CN104849308A - 一种半导体器件界面热阻的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件界面热阻的测试方法，在防自激电路保证半导体器件不会产生自激的条件下，基于电学法热阻测试仪对器件的瞬态温升进行测量，利用结构函数法对器件内部多层材料热阻、热容进行分析，提取芯片热阻值。利用提取的芯片热阻值，得到该固定面积下器件在不同SiC层厚度的条件下4个样品的总热阻值。接下来对测得的数据进行分析，通过数据计算出单位厚度的GaN所带来的热阻的增量，同时，通过数据计算出单位厚度的SiC所带来的热阻的增量，通过以上计算分析，得到要测的器件的界面热阻R_th(界面)。

Description

一种半导体器件界面热阻的测试方法

技术领域

本发明属于电子器件测试领域，主要用于半导体器件界面热阻的测量与分析，具体涉及一种半导体器件界面热阻的测试方法。

背景技术

半导体器件被广泛应用于生活中的各个领域。然而随着器件向尺寸小、功率密度大的方向发展，器件的结温不断增加，导致半导体器件的寿命不断下降。当热量在不同材料边界处传输时，温度变化将不连续，温差甚至能达到100℃以上。为了准确评价半导体器件可靠性，就需要得知界面热阻和芯片热阻的关系。因此，需要对半导体器件的界面热阻进行准确测量。

由于电学法中结构函数的原理，电学法同样不能满足分析界面热阻的需求。结构函数原理要求热容水平随加热时间增加而上升，因此利用结构函数方法获取热阻构成信息的一个必要条件是：以热源为空间原点，材料热容随热源距离增大而增大。即，只有远离热源的材料热容更大，电学法才能测出该层材料的热阻。

对应于实际应用中，当一个高热阻的薄层材料(低热容水平)位于两个高热容材料之间时，不能用结构函数方法直接获得该薄层的成分热阻。而根据前面分析，上述各个部分界面热阻又是总热阻的主要构成部分。因此，测量界面热阻以及研究影响界面热阻的机理就成为解决半导体器件散热的核心问题。

就目前的技术而言，激光拉曼发测量温度的误差为±10℃，测量的界面热阻并不准确，不能满足半导体器件热特性研究中界面热阻测量的准确性的要求。因此，急需发明出一种精确、合理地测量半导体器件界面热阻的方法。

发明内容

针对目前测量方法无法提取半导体器件芯片中接触热阻的问题，本发明提出了一种准确测量半导体器件芯片中接触热阻的方法。

首先，在防自激电路保证半导体器件不会产生自激的条件下，基于电学法热阻测试仪对器件的瞬态温升进行测量，利用结构函数法对器件内部多层材料热阻、热容进行分析，提取芯片热阻值。然后，在对1号样品不改变衬底厚度h1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变不同的成核层上层厚度，由d1改变成d2、d3、d4，从而制成相应的2号、3号、4号样品。利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下器件在不同成核层上层厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th2、R_th3、R_th4。接着，在不改变1号样品成核层上层厚度d1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变衬底厚度，由h1改变成h2、h3、h4，从而制成相应的5号、6号、7号样品。利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下器件在不同衬底厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th5、R_th6、R_th7。

接下来对测得的数据进行分析，通过数据计算出单位厚度的成核层上层所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，代表求取平均后的成核层上层单位厚度所带来的热阻值，d1、d2、d3、d4分别代表成核层上层不同的厚度值，R_th1、R_th2、R_th3、R_th4分别代表d1、d2、d3、d4厚度下的器件的总的热阻值。

同时，通过数据计算出单位厚度的衬底所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，代表求取平均后的衬底单位厚度所带来的热阻值，h1、h2、h3、h4分别代表衬底不同的厚度值，R_th1、R_th5、R_th6、R_th7分别代表h1、h2、h3、h4厚度下的器件的总的热阻值。

式中，代表1号样品的界面热阻值，R_th1代表1号样品的总热阻值， 代表求取平均后的成核层上层单位厚度所带来的热阻值，d1代表1号样品成核层上层的厚度，代表求取平均后的衬底单位厚度所带来的热阻值，h1代表1号样品衬底的厚度。

