CN102967814B - 晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法，其晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置包括底座、精密位移平台、垫块、载片、压块。其晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法步骤包括：(1)减薄芯片；(2)切割芯片；(3)粘贴芯片；(4)引出晶体管电极；(5)固定载片；(6)应力前晶体管测试；(7)对芯片施加机械应力；(8)应力下晶体管测试；(9)判断晶体管性能是否发生退化；(10)获得晶体管性能发生退化时的晶格形变量。本发明具有易于对芯片施加压缩应力、可施加的机械应力大小范围大、芯片弯曲均匀性好、晶格拉伸量计算简单精确的优点，适用于晶体管晶格形变对晶体管性能影响的分析。

Description

晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及半导体测试技术领域中晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法。本发明可用于氮化镓(Gallium Nitride，GaN)高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistors，HEMTs)以及其他半导体晶体管晶格形变导致性能退化的测试，为晶体管晶格形变对晶体管性能的影响提供了一种更加直观更加方便的分析方法。

背景技术

在晶体管工作过程中，晶格形变的产生会导致晶体管性能的退化。对于氮化镓高电子迁移率晶体管以及其它具有压电效应的半导体器件，这种效应更加明显。因此准确评估晶格形变导致晶体管性能退化的过程对分析晶体管的可靠性非常重要。通常在晶体管长期工作过程中晶格形变非常细微，由此导致的晶体管性能退化过程非常缓慢。因此通过外加机械应力对材料晶格进行拉伸或压缩，从而加速晶体管电学性能退化的测试方法，对分析半导体晶体管晶格形变对晶体管性能的影响具有重要的价值和意义。

B.S.Kang等人在“Effect of external strain on the conductivity of AlGaN/GaNhigh-electron-mobility transistors”(University of Florida，APPLIED PHYSICSLETTERS，VOLUME 83，NUMER 23，8 DECEMER2003)一文中提出了一种晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法。其晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置主要有弹性悬臂、单轴横杆以及PCB板组成；其晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法步骤如下：首先，将晶体管芯片划片，划为2mm宽的条状，粘贴到弹性悬臂之上；其次，将弹性悬臂的一端用有机玻璃固定，另一端在单点接触式单轴横杆的推动下发生弯曲，单轴横杆的垂直移动距离可精确控制；再次，将芯片上的待测晶体管与固定在有机玻璃上的PCB板进行引线键合，通过PCB板与半导体参数分析仪相连，进行晶体管特性测试；最后，通过单轴横杆的垂直移动距离、悬臂长度以及芯片厚度估算芯片晶格形变量；该装置存在的不足是：其一，采用单点接触法对悬臂施加机械应力，悬臂弯曲均匀性差，从而导致芯片受力不均匀；其二，由于装置结构限制，易于对芯片施加拉伸应力，不易对芯片施加压缩应力；其三，由于晶体管受力不均匀，导致晶体管晶格形变量的计算不准确。

Ling Xia等人在“Experimental Study of<110>Uniaxial Stress Effects on p-ChannelGaAs Quantum-Well FETs”(Massachusetts Institute of Technology，IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.58，NO.8，AUGUST 2011)一文中提出了一种晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法。其晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置主要有铝片、颚齿、芯片弯曲度测试系统组成；其晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法步骤如下：首先，将晶体管芯片减薄到120um，再将其粘贴到铝片之上；其次，将铝片置于晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的两个颚齿之上，垂直向下移动铝片上方的另外两个颚齿对铝片施加力的作用使得铝片发生弯曲，颚齿的移动量可精确控制；再次，将芯片上的待测晶体管与粘贴在铝片上的金属电极进行引线键合，并与半导体参数分析仪相连，进行晶体管特性测试；最后，通过芯片弯曲度测量系统测量芯片弯曲度，并通过测得的芯片弯曲度和芯片厚度计算晶体管的晶格形变量；该装置存在的不足之处是：其一，铝制材料弹性较差，可以施加的应力大小范围有限；其二，通过两点接触法对铝片施加力的作用，铝片弯曲均匀性差，因此芯片受力不均匀；其三，需要采用专门的芯片弯曲度测量系统来测量芯片弯曲度的大小，测量困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置及方法。本装置采用钨铜制作的弹性载片作为芯片的载体，载片两端分别固定在精密位移平台和垫块之上。采用精密位移平台推动载片使得载片发生弯曲，对粘贴在载片上的芯片施加机械应力，并对机械应力作用下芯片上的晶体管特性进行测试。采用精密位移平台螺杆手柄精确调节机械应力的大小，分析晶体管性能随机械应力的变化规律，得出晶体管性能发生退化时的晶格形变量。

