微電子器件熱譜分析方法的研究.pdf

1、研究探索一種方法同時具有電學方法的非破壞性無損傷探測的特點，而又能像紅外熱像法那樣可以探測器件的溫度分布而不是單一溫度值，便成了非常有意義而又同時具有極大實用價值的研究。但是從上世紀70年代美國國家標準局的D.L Blackburn開始提出一種電學方法探測器件峰值結(jié)溫的方法設想，到上世紀90年代北京工業(yè)大學的呂長志、王明珠、高光渤等人在Blackburn論文的基礎上的繼續(xù)深入研究，這期問也還有其他科研工作者從事這個領域的研究，但都因為其

2、方法存在的種種局限性而無法繼續(xù)深入，最終的結(jié)果也不理想而沒有得到推廣。90年代中期，山東大學苗慶海教授等人發(fā)現(xiàn)了小電流過趨熱效應，并在此基礎上找到了攻克該世界難題的突破口，經(jīng)過多年來的研究取得了突破性進展。本文中的研究內(nèi)容正是基于攻克該世界技術難題的研究目標，在此研究背景下而展開的。文中所呈現(xiàn)的熱譜分析方法正是這種使用純電學方式探測器件溫度分布不均勻性和不均勻度的方法。晶體管熱譜分析方法是一種使用純電學方式探測芯片溫度分布不均勻性和不均

3、勻度的方法，它繼承了電學方法測量溫度的優(yōu)勢，即對器件的測量是非破壞性、無損傷的，既可以測量半成品也可以測量成品器件，同時它又具備了紅外熱像法的關鍵優(yōu)點，即可以獲取器件的峰值結(jié)溫、溫度分布的不均勻性和不均勻度信息。而且熱譜分析方法在探測溫度分布信息方面還有優(yōu)于紅外熱像法的地方，因為紅外熱像法雖然可以獲得整個芯片的溫度信息，對于溫度分布情況一幕了然，但是基于這種方法的可靠性判斷缺乏必要的定量分析，尤其是針對器件的有源區(qū)；而熱譜分析方法，通過

4、測量器件有源區(qū)的相關參數(shù)，結(jié)合相對應的數(shù)理模型計算出器件的溫度分布，給出相應的溫度和對應的有效面積，這是專門針對器件有源區(qū)進行定性定量分析的結(jié)果。而且，電學測試方法響應速度較快可以測試器件的瞬態(tài)結(jié)溫，而紅外熱像法響應速度較慢對于瞬態(tài)結(jié)溫的測量則不如電學方法。紅外熱像法由于是測量器件芯片表面的溫度，對于淺表面結(jié)的器件由于有源區(qū)到表面溫度梯度較小其測量結(jié)果相對準確，但是對于較深表面結(jié)的器件當縱向存在較大溫度梯度時其測量結(jié)果則不再真實可靠，然

5、而對于電學測試方法，其測試電流正是通過器件有源區(qū)，因此它可以很好的反映器件的有源區(qū)溫度情況，其測量結(jié)果相對可靠。因此在對器件進行可靠性分析判斷方面，使用電學測試方法的熱譜分析方法優(yōu)于紅外熱像法，更優(yōu)于傳統(tǒng)的標準電學方法，可以提供更準確可靠的信息。 在第一章緒論里，介紹了使用電學方法探測微電子器件溫度以及溫度分布均勻性的研究背景和當前的研究現(xiàn)狀以及本文選題的目的和意義。首次對標準電學方法所測結(jié)溫即標電結(jié)溫的物理意義進行了研究探索，

6、并新辟途徑采取了特殊的試驗方法來論述半導體器件里幾個溫度的不等式關系。 在第二章“熱譜曲線罩”，從半導體器件的紅外熱像圖出發(fā)，專門針對器件的有源區(qū)，通過定量和定性的分析得出了溫度分布譜線，并首次將這類圖形與光譜曲線進行類比，將其定義為熱譜曲線。半導體器件的紅外熱像圖雖然給出了整個器件的溫度分布信息，但是沒有針對器件有源區(qū)進行定量和定性的分析，除了峰值結(jié)溫特別有用以外，對器件有源區(qū)的結(jié)溫缺乏便于直接應用的數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果。因此，本

