CN102590724A - 一种用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微尺度半导体器件测量领域，提供了一种用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法，首先在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率，然后在中低频下测量半导体薄膜与基体构成的复合结构的等效热导率，最后将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离，通过采用电阻温度系数小的纯电阻电桥电路，减弱了高频下干扰信号对三次谐波的影响，同时频谱分析仪测试谐波的频率范围远大于常用锁相放大器的倍频范围，提高了高频下三次谐波的测量精度，借助周期激光光热反射法测量的铂膜探测器与金刚石薄膜之间的界面热阻，提高了半导体薄膜热导率和热扩散率的高频测量精度，利用多次谐波联合测量，在单个试样上实现半导体薄膜与基体之间界面热阻的测量。

Description

一种用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法

技术领域

本发明属于微尺度半导体器件测量领域，尤其涉及一种用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法。

背景技术

目前，微纳米器件中由于纳米接触形成的界面热阻随着半导体器件的日益微型化而成为微系统热管理和热设计研究的热点和难点。微处理器芯片、场效应传感器、热电能量转换器等大量使用半导体薄膜作为功能元件，通过堆积叠加形成大量的界面。由于半导体纳米复合热电材料内存在的大量界面增强了声子散射，对界面热阻的调控是进一步提高热电能量转换效率的关键。相比金属膜，半导体薄膜界面上的微观热输运具有新的特点，这也使半导体膜界面热阻的机理分析较金属膜的要复杂得多。

低频下谐波法中的三次谐波法已被用于测试Ge膜与Si基底间的界面热阻，但对比试样增大了测量结果的不确定度。频带范围拓展到MHz的三次谐波法在高频下已用于基体表面金刚石薄膜、基体表面SiO2热导率测量，但是都没有考虑谐波探测器与被测试薄膜之间界面热阻的影响，测试误差大。飞秒激光抽运-探测法测试半导体薄膜界面热阻受限。由于金属薄膜表面反射率与其电子温度有较为简单的函数关系，一般近似为线性关系。半导体薄膜表面反射率随其电子温度的函数关系将不再简单；由于泵浦光和探测光间相互干扰，光斑直径大，测试的Au膜表面的电子温度相互重叠，空间分辨率低，仅用于金属薄膜研究。由于表面反射率和粗糙度的影响，周期激光光热反射法主要用于测量金属膜与非金属薄膜间的界面热阻。

低频下三次谐波法测量基体表面薄膜热导率的技术方案：在待测试薄膜表面直接沉积金属膜，同时用作加热器和测温器，施加微弱正弦电流信号加热，在低频下利用差动放大电路和锁相放大器测量金属膜产生的三次谐波，利用金属膜温升与频率曲线的斜率得到基体的热导率，利用金属膜温升与基体温升的差值求出薄膜的热导率，利用对比试样测量界面热阻。

高频下三次谐波法测量基体表面薄膜热导率的技术方案：在高频下利用差动放大电路和锁相放大器测量待测试薄膜表面金属膜的温升，利用高频下温升的解析解拟合得到待测试薄膜的热导率。

低频下二次谐波测量基体热导率的技术方案：在低频下直接利用锁相放大器测量金属膜产生的二次谐波，利用低频下二次谐波实部和虚部的斜率得到基体的热导率。

三次谐波的测试频率低，虽然借助对比试样能够实现界面热阻的分离，但是对比试样增大了测量结果的不确定度；高频下三次谐波的测量采用的差动放大电路的差动放大器的响应速度慢，难以滤除高频干扰信号，再加上常用锁相放大器自身倍频频率范围的限制，高频谐波通常会超出仪器测量范围，高频下三次谐波测量精度差；高频下利用三次谐波测得的温升拟合薄膜热导率时没有考虑金属膜探测器与试样之间的界面热阻，结果误差大；二次谐波和三次谐波孤立测量，没有实现多次谐波联合实现界面热阻的测量。

当前缺乏测量半导体薄膜与基体之间界面热阻的有效方法，在半导体薄膜热物性的表征方面，三次谐波法主要用于测量半导体薄膜的热导率和热扩散率，但是测试频率比较低，频带范围比较窄，频带范围一般为几Hz～几千Hz，无法实现界面热阻的测量；二次谐波法目前只能在低频下测量薄膜与基体构成的复合结构的热导率。由于半导体表面对激光的反射率与温度关系的非线性，基于激光加热探测的光热探测技术不能准确测量半导体薄膜表面的温度响应，亦难于测量半导体薄膜的热导率与界面热阻。

