CN110610871B - 一种金属栅温度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属栅温度测量方法，包括如下步骤：构建测量结构；其中，测量结构包括金属栅，与金属栅连接的掺杂鳍，以及与掺杂鳍一端连接的参考金属线；测量参考金属线的电阻值，并根据电阻值获得参考金属线的温度值；测量金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的电压差值；获取掺杂鳍对应的塞贝克系数，并根据电压差值，采用塞贝克公式计算金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的温度差值；根据参考金属线的温度值，以及金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的温度差值，计算得到金属栅的温度值，从而能够解决随着金属栅尺寸减小而不能够获取金属栅温度的问题。

Description

一种金属栅温度测量方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种金属栅温度测量方法。
背景技术
随着技术的发展，集成电路中器件的集成化程度越来越高，导致晶片上的单个器件的尺寸也越来越小，而金属栅的电阻也随之减小，无法通过四端法直接测量金属栅的电阻值，也就意味着无法通过金属栅的电阻值得到其温度值。
发明内容
为了克服无法直接通过四端法测量尺寸较小的金属栅的电阻，从而导致无法获得金属栅温度的技术问题，本发明提供一种金属栅温度测量方法。
本发明所述的金属栅温度测量方法，包括如下步骤：
构建测量结构；其中，测量结构包括金属栅，与金属栅连接的掺杂鳍，以及与掺杂鳍一端连接的参考金属线；
测量参考金属线的电阻值，并根据电阻值获得参考金属线的温度值；
测量金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的电压差值；
获取掺杂鳍对应的塞贝克系数，并根据电压差值，采用塞贝克公式计算金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的温度差值；
根据参考金属线的温度值，以及金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的温度差值，计算得到金属栅的温度值。
优选地，采用四端法测量参考金属线电阻值，其步骤包括：
在参考金属线的一端面上选取具有一定间距的第一端点和第二端点，并在第一端点处设置第一金属探针和第二金属探针，在第二端点处设置第三金属探针和第四金属探针；
通过第一金属探针和第四金属探针，在第一端点和第二端点之间施加电流I12；
测量第二金属探针和第三金属探针之间的电压差值ΔV12，并通过电流I12和电压差值ΔV12，计算第一端点和第二端点之间的电阻值R12，计算公式如下：
Figure GDA0003154590290000021
优选地，根据电阻值获得参考金属线温度值的步骤包括：
测量温度值为T2时，第一端点和第二端点之间的电阻值R2；
重复上述操作n次，通过若干组温度值和与之对应的电阻值，计算参考金属线对应的TCR(电阻温度系数)，计算公式如下：
RN＝R2(1+TCR·ΔT1)，
其中，ΔT1＝TN-T2，N＝3,4,5,6……n，n+1；TN为参考金属线的温度值；
根据求得的TCR计算电阻值为R12时，参考金属线对应的温度值T1。
优选地，金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间温度差值的计算公式如下：
Figure GDA0003154590290000031
其中，ΔT2为金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的温度差值，ΔV为金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的电压差值，a为掺杂鳍对应的塞贝克系数。
优选地，金属栅温度值的计算公式如下：
TM＝T1+ΔT2，
其中，TM为金属栅的温度值。
优选地，掺杂鳍为N型掺杂或P型掺杂。
优选地，掺杂鳍的掺杂浓度值等于掺杂鳍对应的赛贝克系数最大时的相应掺杂浓度值。
优选地，参考金属线通过通孔与掺杂鳍的一端连接。
优选地，通孔的制备材料为钨。
优选地，参考金属线为铜线或铝线。
综上所述，本发明的测量结构中，掺杂鳍为晶体管中的一部分，掺杂鳍与金属栅连接，测量时，金属的导热性能优于半导体，与金属栅直接接触的掺杂鳍的部分与金属栅的温度相同，而掺杂鳍的两端存在温差；掺杂鳍的一端，与掺杂鳍和金属栅连接部分的温差，等于掺杂鳍的一端与金属栅的温差。
参考金属线与掺杂鳍的一端连接，同时，参考金属线为导热性能良好的金属材料，故参考金属线的温度等于与之连接的掺杂鳍一端的温度，测量出参考金属线的温度；之后，利用塞贝克效应，可以得到参考金属线，与掺杂鳍和金属栅的连接处之间的温差，就可以得到金属栅的温度，从而能够解决随着金属栅尺寸减小而不能够获取金属栅温度的问题。
附图说明
图1是本发明中测量方法的流程图；
图2是本发明中测量结构示意图。
其中，1为金属栅，2为掺杂鳍，3为参考金属线。