7、章中使用獨自編寫的“紅外熱像圖熱譜分析軟件”，根據(jù)比色法的原理，可以對任意選定的區(qū)域進行統(tǒng)計分析獲取相關溫度以及相關分御數(shù)據(jù)。通過套用編寫的針對不同器件芯片的模板，選定器件的有源區(qū)，然后根據(jù)比色法對熱像圖中的選擇區(qū)域進行了定量和定性的分析，統(tǒng)計出有源區(qū)內(nèi)的所有溫度值以及各溫度值所占整個有源區(qū)的比例，進而給出了晶體管發(fā)射區(qū)的熱譜曲線和發(fā)射區(qū)一維溫度分布曲線。一維溫度分布曲線簡明扼要地給出了整個發(fā)射區(qū)的結(jié)溫分布情況，由該曲線可以直接讀取發(fā)射

8、區(qū)的峰值結(jié)溫和最低結(jié)溫，還可以計算出平均結(jié)溫。晶體管熱譜曲線是表示晶體管結(jié)溫不均勻性的一種比熱像圖簡單明晰的新方法。本章中的熱譜曲線是通過模仿光學的方法而得來，即溫度的不均勻性和不均勻度均來自熱像圖，但是它卻給后面的使用純電學方法提供了驗證的依據(jù)，即從熱像圖導出的熱譜曲線也應該是從電學方法求索的熱譜分析最終要得出的結(jié)果。在第三章“小電流過趨熱效應”中，分別在模擬假設的結(jié)溫分布和實際的結(jié)溫分布中，通過理論和試驗兩方面驗證了熱譜分析方法的最

9、基本理論之一一小電流過趨熱效應。小電流過趨熱效應在90年代中期被發(fā)現(xiàn)，并在后來被應用到利用雙電流法判斷結(jié)溫分布不均勻性，但是一直沒有得到完善系統(tǒng)全面的證明。本章研究內(nèi)容中，首次針對實際結(jié)溫分布中的小電流過趨熱效應，從理論和試驗兩方面進行了全面的證明。 沿用上一章的研究方法，從實際的晶體管紅外熱像圖中獲取其熱譜曲線，然后根據(jù)其溫度和相應的歸一化面積建立子管并聯(lián)模型，并在此基礎上通過理論計算和實驗驗證，得出結(jié)果吻合一致，進而證明了小

10、電流過趨熱效應在PN結(jié)勢壘中的真實存在。晶體管在耗散功率時，結(jié)溫分布一般不均勻。在晶體管子管并聯(lián)模型的基礎上，經(jīng)過實驗和理論計算分別在模擬結(jié)溫分布和實際溫度分布的基礎上驗證發(fā)現(xiàn)：結(jié)溫分布不均勻時，高溫區(qū)的電流密度大于低溫區(qū)的電流密度：測試電流越小，高溫區(qū)與低溫區(qū)電流密度的比值越大，電流越集中在高溫區(qū)，且集中區(qū)域的面積隨著測試電流的減小而縮小，我們將這種現(xiàn)象稱為小電流過趨熱效應。利用這一特性可以研究晶體管結(jié)溫分布的不均勻性，計算結(jié)溫分布的

11、不均勻度，對半導體器件可靠性分析具有非常重要的意義。第四章“晶體管熱譜分析方法”是本文研究內(nèi)容的重點，介紹了基于子管并聯(lián)模型和等溫環(huán)模型基礎上的晶體管熱譜分析方法。小電流過趨熱效應、MQH算法、Ebers-Moll模型是熱譜分析方法算法的基礎理論。MQH算法是由山東大學苗慶海教授在多年熱譜分析方法的研究中總結(jié)提出的，它是熱譜分析方法基本算法的關鍵，也從理論和試驗上得到了證明；Ebers-Moll模型將PN結(jié)勢壘器件中的雙極晶體管簡化的關

