双轴应力施加装置及应变mos芯片输出特性测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种双轴应力施加装置及应变MOS芯片输 出特性测试方法。
【背景技术】
[0002] 应变MOS技术是当前发展的重点，利用应变MOS提高载流子迀移率已经成为研究 设计高速/高性能小尺寸MOS芯片与电路的首选方案。目前国内外有关应变MOS芯片与电 路的研究报道较多，但对硅MOS施加应力的装置的研究却鲜为提及。应变MOSFET性能提高 的本质原因是由于晶格常数的改变，应变MOS中载流子的迀移率高于普通硅材料。换句话 说，应变硅器件性能的提升主要是由于应力引入后改变Si的能带结构，从而使器件的迀移 率发生较大的改变。由于所施加的双轴应力强度与器件性能的提升存在密切的函数关系， 所以从实验上获取它们之间的函数关系，就具有了重要的价值和意义。实验所得到的函数 关系可为实践生产提供重要的技术依据。
[0003] B. S. Kang 等人在 "Effect of external strain on the conductivity of AlGaX/GaN high-electron-mobility transistors'， (University of Florida, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 83, NUMER 23,8 DECEMER2003) -文中提出的晶格形变测 试装置主要由弹性悬臂、单轴横杜以及PCB板组成。Ling Xia等人在"Experimental Study of<I10>Uniaxial Stress Effects on p-Channel GaAs Quantum -Well FETs"（Massachusetts institute of Technology, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL. 58，NO. 8, AUGUST 2011) -文中提出的晶格形变测试装置主要由铝片、 颚齿、芯片弯曲度测试系统组成。
[0004] 陈伟伟等人在"晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法"（微电子学院， 西安电子科技大学.10. 19, 2012)-文中提出的晶格形变测试装置主要由底座、精密位移平 台、垫块、垫片、压块组成。其中底座为长方体，位于装置最下方；精密位移平台位于底座左 上方，平台为长方体，四角各用一个螺钉与底座相连；垫块为长方体，位于底座右上方，中间 设有3个沉孔，用螺钉与底座相连，沉孔的左侧有三个螺孔，将垫块与载片连接；载片为长 方形薄片，左右两端各设有三个通孔，左端用螺钉将其下的精密位移平台和其上的压块相 连，右端用螺钉将垫块和压块相连；压块为长方体，位于载片之上，左右两端各一个，通过三 个螺钉分别与载片的两端相连。
[0005] 以上提到的晶体管晶格形变测试装置均存在几个共同的不足之处是： 第一，只能对晶体管施加单轴应力，若想对晶体管施加双轴应力，则此类装置不能满足 实际需求； 第二，精密螺杆组件始终固定在装置上，不可拆卸，只有通过螺杆的作用，施加在晶体 管上的应力才能始终保持，不便于对施加应力后的晶体管进行微观测试； 第三，测试对象局限，只能对氮化镓、高电子迀移率晶体管以及其他半导体晶体管进行 形变性能测试； 第四，间接地对芯片施加应力，因为芯片粘贴在载片上，所以只有对载片施加应力，才 能使芯片发生形变。因此对晶体管的尺寸大小要求比较严格，应力测试前需要减薄芯片和 切割芯片，使得芯片达到便于测试的尺寸大小。
[0006]
【发明内容】
[0007] 为了解决上述问题，本发明旨在提出一种应力施加装置，并给出了基于该装置的 应变MOS芯片性能测试方案，为应力导致硅MOS芯片性能增强的研究与生产提供了重要的 技术依据。
[0008] 具体地，本发明实施例提出的一种双轴应力施加装置，包括：下支架（a)、上支架 (b)、顶头（C)及精密螺杆组件（d); 其中，所述下支架（a)位于所述双轴应力施加装置的下方且包括中空结构的第一圆柱 体和位于两端的两个第一长方体，所述第一长方体的一端与所述第一圆柱体的外表面紧密 相连，在所述第一长方体的中间设有两个第一沉孔用于使用螺钉将所述上支架（b)和所述 下支架（b)相连； 所述上支架（b)位于所述下支架（a)的上方且包括中空结构的第二圆柱体和位于两端 的两个第二长方体，所述第二长方体的一端与所述第二圆柱体的外表面紧密相连，在所述 第二长方体的中间设有两个第二沉孔，在所述第二圆柱体内部过其截面圆的圆心位置处设 置有与所述第二圆柱体内部紧密相连的横杆，所述横杆上设有三个第一螺孔； 所述顶头（c)位于所述上支架（b)中间的第一螺孔中且为一个球体与圆柱体滚花的结 合结构，顶头的下半部分为半球体，上半部分为圆柱体； 所述精密螺杆组件（d)位于所述上支架（b)的正上方且为长方体形状，包括一螺杆转 轴，在所述精密螺杆组件（d)的设有三个第二螺孔，位于两侧的所述第二螺孔分别用于与 所述上支架（b)位于两侧的所述第一螺孔通过螺钉固定，位于中间的所述第二螺孔用于与 所述螺杆转轴相连。
[0009] 在一个实施例中，在所述上支架（b)的三个所述第一螺孔中，位于两端的所述第 一螺孔的开孔方向为垂直方向，位于中间位置的所述螺孔为两个开孔方向，且分别为垂直 和水平方向。
[0010] 在一个实施例中，在对以〇截芯片施加应力后，利用两个小螺钉分别同时穿过水平 开孔方向的螺孔对顶头（C)进行固定以保持双轴应力。拆卸所述精密螺杆组件（d)，以便对 施加应力后的所述MOS芯片进行测试。
[0011] 此外，本发明另一实施例提出的一种应变MOS芯片输出特性测试的方法，适于采 用双轴应力施加装置，所述装置包括：下支架（a)、上支架（b)、顶头（c)和精密螺杆组件 (d)，所述方法包括步骤： (1) 将所述MOS芯片固定在所述下支架（a)和所述上支架（b)之间； (2) 测试所述MOS芯片未施加双轴应力前的第一输出特性曲线； (3) 将所述顶头（c)放置在位于所述上支架（b)中间的第一螺孔中； (4) 将所述精密螺杆组件（d)设置于所述上支架（b)上； (5) 沿某一方向旋转螺杆转轴以对所述MOS芯片施加双轴应力； (6) 固定所述顶头（c)，拆卸所述精密螺杆组件（d)，并测试所述MOS芯片施加双轴应力 后的第二输出特性曲线； (7) 对比所述第一输出特性曲线和所述第二输出特性曲线，以获得测试结果。
[0012] 在一个实施例中，步骤（3)包括：将所述顶头（c)的圆柱体滚花接近于位于中间的 第一螺孔，将所述顶头（c)的球体表面与所述MOS芯片的上表面接触，便于对所述MOS芯片 中心表面施加应力。
[0013] 在一个实施例中，步骤（4)包括：将所述上支架（b)位于两侧的两个第一螺孔与所 述精密螺杆组件（d)位于两侧的两个第二螺孔通过螺钉固定，同时所述精密螺杆组件（d) 位于中间的一个第二螺孔与螺杆转轴相连。
[0014] 在一个实施例中，步骤（5)包括：顺时针转动所述螺杆转轴使所述顶头（C)的球形 表面与所述MOS芯片表面接触，产生垂直向下的应力，以使所述MOS芯片从中心到边缘在切 向方向上形成的张应力逐渐减小而在径向方向形成的张应力逐渐变为压应力。
[0015] 本发明装置不用借助载片间接地对硅MOS施加应力，因此不用受到载片的限制， 对要