具体实施方式
下面结合附图说明根据本发明的具体实施方式。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
目前，大多采用四端法直接测量金属栅的电阻值，获取金属栅对应的TCR，从而得到金属栅对应的温度值，但是随着晶片上的单个器件的尺寸越来越小，导致金属栅的电阻值过小，采用四端法直接测量得到的金属栅电阻值误差较大，甚至无法通过四端法测得金属栅的电阻值，从而无法获得金属栅的温度值。
而本发明所述的金属栅温度测量方法，采用与金属栅连接的掺杂鳍(掺杂鳍为FinFET晶体管自身结构中的鳍)作为温度传感器，掺杂鳍与金属栅连接处的温度等于金属栅的温度，测得掺杂鳍一端的温度，再根据塞贝克公式计算掺杂鳍一端，与金属栅和掺杂鳍连接处之间的温差，二者相加就可以得到金属栅的温度值，从而解决随着晶片上的单个器件的尺寸变小，而无法测量金属栅温度的问题。
具体如下：
本发明所述的金属栅温度测量方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、构建测量结构；其中，测量结构包括金属栅1，与金属栅1连接的掺杂鳍2，以及与掺杂鳍2一端连接的参考金属线3，具体结构参见图2；
本实施例中，需要说明的是，掺杂鳍2为FinFET晶体管自身结构中的鳍。
进一步地，掺杂鳍为N型掺杂或P型掺杂；其中，为提高测量精度，掺杂鳍2的掺杂浓度值等于掺杂鳍2对应的赛贝克系数最大时的相应掺杂浓度值，其具体数值在此不做限定，可根据具体工况设置。
本实施例中，参考金属线3通过通孔与掺杂鳍2的一端连接；优选地，通孔的制备材料为钨，参考金属线3为铜线或铝线；其中，参考金属线3和通孔均由导热性能良好的金属材料制备，故参考金属线3的温度，等于与之连接的掺杂鳍一端的温度。
在其他可选实施例中，通孔的制备材料还可为钴、钽等满足工作要求的任一种现有材料，参考金属线3还可以是由铜和铝的合金制成的金属线。
进一步地，金属栅1和掺杂鳍2的连接处，与参考金属线3的间距为FinFET晶体管中沟道长度的若干倍，即掺杂鳍一端，至金属栅1和掺杂鳍连接处的间距为晶体管中沟道长度的若干倍，其具体倍数可根据具体工况设置；在测量掺杂鳍一端，至金属栅1和掺杂鳍连接处温度差时，能够进一步保证金属栅1温度值的测量精度。
S2、测量参考金属线3的电阻值，并根据电阻值获得参考金属线3的温度值；
其中，进一步地，采用四端法测量参考金属线3电阻值，其步骤包括：
S21、在参考金属线3的一端面上选取具有一定间距的第一端点和第二端点，并在第一端点处设置第一金属探针和第二金属探针，在第二端点处设置第三金属探针和第四金属探针；
其中，进一步地，第一端点和第二端点，二者间距的设置，应使得二者之间的电阻足够大为宜，具体地，一般使得二者之间的电阻为几百欧姆。
S22、通过第一金属探针和第四金属探针，在第一端点和第二端点之间施加电流I12；
本实施例中，电流I12应为一个适当的值，具体地，若电流值太小，难以检测第一端点和第二端点之间的电压差，影响测量精度；若电流值太大，参考金属线会自热，导致测量得到的参考金属线3的温度偏高，最终导致金属栅1温度测量结果不准确；测量时电流I12大小可结合实际工况设置。
S23、测量第二金属探针和第三金属探针之间的电压差值ΔV12，并通过电流I12和电压差值ΔV12，计算第一端点和第二端点之间的电阻值R12，计算公式如下：
Figure GDA0003154590290000061
进一步地，根据电阻值R12获得参考金属线3温度值T1的步骤包括：
S24、测量温度值为T2时，第一端点和第二端点之间的电阻值R2；
S25、重复上述操作n次，通过若干组温度值和与之对应的电阻值，计算参考金属线3对应的TCR，计算公式如下：
RN＝R2(1+TCR·ΔT1)，
其中，ΔT1＝TN-T2，N＝3,4,5,6……n，n+1；TN为参考金属线3的温度值；n值大小可以根据实际工况选取，在此不作限定。
S26、根据求得的TCR计算电阻值为R12时，参考金属线3对应的温度值T1。
本实施例中，计算参考金属线3对应温度值T1的具体步骤为：将电阻值R12、R2，温度值T2，以及计算得到的TCR，带入如下公式即可求出T1值。
R12＝R2(1+TCR·ΔT1)；
其中，ΔT1＝T1-T2。
需要说明的是，上述是将温度值R2，以及对应温度下第一端点和第二端点之间的电阻值R2带入上述计算公式，还可将测量得到的任一组温度值和与之对应的电阻值带入上述公式计算。
S3、测量金属栅1和掺杂鳍2的连接处，与参考金属线3对应的电压差值；
S4、获取掺杂鳍2对应的塞贝克系数，并根据电压差值，采用塞贝克公式计算金属栅1和掺杂鳍2的连接处，与参考金属线3之间的温度差值；
进一步地，金属栅1和掺杂鳍2的连接处，与参考金属线3之间温度差值的计算公式如下：
Figure GDA0003154590290000071
其中，ΔT2为金属栅1和掺杂鳍2的连接处，与参考金属线3之间的温度差值；ΔV为金属栅1和掺杂鳍2的连接处，与参考金属线3之间的电压差值；a为掺杂鳍2对应的塞贝克系数。