为实现上述目的，本发明晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置，包括五个部分：底座、精密位移平台、垫块、载片以及压块。其中，所述的底座为长方体，位于本装置最下方。所述的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。所述的垫块为长方体，位于底座右上方，中间设有3个沉孔，用螺钉与底座相连。沉孔左侧有三个螺孔，将垫块与载片连接。所述的载片为长方形薄片，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，右端用螺钉将其下的垫块和其上的压块相连。所述的压块为长方体，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。

利用上述装置，本发明实现晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法的具体步骤如下：

(1)减薄芯片：

将晶体管芯片用机械磨削的方法减薄到便于晶体管晶格形变测试的芯片厚度。

(2)切割芯片：

将减薄后的晶体管芯片用划片机切割成便于晶体管晶格形变测试的芯片大小。

(3)粘贴芯片：

将切割好的芯片用导电胶粘贴到晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的载片之上，常温下固化。

(4)引出晶体管电极：

在粘贴好的芯片上挑选出一个形貌完好的待测晶体管，将其电极通过引线键合的方法用金属导线引出。

(5)固定载片：

将粘贴有芯片的载片置于晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的精确位移平台和垫块的上方，将载片左右两端的螺孔分别与精密位移平台上层平台上的螺孔和垫块上的螺孔对准；载片左端用螺钉将其下的精密位移平台和其上的压块固定，右端用螺钉将其下的垫块和其上的压块固定。

(6)应力前晶体管测试：

将待测晶体管引出的金属导线与半导体参数分析仪相连，测试待测晶体管的输出特性，获得输出特性曲线，将特性曲线最高点对应的电流值记为应力前的最大输出电流值。

(7)对芯片施加机械应力：

顺时针转动精密位移平台螺杆手柄一圈，通过上层平台推动载片使其发生弯曲，对载片上的芯片施加机械应力。

(8)应力下晶体管测试：

测试载片弯曲状态下待测晶体管的输出特性，获得输出特性曲线，将特性曲线最高点对应的电流值记为应力下的最大输出电流值。

(9)判断晶体管性能是否发生退化：

将步骤(8)中获得的应力下的最大输出电流值与步骤(6)中获得的的应力前的最大输出电流值进行比较，如果二个输出电流值的比较结果满足晶体管性能退化条件，则认为该晶体管性能发生了退化，执行步骤(10)；否则，执行步骤(7)。

(10)获得晶体管性能发生退化时的晶格形变量：

将晶体管性能发生退化时步骤(7)中相应的精密位移平台螺杆手柄转动圈数代入晶格形变量计算公式，获得晶体管性能发生退化时的晶格形变量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用精密位移平台推动载片的方法对载片上的芯片施加机械应力，可以手动调节载片的弯曲方向，克服了现有技术中难以对芯片施加压缩应力的问题，使得本发明可简单方便的对芯片施加压缩应力，实现了对晶体管在多方位应力下性能退化的分析。

第二，由于本发明利用钨铜薄片作为芯片的载片，载片弹性度好，形变范围大，弯曲度易于控制，克服了现有技术中对芯片可施加的机械应力大小范围有限的问题，使得本发明大幅度提高了对晶体管性能退化分析的机械应力大小范围，可实现对较大机械应力作用下器件性能退化的分析。

第三，由于本发明采用压块固定载片的方法，使得载片在精密位移平台的推动下自然弯曲，克服了现有技术中载片弯曲不均匀的问题，使得本发明对晶格形变量的计算更加准确。

第四，由于本发明采用精密位移平台螺杆手柄精确控制精密位移平台的移动量，晶体管的晶格形变量可直接通过精密位移平台的移动量计算，克服了现有技术中芯片弯曲度测试方法困难的问题，使得本发明可以简单精确的对晶体管晶格形变量进行计算。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

参照附图1，晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置，包括五个部分：1为底座、2为精密位移平台、3为垫块、4为载片、5为压块。其中，

长方体底座1位于本装置最下方，一端设有两行两列四个螺孔，用螺钉与位于其上的精密位移平台2相连；另一端设有四行三列十二个螺孔，在本发明进行垫块3的固定时，可根据具体晶格形变量大小测试要求通过其中一行螺孔用螺钉与其上的垫块3相连。本发明的实施例中，将垫块3用螺钉固定在最靠近精确位移平台2一侧的一行螺孔之上。

