一種半導體器件內部薄層熱阻的測量方法
【專利摘要】本發明涉及半導體器件內部薄層熱阻的測量方法。測量時將半導體器件3置于恒溫平臺4上，僅改變與薄層1相鄰的下一層材料2的厚度d，以半導體器件3有源區為熱源，對不同結構的半導體器件3進行熱阻測量，通過分析測得的熱阻微分結構函數曲線，得到薄層1及其相鄰下層材料2熱阻總和R與厚度d的關系曲線，進一步確定半導體器件3內部的薄層1熱阻。本發明通過測量半導體器件薄層材料與相鄰下層材料的總熱阻R隨下層材料厚度d的變化規律，并進行函數擬合，從而測得薄層材料的熱阻。解決了現有測量方法由于高電子遷移率晶體管器件中間材料熱容低于上下兩層材料，無法對中間薄層材料進行熱阻測量的問題。
【專利說明】一種半導體器件內部薄層熱阻的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電子器件測試領域，主要應用于半導體器件內部薄層材料熱阻測量與分析。
【背景技術】
[0002]隨著半導體器件不斷向著大功率、高集成度的方向發展。器件工作時產生的熱量不斷增加，結溫不斷升高，使得器件可靠性下降。器件結溫升等于功率與熱阻的乘積，因此，器件內部熱阻是影響器件結溫升的重要因素。在半導體器件內部多層結構中，有一些高熱阻的薄層材料，例如一些HEMT (High Electron Mobility Transistor,高電子遷移率晶體管)器件中1.2umGaN層與300um的襯底之間存在30nm的buffer層，由于熱阻高,使得buffer層上表面溫度高于層下表面溫度達100°C，如圖1所示，抑制了器件散熱。因此，測量器件內部薄層材料熱阻是研究器件熱特性、提高器件可靠性、對器件進行熱控制的重要環節。目前，測量器件內部熱阻的方法有穩態和瞬態兩種方法。在穩態法測量器件內部熱阻過程中，對器件結溫響應曲線進行結構函數處理，器件內部薄層材料熱容為C1，薄層相鄰下層材料熱容為C2,當C1與C2相近或C1遠遠小于C2時，薄層熱阻會淹沒在下一層材料的熱阻中，微分結構函數曲線則無法反映薄層熱阻。瞬態法測量器件內部熱阻時，利用拉曼法測量器件內部熱分布與熱阻的關系進行測量，但這一方法在實際測量時，由于激光無法透過金屬、SiC等不透明材料射入器件內部，因此，對于表面金屬化或背部材料不透明的半導體器件，拉曼法不能測量器件內部溫度。
【發明內容】
[0003]針對現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種測量薄層熱阻的方法，通過改變與高熱阻薄層相鄰的下層材料厚度，保持其它結構恒定，利用熱阻測量裝置測量不同結構半導體器件的結殼熱阻，得到薄層與相鄰下層材料的熱阻之和，將薄層相鄰下層材料厚度與熱阻和的對應數據進行擬合，得到薄層熱阻。
[0004]本發明技術方案的原理是:在不同器件內部結構條件下，利用熱阻測量裝置測得器件結殼熱阻微分結構函數曲線，通過分析不同結構下熱阻微分結構函數曲線，得到薄層與相鄰下層材料總熱阻-材料厚度的關系曲線，最后經處理得到薄層熱阻。
[0005]本發明進行熱阻測量的裝置包括:被測半導體器件3，恒溫平臺4，測試電路板5，計算機6，工作電源7，加熱電源8。所述被測半導體器件3包括薄層材料I和材料2 ;加熱電源8為恒溫平臺4供電；恒溫平臺4用于調節和保持半導體器件3溫度；工作電源7通過測試電路板5為半導體器件3提供加熱電流和測試電流；計算機6通過控制測試電路板5完成測試電流和加熱電流的切換，并對測量得到的數據進行采集和處理。
[0006]半導體器件3的熱阻測量方法包括以下步驟:
[0007](I)將半導體器件3放置在恒溫平臺4上，以加熱電源8控制恒溫平臺4 ；
[0008](2)加熱電源8控制恒溫平臺4溫度，使半導體器件3在不同溫度下到達穩態。計算機6控制工作電源7通過測試電路板5給半導體器件3通入測試電流，并通過測試電路板5測量不同溫度下半導體器件3的柵源電壓，得到柵源電壓隨溫度變化的關系曲線；
[0009](3)計算機6控制工作電源7，對半導體器件3通入加熱電流，待半導體器件3溫度達到穩定后，再由計算機6控制，停止對半導體器件3通入加熱電流，半導體器件I開始冷卻。然后，對半導體器件3通入測試電流，通過測試電路板5采集半導體器件3的溫敏參數，直至半導體器件3溫度與恒溫平臺4溫度相等，通過冷卻過程中對半導體器件3柵源電壓變化進行采集，并根據步驟(2)中得到的柵源電壓隨溫度變化曲線，對應得冷到卻過程中的溫度變化數據，對數據進行結構函數處理得到半導體器件3結到殼的熱阻微分結構函數曲線，通過曲線中的尖峰讀出半導體器件3內部薄層材料I以及相鄰下層材料2的熱阻總和值，保存微分結構函數曲線以及曲線對應數據；
[0010](4)改變薄層相鄰下一層材料2的厚度，即改變該層材料的熱阻、熱容值。在材料2不同厚度條件下，測量多組薄層I與下層材料2的熱阻總和R隨材料2厚度d變化數據；
[0011](5)將(4)中得到的不同材料厚度d下的不同熱阻總和H……、Rn數據進行擬合，得到R-d函數曲線，對d取O值，得到薄層材料I熱阻Rthin。