进一步地，掺杂鳍2对应的塞贝克系数a，与其掺杂浓度相关，在测量金属栅1的温度前，可利用塞贝克公式预先计算出一定掺杂浓度下掺杂鳍2对应的塞贝克系数a；具体步骤为：采用电流源测量掺杂鳍2的电阻值，根据此电阻值获取掺杂鳍2对应的温度值(方法与将参考金属线3的电阻值转化为参考金属线3对应的温度值相同，在此不再赘述)，在相应温度值下测量掺杂鳍2的电压值，再采用塞贝克公式即可求出掺杂鳍2对应的塞贝克系数a。
需要说明的是如何获取掺杂鳍2对应的塞贝克系数a并非本发明的发明点，因此在本说明书中，只对其进行简单介绍，以便本领域普通技术人员能够容易地实施本发明。
S5、根据参考金属线3的温度值，以及金属栅1和掺杂鳍2的连接处，与参考金属线3之间的温度差值，计算得到金属栅1的温度值。
优选地，金属栅1温度值的计算公式如下：
TM＝T1+ΔT2，
其中，TM为金属栅1的温度值。
综上所述，本发明的测量结构中，掺杂鳍2与金属栅1连接，测量时，金属的导热性能优于半导体，与金属栅1直接接触的掺杂鳍2的部分与金属栅1的温度相同，而掺杂鳍2的两端存在温差；掺杂鳍2的一端，与掺杂鳍2和金属栅1连接部分的温度，等于掺杂鳍2的一端与金属栅1的温差。
参考金属线3与掺杂鳍2的一端连接，同时，参考金属线3为导热性能良好的金属材料，故参考金属线3的温度等于与之连接的掺杂鳍2一端的温度，测量出参考金属线3的温度，利用塞贝克效应，得到参考金属线3，与金属栅1和掺杂鳍2的连接处之间的温差，就可以得到金属栅1的温度，从而能够解决随着金属栅1尺寸减小而不能够获取金属栅1温度的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属栅温度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建测量结构；其中，所述测量结构包括金属栅，与所述金属栅连接的掺杂鳍，以及与所述掺杂鳍一端连接的参考金属线；
测量所述参考金属线的电阻值，并根据所述电阻值获得所述参考金属线的温度值；
测量所述金属栅和掺杂鳍的连接处，与所述参考金属线之间的电压差值；
获取所述掺杂鳍对应的塞贝克系数，并根据所述电压差值，采用塞贝克公式计算所述金属栅和掺杂鳍的连接处，与所述参考金属线之间的温度差值；
根据所述参考金属线的温度值，以及所述金属栅和掺杂鳍的连接处，与所述参考金属线之间的温度差值，计算得到所述金属栅的温度值。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，采用四端法测量所述参考金属线电阻值，其步骤包括：
在所述参考金属线的一端面上选取具有一定间距的第一端点和第二端点，并在所述第一端点处设置第一金属探针和第二金属探针，在所述第二端点处设置第三金属探针和第四金属探针；
通过所述第一金属探针和第四金属探针，在所述第一端点和第二端点之间施加电流I12；
测量所述第二金属探针和第三金属探针之间的电压差值ΔV12，并通过所述电流I12和电压差值ΔV12，计算所述第一端点和第二端点之间的电阻值R12，计算公式如下：
Figure FDA0003154590280000021
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，根据所述电阻值获得所述参考金属线温度值的步骤包括：
测量温度值为T2时，所述第一端点和第二端点之间的电阻值R2；
重复上述操作n次，通过若干组温度值和与之对应的电阻值，计算所述参考金属线对应的TCR，计算公式如下：
RN＝R2(1+TCR·ΔT1)，
其中，ΔT1＝TN-T2，N＝3,4,5,6……n，n+1；TN为所述参考金属线的温度值；
根据求得的TCR计算电阻值为R12时，所述参考金属线对应的温度值T1。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述金属栅和掺杂鳍的连接处，与所述参考金属线之间温度差值的计算公式如下：
Figure FDA0003154590280000022
其中，ΔT2为所述金属栅和掺杂鳍的连接处，与所述参考金属线之间的温度差值，ΔV为所述金属栅和掺杂鳍的连接处，与参考金属线之间的电压差值，a为所述掺杂鳍对应的塞贝克系数。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述金属栅温度值的计算公式如下：
TM＝T1+ΔT2，
其中，TM为所述金属栅的温度值。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述掺杂鳍为N型掺杂或P型掺杂。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述掺杂鳍的掺杂浓度值等于所述掺杂鳍对应的赛贝克系数最大时的相应掺杂浓度值。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述参考金属线通过通孔与所述掺杂鳍的一端连接。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述通孔的制备材料为钨。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述参考金属线为铜线或铝线。
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