CN103869233A - 一种半导体器件内部薄层热阻的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体器件内部薄层热阻的测量方法。测量时将半导体器件3置于恒温平台4上，仅改变与薄层1相邻的下一层材料2的厚度d，以半导体器件3有源区为热源，对不同结构的半导体器件3进行热阻测量，通过分析测得的热阻微分结构函数曲线，得到薄层1及其相邻下层材料2热阻总和R与厚度d的关系曲线，进一步确定半导体器件3内部的薄层1热阻。本发明通过测量半导体器件薄层材料与相邻下层材料的总热阻R随下层材料厚度d的变化规律，并进行函数拟合，从而测得薄层材料的热阻。解决了现有测量方法由于高电子迁移率晶体管器件中间材料热容低于上下两层材料，无法对中间薄层材料进行热阻测量的问题。

Description

一种半导体器件内部薄层热阻的测量方法

技术领域

本发明涉及电子器件测试领域，主要应用于半导体器件内部薄层材料热阻测量与分析。

背景技术

随着半导体器件不断向着大功率、高集成度的方向发展。器件工作时产生的热量不断增加，结温不断升高，使得器件可靠性下降。器件结温升等于功率与热阻的乘积，因此，器件内部热阻是影响器件结温升的重要因素。在半导体器件内部多层结构中，有一些高热阻的薄层材料，例如一些HEMT（High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管）器件中1.2umGaN层与300um的衬底之间存在30nm的buffer层，由于热阻高，使得buffer层上表面温度高于层下表面温度达100℃，如图1所示，抑制了器件散热。因此，测量器件内部薄层材料热阻是研究器件热特性、提高器件可靠性、对器件进行热控制的重要环节。目前，测量器件内部热阻的方法有稳态和瞬态两种方法。在稳态法测量器件内部热阻过程中，对器件结温响应曲线进行结构函数处理，器件内部薄层材料热容为C₁，薄层相邻下层材料热容为C₂，当C₁与C₂相近或C₁远远小于C₂时，薄层热阻会淹没在下一层材料的热阻中，微分结构函数曲线则无法反映薄层热阻。瞬态法测量器件内部热阻时，利用拉曼法测量器件内部热分布与热阻的关系进行测量，但这一方法在实际测量时，由于激光无法透过金属、SiC等不透明材料射入器件内部，因此，对于表面金属化或背部材料不透明的半导体器件，拉曼法不能测量器件内部温度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种测量薄层热阻的方法，通过改变与高热阻薄层相邻的下层材料厚度，保持其它结构恒定，利用热阻测量装置测量不同结构半导体器件的结壳热阻，得到薄层与相邻下层材料的热阻之和，将薄层相邻下层材料厚度与热阻和的对应数据进行拟合，得到薄层热阻。

本发明技术方案的原理是：在不同器件内部结构条件下，利用热阻测量装置测得器件结壳热阻微分结构函数曲线，通过分析不同结构下热阻微分结构函数曲线，得到薄层与相邻下层材料总热阻-材料厚度的关系曲线，最后经处理得到薄层热阻。

本发明进行热阻测量的装置包括：被测半导体器件3，恒温平台4，测试电路板5，计算机6，工作电源7，加热电源8。所述被测半导体器件3包括薄层材料1和材料2；加热电源8为恒温平台4供电；恒温平台4用于调节和保持半导体器件3温度；工作电源7通过测试电路板5为半导体器件3提供加热电流和测试电流；计算机6通过控制测试电路板5完成测试电流和加热电流的切换，并对测量得到的数据进行采集和处理。

半导体器件3的热阻测量方法包括以下步骤：

（1）将半导体器件3放置在恒温平台4上，以加热电源8控制恒温平台4；

（2）加热电源8控制恒温平台4温度，使半导体器件3在不同温度下到达稳态。计算机6控制工作电源7通过测试电路板5给半导体器件3通入测试电流，并通过测试电路板5测量不同温度下半导体器件3的栅源电压，得到栅源电压随温度变化的关系曲线；

（3）计算机6控制工作电源7，对半导体器件3通入加热电流，待半导体器件3温度达到稳定后，再由计算机6控制，停止对半导体器件3通入加热电流，半导体器件1开始冷却。然后，对半导体器件3通入测试电流，通过测试电路板5采集半导体器件3的温敏参数，直至半导体器件3温度与恒温平台4温度相等，通过冷却过程中对半导体器件3栅源电压变化进行采集，并根据步骤（2）中得到的栅源电压随温度变化曲线，对应得冷到却过程中的温度变化数据，对数据进行结构函数处理得到半导体器件3结到壳的热阻微分结构函数曲线，通过曲线中的尖峰读出半导体器件3内部薄层材料1以及相邻下层材料2的热阻总和值，保存微分结构函数曲线以及曲线对应数据；

