152及漏区151的材料为硅。

通常，所述半导体衬底11可以采用未掺杂的单晶硅、掺杂有杂质的单晶硅、绝缘体上硅(SOI)等。作为示例，在本实施例中，所述半导体衬底11选用单晶硅材料构成。在所述半导体衬底11中还可以形成有埋层等。

具体的，本实施例中，插塞14设置于栅极13两侧各一个，且插塞14距离栅极13的距离是相同的，每排中插塞14的数量一致。而在每列中，插塞14的数量可以不同。所述源区152及漏区151以及插塞14的尺寸都可以不同，所述源区152及漏区151的宽度需满足相应产品的设计规则。

综上所述，本实用新型提供一种自热效应检测结构，通过检测不同位置的源区及漏区151形成的PN结二极管的击穿电压值，并结合击穿电压值与温度之间的关系，得到FinFET器件在一定时间、一定区域中的温度变化情况，获得不同时间的自热效应对不同节点区域的影响，绘制FinFET器件的温度分布等值线图，进而有利于技术人员对自热效应的改善。技术人员可以实时监测测试阵列中的不同区域中的温度变化情况，从而方便技术人员对温度较高的位置采取相应改善措施，技术人员可以更容易地对不同时间和位置上热量的产生以及扩散进行调整。而且通过对不同时间、不同位置的自热效应的监控，也有利于技术人员从热载流子效应测试(HCI test)、负偏温度不稳定性测试(NBTI test)和正偏温度不稳定性测试(PBTI test)结果中将器件的自热效应分离出来。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。