通过以上计算分析，得到要测的半导体器件的界面热阻

本发明的特征在于，该方法还包括以下步骤：

步骤一，将半导体器件固定在热阻测试平台上，用同轴线将其与测试装置相连接，放在室内稳定的实验平台上进行器件热阻测量。

步骤二，通过更换不同编号的半导体器件，置于相同的环境和实验平台，测量不同编号半导体器件的热阻。

步骤三，根据步骤二测试的结果分别进行从而推算出所需要的半导体器件的界面热阻

附图说明

图1为本发明所涉及测试装置的示意图，图中：1-HEMT器件热阻测试平台，2-器件夹具，3-HEMT器件，4-HEMT器件热阻测试仪。

图2为本发明所涉及方法的流程图。

具体实施方式

下面以HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)器件，结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明。

本发明所涉及方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤一，按照图1的测试装置示意图进行连接。

测试装置包括HEMT器件热阻测试平台1、器件夹具2、HEMT器件3、HEMT器件热阻测试仪4；HEMT器件3安装在HEMT器件热阻测试平台1上，HEMT器件3两端通过器件夹具2固定加紧，HEMT器件3与HEMT器件热阻测试仪4连接；将HEMT器件热阻测试平台1放在室内稳定的实验台上进行器件热阻测量。

步骤二，通过更换不同编号的HEMT器件，置于相同的环境和实验平台，测量不同编号HEMT器件的热阻。在防自激电路保证HEMT器件不会产生自激的条件下，基于电学法热阻测试仪对GaN基HEMT器件的瞬态温升进行测量，利用结构函数法对器件内部多层材料热阻、热容进行分析，提取芯片热阻值。然后，在对1号样品不改变SiC衬底厚度h1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变不同的GaN层厚度，由d1改变成d2、d3、d4，从而制成相应的2号、3号、4号样品。利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下HEMT器件在不同GaN层厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th2、R_th3、R_th4。接着，在不改变1号样品GaN层厚度d1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变SiC衬底厚度，由h1改变成h2、h3、h4，从而制成相应的5号、6号、7号样品。利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下HEMT器件在不同SiC层厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th5、R_th6、R_th7。

步骤三，对测得的数据进行分析，通过数据计算出单位厚度的GaN所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，代表求取平均后的GaN层单位厚度所带来的热阻值，d1、d2、d3、d4分别代表GaN层不同的厚度值，R_th1、R_th2、R_th3、R_th4分别代表d1、d2、d3、d4厚度下的HEMT器件的总的热阻值。

步骤四，通过数据计算出单位厚度的SiC所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，代表求取平均后的SiC层单位厚度所带来的热阻值，h1、h2、h3、h4分别代表SiC层不同的厚度值，R_th1、R_th5、R_th6、R_th7分别代表h1、h2、h3、h4厚度下的HEMT器件的总的热阻值。

通过以上计算分析，得到要测的HEMT器件的界面热阻

式中，代表1号样品的界面热阻值，R_th1代表1号样品的总热阻值， 代表求取平均后的GaN层单位厚度所带来的热阻值，d1代表1号样品GaN层的厚度，代表求取平均后的SiC层单位厚度所带来的热阻值，h1代表1号样品SiC层的厚度。

Claims (3)

1.一种半导体器件界面热阻的测试方法，其特征在于：首先，在防自激电路保证半导体器件不会产生自激的条件下，基于电学法热阻测试仪对器件的瞬态温升进行测量，利用结构函数法对器件内部多层材料热阻、热容进行分析，提取芯片热阻值；然后，在对1号样品不改变衬底厚度h1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变不同的成核层上层厚度，由d1改变成d2、d3、d4，从而制成相应的2号、3号、4号样品；利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下器件在不同成核层上层厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th2、R_th3、R_th4；接着，在不改变1号样品成核层上层厚度d1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变衬底厚度，由h1改变成h2、h3、h4，从而制成相应的5号、6号、7号样品；利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下器件在不同衬底厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th5、R_th6、R_th7；

接下来对测得的数据进行分析，通过数据计算出单位厚度的成核层上层所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，R_{th成核层上层(单位厚度)}代表求取平均后的成核层上层单位厚度所带来的热阻值，d1、d2、d3、d4分别代表成核层上层不同的厚度值，R_th1、R_th2、R_th3、R_th4分别代表d1、d2、d3、d4厚度下的器件的总的热阻值；

同时，通过数据计算出单位厚度的衬底所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，R_{th衬底(单位厚度)}代表求取平均后的衬底单位厚度所带来的热阻值，h1、h2、h3、h4分别代表衬底不同的厚度值，R_th1、R_th5、R_th6、R_th7分别代表h1、h2、h3、h4厚度下的器件的总的热阻值；