精密位移平台2位于底座1的左上方，平台为长方体，分上下两层，上层平台上设有三行三列九个螺孔，通过最靠近垫块3的一行螺孔与载片4相连；下层平台四角各设有一个沉孔，各用一个螺钉与底座1相连；下层平台与底座1宽边相邻的一侧设有螺杆支架，支架与下层平台相连，支架内设有螺孔，一圆柱形的螺杆通过其上的螺钉与该螺孔相连；平台与底座1长边相邻的一侧设有正方形的钢片，钢片下端与下层平台相连，钢片上有一通孔，通孔内有一螺钉，螺钉通过其上的螺丝与位于上层平台侧面的一螺孔相连。精密位移平台2的上层平台可在螺杆的推动下自由移动，螺杆每转动一圈，上层平台移动500um；平台的移动量可以直接从螺杆手柄上读取，精度为10um。

长方体垫块3位于底座1的右上方，中间设有3个沉孔，用螺钉与底座1相连；沉孔左侧有三个螺孔，将垫块3与载片4连接。垫块3的高度与精密位移平台2的高度相等，从而保证其上的载片4两端位于同一水平面，使得在精密位移平台2的推动下载片4的受力方向为水平方向。

长方形载片4左右两端各设有三个通孔，分别与垫块1上的三个螺孔和精密位移平台2的上层平台上最靠近垫块3的三个螺孔对准；左端用螺钉将其下的精确位移平台2和其上的压块5相连，右端用螺钉将其下的垫块3和其上的压块5相连。载片4采用钨铜制作，钨铜厚度为200um，具有较高的弹性度；表面用电子束蒸发的方法蒸发Ti/Al/Ni/Au(22/140/55/45nm)四层金属，提高表面光洁度和导电性。当所测晶体管衬底需要接地时，只需把载片4通过地线与地相连。

长方体压块5位于载片4之上，左右两端各一个，通过三个螺钉分别与载片4的两端相连。若直接用螺钉将载片4固定于精密位移平台2和垫块3之上，载片4仅在六个螺钉处受力，弯曲均匀性差；采用压块5固定载片4的方法，使得载片4在其与两端压块5接触的两条线上受力，大大提高了载片4的弯曲均匀性。

参照附图2，对本发明的实现方法做进一步的描述。

步骤1，减薄芯片。

利用晶片减薄机将晶体管芯片采用机械磨削的方法减薄到100～200um，以提高芯片的弹性度。本发明的实施例中，将晶体管芯片用晶片减薄机减薄到150um。

步骤2，切割芯片。

将减薄后的晶体管芯片用划片机切割成边长为2～5mm的正方形，以便对芯片施加机械应力。本发明的实施例中，用划片机将减薄后的晶体管芯片切割成边长为4mm的正方形。

步骤3，粘贴芯片。

将切割好的晶体管芯片用导电胶粘贴到晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的载片4之上，并使其在常温下凝固，以避免高温固化对晶体管性能的影响。本发明的实施例中，用双组份铜粉填充型环氧导电胶将切割好的晶体管芯片粘贴到晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的载片4之上，室温下静置24小时，使其凝固。

步骤4，引出晶体管电极。

将三根金属导线的一端分别涂上焊锡，并将涂有焊锡的三个导线端口分别用绝缘胶粘贴于晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的载片4之上，用金丝将芯片上待测晶体管的栅极、源极和漏极用热压键合法分别与载片4上的三个导线端口进行键合；三根导线的另一端分别悬空，用于进行晶体管性能测试时与半导体参数分析仪相连。

在本发明的实施例中，将三根铜导线两端的塑料封皮用剥线钳剥去，分别将三根铜导线的一端涂上焊锡，然后用绝缘胶将三个涂有焊锡的导线端口粘贴于晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的载片4之上；三个导线端口之间留有2mm的间距，以防电极之间短路；分别将三根金丝的一端热压键合于芯片上待测晶体管的三个电极之上，另一端热压键合于三个涂有焊锡的导线端口之上。

步骤5，固定载片。

将粘贴有晶体管芯片的载片4置于晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的精密位移平台2和垫块3的上方，将载片4左右两端的螺孔分别与精密位移平台2的上层平台上的螺孔和垫块3上的螺孔对准。载片4左端用螺钉将其下的精密位移平台2和其上的压块5固定，右端用螺钉将其下的垫块3和其上的压块5固定；

步骤6，应力前晶体管测试。

将待测晶体管的三个电极引出的三根金属导线分别与半导体参数分析仪的三个端口相连，测试待测晶体管的输出特性，获得输出特性曲线，将特性曲线最高点对应的电流值记为应力前的最大输出电流值。