（4）改变薄层相邻下一层材料2的厚度，即改变该层材料的热阻、热容值。在材料2不同厚度条件下，测量多组薄层1与下层材料2的热阻总和R随材料2厚度d变化数据；

（5）将（4）中得到的不同材料厚度d下的不同热阻总和R₁、R₂、……、R_N数据进行拟合，得到R-d函数曲线，对d取0值，得到薄层材料1热阻R_thin。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过测量半导体器件薄层材料与相邻下层材料的总热阻R随下层材料厚度d的变化规律，并进行函数拟合，从而测得薄层材料的热阻。解决了现有测量方法由于高电子迁移率晶体管HEMT器件中间材料热容低于上下两层材料，无法对中间薄层材料进行热阻测量的问题。另外，本发明所述的热阻测量方法有助于器件设计以及对器件内部进行热分析。

附图说明

图1为半导体器件内部高热阻薄层材导致高温差示意图；

图2为本发明实施例热阻测量装置示意图；

图3为实施例半导体器件的栅源电压—温度关系曲线；

图4为实施例半导体器件内部的热阻微分结构函数。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本实施例选AlGaN/GaN HEMT器件为被测半导体器件3。

测试装置如图2所示，测量半导体器件3热阻的方法包括以下步骤：

步骤1，将半导体器件3置于恒温平台4上，连接测试电路板5，将测试电路板5与计算机6、工作电源7相连；如图2所示。

步骤2，加热电源8控制恒温平台4的温度，使半导体器件3在不同温度下到达稳态。由计算机6控制工作电源7对半导体器件3通入1mA的测试电流，测量不同温度下半导体器件3的栅源电压，得到电压-温度关系曲线，如图3所示；

步骤3，计算机6控制工作电源7，通过测试电路板5对半导体器件3施加1A的加热电流，使半导体器件3自升温。待半导体器件3温度稳态后，计算机6控制工作电源7将加热电流切换为测试电流，测量半导体器件3冷却过程中的栅源电压随温度变化的响应曲线，结合步骤2中测得的电压-温度关系曲线，对半导体器件3散热通路上热阻进行结构函数处理得到半导体器件3结到壳的热阻微分结构函数曲线，如图4所示；

步骤4，根据步骤3得到的微分结构函数曲线中的尖峰位置得到半导体器件3内部薄层材料以及相邻下层材料的热阻总和R₁；

步骤5，保持半导体器件3内部其它结构不变，仅改变薄层1相邻下层材料2的厚度d。在相同的加热电流、测试电流下重复步骤3，测得材料2不同厚度d下的热阻和R₂、R₃、……R_n。保存相应的数据和曲线。

步骤6，将不同材料2厚度d对应的薄层材料1和相邻下层材料2的热阻和R₁、R₂、……、R_n进行函数拟合得到R-d的函数曲线，对d取0，得到薄层材料R_thin。

Claims (1)

1.一种半导体器件内部薄层热阻的测量方法，包括：被测半导体器件（3），恒温平台（4），测试电路板（5），计算机（6），工作电源（7），加热电源（8）；所述半导体器件（3）包括薄层材料（1）和材料（2）；加热电源（8）为恒温平台（4）供电；恒温平台（4）用于调节和保持半导体器件（3）温度；工作电源（7）通过测试电路板（5）为半导体器件（3）提供加热电流和测试电流；计算机（6）通过控制测试电路板（5）完成测试电流和加热电流的切换，并对测量得到的数据进行采集和处理；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将半导体器件（3）置于恒温平台（4）上，连接测试电路板（5），将测试电路板（5）与计算机（6）、工作电源（7）相连；

步骤2，加热电源（8）控制恒温平台（4）的温度，使半导体器件（3）在不同温度下到达稳态；由计算机（6）控制工作电源（7）对半导体器件（3）通入1mA的测试电流，测量不同温度下半导体器件（3）的栅源电压，得到电压-温度关系曲线；

步骤3，计算机（6）控制工作电源（7），通过测试电路板（5）对半导体器件（3）施加1A的加热电流，使半导体器件（3）自升温；待半导体器件（3）温度稳态后，计算机（6）控制工作电源（7）将加热电流切换为测试电流，测量半导体器件（3）冷却过程中的栅源电压随温度变化的响应曲线，结合步骤2中测得的电压-温度关系曲线，对半导体器件（3）散热通路上热阻进行结构函数处理得到半导体器件（3）结到壳的热阻微分结构函数曲线；

步骤4，根据步骤3得到的微分结构函数曲线中的尖峰位置得到半导体器件（3）内部薄层材料以及相邻下层材料的热阻总和R₁；

步骤5，保持半导体器件（3）内部其它结构不变，仅改变薄层（1）相邻下层材料（2）的厚度d；在相同的加热电流、测试电流下重复步骤3，测得材料（2）不同厚度d下的热阻和R₂、R₃、……R_n；保存相应的数据和曲线；

步骤6，将不同材料（2）的厚度d对应的薄层材料（1）和相邻下层材料（2）的热阻和R₁、R₂、……、R_n进行函数拟合得到R-d的函数曲线，对d取0，得到薄层材料R_thin。

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