12、鍵，將復雜的雙PN結(jié)問題簡化為單PN結(jié)的二極管模型進行分析。然后，介紹了晶體管熱譜分析方法的最基本試驗數(shù)據(jù)一本底數(shù)據(jù)，即晶體管I-V-T數(shù)據(jù)。在溫度可調(diào)的高精度恒溫裝置里，高速采集多階梯恒流所對應的溫敏參數(shù)，進而獲得較寬溫度區(qū)間內(nèi)的I-V-T特性曲線簇，它是晶體管最基本的物理屬性，是最重要的熱學特性。本底數(shù)據(jù)是包含了熱導、熱容、串聯(lián)電阻、注入系數(shù)等等分布參量的綜合結(jié)果，比D.L.Blackburn的方法可信度高。 本章中詳細介紹

13、了熱譜分析方法的基本算法和零時刻溫敏參數(shù)的較合理的回歸處理。在此基礎上通過基于標準電學方法的BJ2984瞬態(tài)熱阻測試儀、基于熱譜分析方法的“軍用半導體器件可靠性分析儀”、紅外熱像儀的聯(lián)機試驗，三種方法探測晶體管的結(jié)溫情況，其結(jié)果表明：標準電學方法則隨著功率的增大，其與紅外熱像法的結(jié)果差距越來越大，即其結(jié)果越來越偏離真實情況，而熱譜分析方法探測峰值結(jié)溫和有效面積方而一直與紅外熱像法基本吻合。這說明熱譜分析方法可以準確可靠地探測峰值結(jié)溫、結(jié)

14、溫分布不均勻性和不均勻度，其相對傳統(tǒng)標準電學方法和紅外熱像法的優(yōu)勢注定將最終取代他們而成為晶體管結(jié)溫的常規(guī)主流測量方法。 在第五章“晶體管實時測量和實時熱譜分析方法的研究”中．首次成功解決了半導體器件實時測量方法的實施，并且，首次將熱譜分析方法用于實時測量中進行實時地探測結(jié)溫分布的不均勻性和不均勻度。實時測量半導體器件結(jié)溫方法是，在加熱的同時，不改變加熱狀況的情況下，把加熱電流直接作為測量電流從而測量出品體管的結(jié)溫。解決了國際標

15、準IEC 60747-7熱阻測量部分`提到的關于大電流下溫敏參數(shù)測不準的問題，把加熱電流作為測量電流從而實現(xiàn)了真正的實時測量。在實時測量期間快速小幅度更改加熱電流成階梯電流，采集對應的溫敏參數(shù)即可以用于熱譜分析，從而實時地獲得結(jié)溫分偉的不均勻性和不均勻度信息。該方法可應用于半導體芯片焊接質(zhì)量和安全工作區(qū)的無損傷檢測，穩(wěn)態(tài)壽命和功率老化試驗的結(jié)溫控制，更新熱阻測量方法和儀器，在線測量，機載測量，評價裝備和系統(tǒng)的可靠性和壽命等場合，具有十分

16、重大的意義和實用價值。在第六章“溫敏元器件的熱譜分析方法”中，在晶體管熱譜分析方法成功實施應用的基礎上，首次通過橫向研究探索將其拓寬延伸到其他具有溫敏特性的元器件領域，比如溫度傳感器領域，肖特基勢壘器件，場效應晶體管，LED發(fā)光器件等等。本章中主要針對溫度傳感器領域里的鉑金電阻溫度計，微電子器件里的肖特基勢壘器件等做了熱譜分析方法的可行性研究。首次論證了鉑金電阻溫度計每次探測返回的單一溫度值的物理意義，它并非是探測區(qū)域的平均溫度，其物理

17、意義尚不明確。然后在建立了子電阻串聯(lián)模型，并在此基礎上通過理論推導分析熱譜分析方法的可行性。 對于微電子器件里的肖特基勢壘器件，通過理論證明了該勢壘中小電流過趨熱效應的存在，因此類似與PN結(jié)勢壘器件，只要結(jié)合相應的物理模型，針對該類器件的熱譜分析方法就可以成功實施應用。本章首次提出了等效晶體管模型，由于該模型具有較好的通用性和適用性，因此使得熱譜分析方法在微電子器件中的拓寬延伸應用得到了保障。 熱譜分析方法將大大提升溫度