本发明的实施例中，将半导体参数分析仪的三个端口分别于与待测晶体管三个电极引出的三根金属导线连接后，将晶体管的栅极电压设为1V，漏极电压从0V扫描到10V，步阶为0.1V，获得输出特性曲线，并从输出特性曲线上读取应力前的最大输出电流值。

步骤7，对芯片施加机械应力。

顺时针转动精密位移平台2的螺杆手柄一圈，通过上层平台推动载片4使其发生弯曲，对载片4上的芯片施加机械应力。应力方向可通过如下方式调节：

拉伸应力的施加：顺时针转动精密位移平台2的螺杆手柄使得平台向前移动，并在载片4刚开始发生形变时手动对其施加一个很小的向上的力，这时载片4就会向上弯曲，撤除手动力的作用并继续转动手柄，载片4向上的弯曲度将逐渐增大。

压缩应力的施加：顺时针转动精密位移平台2的螺杆手柄使得平台向前移动，并在载片4刚开始发生形变时手动对其施加一个很小的向下的力，这时载片4就会向下弯曲，撤除手动力的作用并继续转动手柄，载片4向下的弯曲度将逐渐增大。

在本发明的实例中，顺时针转动精密位移平台2的螺杆手柄使得平台向前移动，并在载片4刚开始发生形变时手动对其施加一个很小的向上的力，使得载片4向上弯曲；撤除手动力的作用并继续转动螺杆手柄直到螺杆手柄转动一圈，通过上层平台推动载片4使其发生弯曲，对载片4上的芯片施加机械应力。

步骤8，应力下晶体管测试。

测试载片4弯曲状态下待测晶体管的输出特性，获得输出特性曲线，将特性曲线最高点对应的电流值记为应力下的最大输出电流值。本发明的实施例中，将待测晶体管的栅压固定为1V，漏压从0V扫描到10V，步阶为0.1V，获得输出特性曲线，并从输出特性曲线上读取应力下的最大输出电流值。

步骤9，判断晶体管性能是否发生退化。

将步骤8中获得的应力下的最大输出电流值与步骤6中获得的的应力前的最大输出电流值进行比较，如果二个输出电流值的比较结果满足晶体管性能退化条件，则认为晶体管性能发生了退化，执行步骤10；否则，执行步骤7。晶体管性能退化条件如下：

$\left|\frac{I_2-I_2}{I_2}\right|\&GreaterEqual;1\%$

其中，I₂表示应力下的最大输出电流值，I₁表示应力前的最大输出电流值。

步骤10，获得晶体管性能发生退化时的晶格形变量。

根据晶体管性能发生退化时步骤7中相应的精密位移平台2的螺杆手柄转动圈数，计算出晶体管性能发生退化时的晶格形变量。晶体管晶格形变量计算公式的具体推导过程如下：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{(R+t)\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}-R\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}}{R\&CenterDot;\mathrm{\&alpha;}}=\frac{t}{R}$

其中，ε表示晶格形变量，R表示芯片的曲率半径，α表示芯片的弯曲度，t表示减薄后的芯片厚度；

由于芯片粘贴在载片之上，因此芯片的曲率半径与载片的曲率半径大小相同。载片的曲率半径可以通过利用MATLAB软件对如下方程组进行求解得到：

$\left\{\begin{array}{c}L=R\&CenterDot;\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&pi;}}{180}\\ L-500\&CenterDot;n\&CenterDot;{10}^{-6}=2\&CenterDot;R\&CenterDot;\sin \frac{\mathrm{\&theta;}}{2}\end{array}\right.$

其中，L表示精密位移平台下层平台与垫块之间的距离，θ表示载片的弯曲度，n表示精密位移平台2的螺杆手柄转动圈数。

将步骤7中晶体管性能退化时精密位移平台2的螺杆手柄转动圈数，以及减薄后的芯片厚度带入上述计算公式获得晶体管性能退化时的晶格形变量。

Claims (8)

1.晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置，包括五个部分：底座、精密位移平台、垫块、载片以及压块；其中，

所述的底座为长方体，位于本装置最下方；

所述的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；所述的精密位移平台分上下两层，上层平台上设有3排螺孔，通过最靠近垫块的一排螺孔与载片相连；下层平台四角各设有一个沉孔，各用一个螺钉与底座相连；下层平台与底座宽边相邻的一侧设有螺杆支架，支架与下层平台相连，支架内设有螺孔，一圆柱形的螺杆通过其上的螺钉与该螺孔相连；平台与底座长边相邻的一侧设有正方形的钢片，钢片下端与下层平台相连，钢片上有一通孔，通孔内有一螺钉，螺钉通过其上的螺丝与位于上层平台侧面的一螺孔相连；