R_th(界面)＝R_th1-R_{th成核层上层(单位厚度)}×d1-R_{th衬底(单位厚度)}×h1

式中，R_th(界面)代表1号样品的界面热阻值，R_th1代表1号样品的总热阻值，R_{th成核层上层(单 位厚度)}代表求取平均后的成核层上层单位厚度所带来的热阻值，d1代表1号样品成核层上层的厚度，R_{th衬底(单位厚度)}代表求取平均后的衬底单位厚度所带来的热阻值，h1代表1号样品衬底的厚度；

通过以上计算分析，得到要测的半导体器件的界面热阻R_th(界面)。

2.根据权利要求1所述的一种半导体器件界面热阻的测试方法，其特征在于：该方法还包括以下步骤：

步骤一，将半导体器件固定在热阻测试平台上，用同轴线将其与测试装置相连接，放在室内稳定的实验平台上进行器件热阻测量；

步骤二，通过更换不同编号的半导体器件，置于相同的环境和实验平台，测量不同编号半导体器件的热阻；

步骤三，根据步骤二测试的结果分别进行R_{th成核层上层(单位厚度)}、R_{th衬底(单位厚度)}从而推算出所需要的半导体器件的界面热阻R_th(界面)。

3.根据权利要求1所述的一种半导体器件界面热阻的测试方法，其特征在于：该方法包括下述流程，步骤一，测试装置进行连接；

测试装置包括HEMT器件热阻测试平台(1)、器件夹具(2)、HEMT器件(3)、HEMT器件热阻测试仪(4)；HEMT器件(3)安装在HEMT器件热阻测试平台(1)上，HEMT器件(3)两端通过器件夹具(2)固定加紧，HEMT器件(3)与HEMT器件热阻测试仪(4)连接；将HEMT器件热阻测试平台(1)放在室内稳定的实验台上进行器件热阻测量；

步骤二，通过更换不同编号的HEMT器件，置于相同的环境和实验平台，测量不同编号HEMT器件的热阻；在防自激电路保证HEMT器件不会产生自激的条件下，基于电学法热阻测试仪对GaN基HEMT器件的瞬态温升进行测量，利用结构函数法对器件内部多层材料热阻、热容进行分析，提取芯片热阻值；然后，在对1号样品不改变SiC衬底厚度h1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变不同的GaN层厚度，由d1改变成d2、d3、d4，从而制成相应的2号、3号、4号样品；利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下HEMT器件在不同GaN层厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th2、R_th3、R_th4；接着，在不改变1号样品GaN层厚度d1、成核层工艺及尺寸以及固定界面接触面积s的条件下，改变SiC衬底厚度，由h1改变成h2、h3、h4，从而制成相应的5号、6号、7号样品；利用前一步提取的芯片热阻值，得到该固定面积下HEMT器件在不同SiC层厚度的条件下4个样品的总热阻值R_th1、R_th5、R_th6、R_th7；

步骤三，对测得的数据进行分析，通过数据计算出单位厚度的GaN所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，R_{thGaN(单位厚度)}代表求取平均后的GaN层单位厚度所带来的热阻值，d1、d2、d3、d4分别代表GaN层不同的厚度值，R_th1、R_th2、R_th3、R_th4分别代表d1、d2、d3、d4厚度下的HEMT器件的总的热阻值；

步骤四，通过数据计算出单位厚度的SiC所带来的热阻的增量，计算公式如下式：

式中，R_{thGaN(单位厚度)}代表求取平均后的SiC层单位厚度所带来的热阻值，h1、h2、h3、h4分别代表SiC层不同的厚度值，R_th1、R_th5、R_th6、R_th7分别代表h1、h2、h3、h4厚度下的HEMT器件的总的热阻值；

通过以上计算分析，得到要测的HEMT器件的界面热阻R_th(界面)；

R_th(界面)＝R_th1-R_{thGaN(单位厚度)}×d1-R_{thSiC(单位厚度)}×h1

式中，R_th(界面)代表1号样品的界面热阻值，R_th1代表1号样品的总热阻值，R_{thGaN(单位厚 度)}代表求取平均后的GaN层单位厚度所带来的热阻值，d1代表1号样品GaN层的厚度，R_{thSiC(单位厚度)}代表求取平均后的SiC层单位厚度所带来的热阻值，h1代表1号样品SiC层的厚度。