发明内容

本发明提供了一种用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法，旨在解决现有技术提供的测量半导体薄膜界面热阻的方法，没有考虑金属膜探测器与试样之间的界面热阻，二次谐波和三次谐波孤立测量，结果误差大，不能实现多次谐波联合、精确测量界面热阻的问题。

本发明的目的在于提供一种用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法，所述方法包括以下步骤：

在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率；

在中低频下测量半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率；

将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离。

本发明提供的用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法，首先在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率，然后在中低频下测量半导体薄膜与基体构成的复合结构的等效热导率，最后将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离，通过采用电阻温度系数小的纯电阻电桥电路，减弱了高频下干扰信号对三次谐波的影响，同时频谱分析仪测试谐波的频率范围远大于常用锁相放大器的倍频范围，提高了高频下三次谐波的测量精度，借助周期激光光热反射法测量的铂膜探测器与金刚石薄膜之间的界面热阻，解决了谐波探测器与半导体薄膜绝缘与附着问题，考虑金属膜探测器与试样之间的界面热阻，提高了半导体薄膜热导率和热扩散率的高频测量精度，利用多次谐波联合测量，在单个试样上实现半导体薄膜与基体之间界面热阻的测量。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法的实现流程图；

图2示出了本发明实施例提供的利用金刚石薄膜与铂膜加工出谐波探测器，并测量铂膜与金刚石薄膜之间界面热阻抗的实现方法的流程图；

图3示出了本发明实施例提供的采用三次谐波法测量半导体薄膜的热导率、热扩散率及采用二次谐波法测量半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率的实现方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法的实现流程。

该方法包括以下步骤：

在步骤S101中，在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率；

在步骤S102中，在中低频下测量半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率；

在步骤S103中，将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离。

在本发明实施例中，在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率的实现方法为：

利用金刚石薄膜与铂膜加工出谐波探测器，并测量铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻抗；

采用三次谐波法测量半导体薄膜的热导率、热扩散率。

如图2所示，在本发明实施例中，利用金刚石薄膜与铂膜加工出谐波探测器，并测量铂膜与金刚石薄膜之间界面热阻抗的实现方法为：

在步骤S201中，在半导体薄膜表面沉积金刚石薄膜；

在步骤S202中，采用磁控溅射技术在金刚石薄膜表面沉积铂膜；

在步骤S203中，利用周期激光光热反射法测量铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻；

在步骤S204中，利用光刻法加工出谐波探测器。

如图3所示，在本发明实施例中，采用三次谐波法测量半导体薄膜的热导率、热扩散率的实现方法为：

在步骤S301中，对谐波探测器施加没有直流分量的微弱交流电，采用电阻温度系数可忽略的纯电阻电桥电路和频谱分析仪测量高频下三次谐波的幅值并转换为频域内的测试热阻抗；

在步骤S302中，在热阻抗理论公式加入测量的铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻，得到改进的热阻抗理论模型；

在步骤S303中，利用改进的热阻抗理论模型和测试热阻抗拟合出半导体薄膜的热导率、热扩散率。

在本发明实施例中，在中低频下测量半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率的实现方法为：

在步骤S304中，对谐波探测器施加有直流分量的微弱交流电；

在步骤S305中，采用电阻温度系数可忽略的纯电阻电桥电路和锁相放大器测量低频下二次谐波的实部和虚部分量；

在步骤S306中，利用二次谐波的实部和虚部分量得到半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率。

在本发明实施例中，将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离的实现方法为：

半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合导热热阻中减去半导体薄膜和基体的热阻，得到半导体薄膜与基体之间的界面热阻。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法包括以下步骤：

①在半导体薄膜表面沉积金刚石薄膜，实现谐波探测器与半导体薄膜之间的绝缘；

②利用周期激光光热反射法测量铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻；

在步骤①的基础上采用磁控溅射技术在金刚石薄膜表面沉积铂膜，然后利用周期激光光热反射法测量铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻，最后利用光刻法加工出谐波探测器。

③采用三次谐波法测量半导体薄膜的热导率、热扩散率；

首先，在步骤①和②的基础上，给步骤②中加工的谐波探测器施加没有直流分量的微弱交流电，采用电阻温度系数可忽略的纯电阻电桥电路和频谱分析仪测量高频下三次谐波的幅值并转换为频域内的测试热阻抗；然后，在热阻抗理论公式加入步骤②中测量的铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻，得到改进的热阻抗理论模型；最后，利用改进的热阻抗理论模型和测试热阻抗拟合出半导体薄膜的热导率、热扩散率。