所述的垫块为长方体，位于底座右上方，中间设有3个沉孔，用螺钉与底座相连；沉孔左侧有三个螺孔，将垫块与载片连接；

所述的载片为长方形薄片，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，右端用螺钉将其下的垫块和其上的压块相连；

所述的压块为长方体，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。

2.根据权利要求1所述的晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置，其特征在于，所述载片采用钨铜制作；载片两端各设有三个通孔，分别与垫块上的三个螺孔和精密位移平台上层平台最靠近垫块一侧的三个螺孔对准。

3.晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法，如下步骤：

(1)减薄芯片：

将晶体管芯片用机械磨削的方法减薄到便于晶体管晶格形变测试的芯片厚度；

(2)切割芯片：

将减薄后的晶体管芯片用划片机切割成便于晶体管晶格形变测试的芯片大小；

(3)粘贴芯片：

将切割好的芯片用导电胶粘贴到晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的载 片之上，常温下固化；

(4)引出晶体管电极：

在粘贴好的芯片上挑选出一个形貌完好的待测晶体管，将其电极通过引线键合的方法用金属导线引出；

(5)固定载片：

将粘贴有芯片的载片置于晶体管晶格形变导致性能退化的测试装置的精密位移平台和垫块的上方，将载片左右两端的螺孔分别与精密位移平台上层平台上的螺孔和垫块上的螺孔对准；载片左端用螺钉将其下的精密位移平台和其上的压块固定，右端用螺钉将其下的垫块和其上的压块固定；

(6)应力前晶体管测试：

将待测晶体管引出的金属导线与半导体参数分析仪相连，测试待测晶体管的输出特性，获得输出特性曲线，将特性曲线最高点对应的电流值记为应力前的最大输出电流值；

(7)对芯片施加机械应力：

顺时针转动精密位移平台螺杆手柄一圈，通过上层平台推动载片使其发生弯曲，对载片上的芯片施加机械应力；

(8)应力下晶体管测试：

测试载片弯曲状态下待测晶体管的输出特性，获得输出特性曲线，将特性曲线最高点对应的电流值记为应力下的最大输出电流值；

(9)判断晶体管性能是否发生退化：

将步骤(8)中获得的应力下的最大输出电流值与步骤(6)中获得的的应力前的最大输出电流值进行比较，如果二个输出电流值的比较结果满足晶体管性能退化条件，则认为该晶体管性能发生了退化，执行步骤(10)；否则，执行步骤(7)；

(10)获得晶体管性能发生退化时的晶格形变量：

将晶体管性能发生退化时步骤(7)中相应的精密位移平台螺杆手柄转动圈数代入晶格形变量计算公式，获得晶体管性能发生退化时的晶格形变量。

4.根据权利要求3所述的晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法，其特征在于，步骤(1)中所述的便于晶体管晶格形变测试的芯片厚度为100～200um。

5.根据权利要求3所述的晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法，其特征在于，步骤(2)中所述的便于晶体管晶格形变测试的芯片大小为2×2mm²～5×5mm²。

6.根据权利要求3所述的晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法，其特征在于，步骤(4)中所述的引线键合方法如下：

将三根金属导线的一端分别涂上焊锡，并将涂有焊锡的三个导线端口用绝缘胶粘贴于载片之上，用金丝将芯片上待测晶体管的栅极、源极和漏极用热压键合法分别与载片上的三个导线端口进行键合；三根金属导线的另一端分别悬空，用于进行晶体管性能测试时与半导体参数分析仪相连。

7.根据权利要求3所述的晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法，其特征在于，步骤(9)中所述的晶体管性能退化条件为：

其中，I₂表示应力下的最大输出电流值，I₁表示应力前的最大输出电流值。

8.根据权利要求3所述的晶体管晶格形变导致性能退化的测试方法，其特征在于，步骤(10)中所述的晶格形变量计算公式如下：

其中，ε表示晶格形变量，t表示减薄后的芯片厚度，R表示芯片的曲率半径；

芯片的曲率半径通过利用MATLAB软件对如下方程组进行求解得到：

其中，L表示精确位移平台下层平台与垫块之间的距离，θ表示载片的弯曲度，n表示器件性能发生退化时精密位移平台螺杆手柄的转动圈数，常数500表示精确位移平台的螺杆每转动一周，精确位移平台的上层平台移动500微米。