[0012]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0013]本發明通過測量半導體器件薄層材料與相鄰下層材料的總熱阻R隨下層材料厚度d的變化規律，并進行函數擬合，從而測得薄層材料的熱阻。解決了現有測量方法由于高電子遷移率晶體管HEMT器件中間材料熱容低于上下兩層材料，無法對中間薄層材料進行熱阻測量的問題。另外，本發明所述的熱阻測量方法有助于器件設計以及對器件內部進行熱分析。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為半導體器件內部高熱阻薄層材導致`高溫差示意圖；
[0015]圖2為本發明實施例熱阻測量裝置示意圖；
[0016]圖3為實施例半導體器件的柵源電壓一溫度關系曲線；
[0017]圖4為實施例半導體器件內部的熱阻微分結構函數。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0019]本實施例選AlGaN/GaN HEMT器件為被測半導體器件3。
[0020]測試裝置如圖2所示，測量半導體器件3熱阻的方法包括以下步驟:
[0021]步驟1，將半導體器件3置于恒溫平臺4上，連接測試電路板5，將測試電路板5與計算機6、工作電源7相連；如圖2所示。
[0022]步驟2，加熱電源8控制恒溫平臺4的溫度，使半導體器件3在不同溫度下到達穩態。由計算機6控制工作電源7對半導體器件3通入ImA的測試電流，測量不同溫度下半導體器件3的柵源電壓，得到電壓-溫度關系曲線，如圖3所示；
[0023]步驟3，計算機6控制工作電源7，通過測試電路板5對半導體器件3施加IA的加熱電流，使半導體器件3自升溫。待半導體器件3溫度穩態后，計算機6控制工作電源7將加熱電流切換為測試電流，測量半導體器件3冷卻過程中的柵源電壓隨溫度變化的響應曲線，結合步驟2中測得的電壓-溫度關系曲線，對半導體器件3散熱通路上熱阻進行結構函數處理得到半導體器件3結到殼的熱阻微分結構函數曲線，如圖4所示；
[0024]步驟4，根據步驟3得到的微分結構函數曲線中的尖峰位置得到半導體器件3內部薄層材料以及相鄰下層材料的熱阻總和R1 ；
[0025]步驟5，保持半導體器件3內部其它結構不變，僅改變薄層I相鄰下層材料2的厚度d。在相同的加熱電流、測試電流下重復步驟3，測得材料2不同厚度d下的熱阻和R2、R3、……Rn。保存相應的數據和曲線。
[0026]步驟6，將不同材料2厚度d對應的薄層材料I和相鄰下層材料2的熱阻和札、R2、……、Rn進行函數擬合 得到R-d的函數曲線，對d取0，得到薄層材料Rthin。
【權利要求】
1.一種半導體器件內部薄層熱阻的測量方法，包括:被測半導體器件(3)，恒溫平臺(4)，測試電路板(5)，計算機(6)，工作電源(7)，加熱電源(8);所述半導體器件(3)包括薄層材料(I)和材料(2);加熱電源(8)為恒溫平臺(4)供電；恒溫平臺(4)用于調節和保持半導體器件(3)溫度；工作電源(7)通過測試電路板(5)為半導體器件(3)提供加熱電流和測試電流；計算機(6)通過控制測試電路板(5)完成測試電流和加熱電流的切換，并對測量得到的數據進行采集和處理；其特征在于，所述方法包括以下步驟: 步驟1，將半導體器件(3)置于恒溫平臺(4)上，連接測試電路板(5)，將測試電路板(5)與計算機(6)、工作電源(7)相連； 步驟2，加熱電源(8)控制恒溫平臺(4)的溫度，使半導體器件(3)在不同溫度下到達穩態；由計算機(6)控制工作電源(7)對半導體器件(3)通入ImA的測試電流，測量不同溫度下半導體器件(3)的柵源電壓，得到電壓-溫度關系曲線； 步驟3，計算機(6)控制工作電源(7)，通過測試電路板(5)對半導體器件(3)施加IA的加熱電流，使半導體器件(3)自升溫；待半導體器件(3)溫度穩態后，計算機(6)控制工作電源(7)將加熱電流切換為測試電流，測量半導體器件(3)冷卻過程中的柵源電壓隨溫度變化的響應曲線，結合步驟2中測得的電壓-溫度關系曲線，對半導體器件(3)散熱通路上熱阻進行結構函數處理得到半導體器件(3)結到殼的熱阻微分結構函數曲線； 步驟4，根據步驟3得到的微分結構函數曲線中的尖峰位置得到半導體器件(3)內部薄層材料以及相鄰下層材料的熱阻總和R1 ; 步驟5，保持半導體器件(3)內部其它結構不變，僅改變薄層(I)相鄰下層材料(2)的厚度d ;在相同的加熱電流、測試電流下重復步驟3，測得材料(2)不同厚度d下的熱阻和R2、R3、……Rn;保存相應的數據和曲線； 步驟6，將不同材料(2)的厚度d對應的薄層材料(I)和相鄰下層材料(2)的熱阻和札、R2、……、Rn進行函數擬合得到R-d的函數曲線，對d取O，得到薄層材料Rthin。
【文檔編號】G01R31/26GK103869233SQ201410128395
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】郭春生, 李睿, 馮士維, 王琳 申請人:北京工業大學