④利用二次谐波法得到半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率；

在步骤③之后，给步骤②中加工的谐波探测器施加有直流分量的微弱交流电，采用电阻温度系数可忽略的纯电阻电桥电路和锁相放大器测量低频下二次谐波的实部和虚部分量，得到半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率。

⑤从半导体薄膜、界面及基体构成的合结构的综合导热热阻中得到半导体薄膜界面热阻。

在步骤③和④的基础上，从薄膜+界面+基底的综合导热热阻中减去半导体薄膜和基体的热阻，得到半导体薄膜与基体之间的界面热阻。

本发明实施例提供的用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法，在超过1MHz的高频区域，利用电阻温度系数小于20PPM的纯电阻电桥电路和频谱分析仪测量三次谐波；半导体薄膜表面沉积金刚石薄膜实现谐波探测器与半导体薄膜之间的绝缘；利用周期激光光热反射法测量铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻；在1Hz～20MHz宽频范围内，利用频率低于4kHz下的二次谐波和频率高于1MHz的三次谐波联合测量半导体薄膜与基体之间的界面热阻。

由于采用电阻温度系数小的纯电阻电桥电路，减弱了高频下干扰信号对三次谐波的影响，同时频谱分析仪测试谐波的频率范围远大于常用锁相放大器的倍频范围，提高了高频下三次谐波的测量精度；借助周期激光光热反射法测量的铂膜探测器与金刚石薄膜之间的界面热阻，考虑金属膜探测器与试样之间的界面热阻，提高了半导体薄膜热导率和热扩散率的高频测量精度；利用多次谐波联合测量，在单个试样上实现半导体薄膜与基体之间界面热阻的测量，提高高频下三次谐波的测量精度，利用二次谐波和三次谐波联合测量，考虑金属膜探测器与试样之间的界面热阻，在单个试样上实现半导体薄膜与基体之间界面热阻的测量。

本发明实施例提供的用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法，首先在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率，然后在中低频下测量半导体薄膜与基体构成的复合结构的等效热导率，最后将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离，通过采用电阻温度系数小的纯电阻电桥电路，减弱了高频下干扰信号对三次谐波的影响，同时频谱分析仪测试谐波的频率范围远大于常用锁相放大器的倍频范围，提高了高频下三次谐波的测量精度，借助周期激光光热反射法测量的铂膜探测器与金刚石薄膜之间的界面热阻，解决了谐波探测器与半导体薄膜绝缘与附着问题，考虑金属膜探测器与试样之间的界面热阻，提高了半导体薄膜热导率和热扩散率的高频测量精度，利用多次谐波联合测量，在单个试样上实现半导体薄膜与基体之间界面热阻的测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于精确测量半导体薄膜界面热阻的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率；

在中低频下测量半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率；

将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在高频下测量半导体薄膜的热导率与热扩散率的实现方法为：

利用金刚石薄膜与铂膜加工出谐波探测器，并测量铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻抗；

采用三次谐波法测量半导体薄膜的热导率、热扩散率。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用金刚石薄膜与铂膜加工出谐波探测器，并测量铂膜与金刚石薄膜之间界面热阻抗的实现方法为：

在半导体薄膜表面沉积金刚石薄膜；

采用磁控溅射技术在金刚石薄膜表面沉积铂膜；

利用周期激光光热反射法测量铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻；

利用光刻法加工出谐波探测器。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述采用三次谐波法测量半导体薄膜的热导率、热扩散率的实现方法为：

对谐波探测器施加没有直流分量的微弱交流电，采用电阻温度系数可忽略的纯电阻电桥电路和频谱分析仪测量高频下三次谐波的幅值并转换为频域内的测试热阻抗；

在热阻抗理论公式加入测量的铂膜与金刚石薄膜之间的界面热阻，得到改进的热阻抗理论模型；

利用改进的热阻抗理论模型和测试热阻抗拟合出半导体薄膜的热导率、热扩散率。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在中低频下测量半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率的实现方法为：

对谐波探测器施加有直流分量的微弱交流电；

采用电阻温度系数可忽略的纯电阻电桥电路和锁相放大器测量低频下二次谐波的实部和虚部分量；

利用二次谐波的实部和虚部分量得到半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合热导率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将界面热阻从复合结构总热阻抗中剥离的实现方法为：

半导体薄膜、界面及基体构成的复合结构的综合导热热阻中减去半导体薄膜和基体的热阻，得到半导体薄膜与基体之间的界面热阻。

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