微電子器件熱譜分析方法的研究.pdf

1、研究探索一種方法同時(shí)具有電學(xué)方法的非破壞性無損傷探測(cè)的特點(diǎn)，而又能像紅外熱像法那樣可以探測(cè)器件的溫度分布而不是單一溫度值，便成了非常有意義而又同時(shí)具有極大實(shí)用價(jià)值的研究。但是從上世紀(jì)70年代美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的D.L Blackburn開始提出一種電學(xué)方法探測(cè)器件峰值結(jié)溫的方法設(shè)想，到上世紀(jì)90年代北京工業(yè)大學(xué)的呂長(zhǎng)志、王明珠、高光渤等人在Blackburn論文的基礎(chǔ)上的繼續(xù)深入研究，這期問也還有其他科研工作者從事這個(gè)領(lǐng)域的研究，但都因?yàn)槠?/p>

2、方法存在的種種局限性而無法繼續(xù)深入，最終的結(jié)果也不理想而沒有得到推廣。90年代中期，山東大學(xué)苗慶海教授等人發(fā)現(xiàn)了小電流過趨熱效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上找到了攻克該世界難題的突破口，經(jīng)過多年來的研究取得了突破性進(jìn)展。本文中的研究?jī)?nèi)容正是基于攻克該世界技術(shù)難題的研究目標(biāo)，在此研究背景下而展開的。文中所呈現(xiàn)的熱譜分析方法正是這種使用純電學(xué)方式探測(cè)器件溫度分布不均勻性和不均勻度的方法。晶體管熱譜分析方法是一種使用純電學(xué)方式探測(cè)芯片溫度分布不均勻性和不均

3、勻度的方法，它繼承了電學(xué)方法測(cè)量溫度的優(yōu)勢(shì)，即對(duì)器件的測(cè)量是非破壞性、無損傷的，既可以測(cè)量半成品也可以測(cè)量成品器件，同時(shí)它又具備了紅外熱像法的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)，即可以獲取器件的峰值結(jié)溫、溫度分布的不均勻性和不均勻度信息。而且熱譜分析方法在探測(cè)溫度分布信息方面還有優(yōu)于紅外熱像法的地方，因?yàn)榧t外熱像法雖然可以獲得整個(gè)芯片的溫度信息，對(duì)于溫度分布情況一幕了然，但是基于這種方法的可靠性判斷缺乏必要的定量分析，尤其是針對(duì)器件的有源區(qū)；而熱譜分析方法，通過

4、測(cè)量器件有源區(qū)的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的數(shù)理模型計(jì)算出器件的溫度分布，給出相應(yīng)的溫度和對(duì)應(yīng)的有效面積，這是專門針對(duì)器件有源區(qū)進(jìn)行定性定量分析的結(jié)果。而且，電學(xué)測(cè)試方法響應(yīng)速度較快可以測(cè)試器件的瞬態(tài)結(jié)溫，而紅外熱像法響應(yīng)速度較慢對(duì)于瞬態(tài)結(jié)溫的測(cè)量則不如電學(xué)方法。紅外熱像法由于是測(cè)量器件芯片表面的溫度，對(duì)于淺表面結(jié)的器件由于有源區(qū)到表面溫度梯度較小其測(cè)量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但是對(duì)于較深表面結(jié)的器件當(dāng)縱向存在較大溫度梯度時(shí)其測(cè)量結(jié)果則不再真實(shí)可靠，然

5、而對(duì)于電學(xué)測(cè)試方法，其測(cè)試電流正是通過器件有源區(qū)，因此它可以很好的反映器件的有源區(qū)溫度情況，其測(cè)量結(jié)果相對(duì)可靠。因此在對(duì)器件進(jìn)行可靠性分析判斷方面，使用電學(xué)測(cè)試方法的熱譜分析方法優(yōu)于紅外熱像法，更優(yōu)于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)方法，可以提供更準(zhǔn)確可靠的信息。 在第一章緒論里，介紹了使用電學(xué)方法探測(cè)微電子器件溫度以及溫度分布均勻性的研究背景和當(dāng)前的研究現(xiàn)狀以及本文選題的目的和意義。首次對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)方法所測(cè)結(jié)溫即標(biāo)電結(jié)溫的物理意義進(jìn)行了研究探索，

6、并新辟途徑采取了特殊的試驗(yàn)方法來論述半導(dǎo)體器件里幾個(gè)溫度的不等式關(guān)系。 在第二章“熱譜曲線罩”，從半導(dǎo)體器件的紅外熱像圖出發(fā)，專門針對(duì)器件的有源區(qū)，通過定量和定性的分析得出了溫度分布譜線，并首次將這類圖形與光譜曲線進(jìn)行類比，將其定義為熱譜曲線。半導(dǎo)體器件的紅外熱像圖雖然給出了整個(gè)器件的溫度分布信息，但是沒有針對(duì)器件有源區(qū)進(jìn)行定量和定性的分析，除了峰值結(jié)溫特別有用以外，對(duì)器件有源區(qū)的結(jié)溫缺乏便于直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果。因此，本

7、章中使用獨(dú)自編寫的“紅外熱像圖熱譜分析軟件”，根據(jù)比色法的原理，可以對(duì)任意選定的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲取相關(guān)溫度以及相關(guān)分御數(shù)據(jù)。通過套用編寫的針對(duì)不同器件芯片的模板，選定器件的有源區(qū)，然后根據(jù)比色法對(duì)熱像圖中的選擇區(qū)域進(jìn)行了定量和定性的分析，統(tǒng)計(jì)出有源區(qū)內(nèi)的所有溫度值以及各溫度值所占整個(gè)有源區(qū)的比例，進(jìn)而給出了晶體管發(fā)射區(qū)的熱譜曲線和發(fā)射區(qū)一維溫度分布曲線。一維溫度分布曲線簡(jiǎn)明扼要地給出了整個(gè)發(fā)射區(qū)的結(jié)溫分布情況，由該曲線可以直接讀取發(fā)射

8、區(qū)的峰值結(jié)溫和最低結(jié)溫，還可以計(jì)算出平均結(jié)溫。晶體管熱譜曲線是表示晶體管結(jié)溫不均勻性的一種比熱像圖簡(jiǎn)單明晰的新方法。本章中的熱譜曲線是通過模仿光學(xué)的方法而得來，即溫度的不均勻性和不均勻度均來自熱像圖，但是它卻給后面的使用純電學(xué)方法提供了驗(yàn)證的依據(jù)，即從熱像圖導(dǎo)出的熱譜曲線也應(yīng)該是從電學(xué)方法求索的熱譜分析最終要得出的結(jié)果。在第三章“小電流過趨熱效應(yīng)”中，分別在模擬假設(shè)的結(jié)溫分布和實(shí)際的結(jié)溫分布中，通過理論和試驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了熱譜分析方法的最

9、基本理論之一一小電流過趨熱效應(yīng)。小電流過趨熱效應(yīng)在90年代中期被發(fā)現(xiàn)，并在后來被應(yīng)用到利用雙電流法判斷結(jié)溫分布不均勻性，但是一直沒有得到完善系統(tǒng)全面的證明。本章研究?jī)?nèi)容中，首次針對(duì)實(shí)際結(jié)溫分布中的小電流過趨熱效應(yīng)，從理論和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行了全面的證明。 沿用上一章的研究方法，從實(shí)際的晶體管紅外熱像圖中獲取其熱譜曲線，然后根據(jù)其溫度和相應(yīng)的歸一化面積建立子管并聯(lián)模型，并在此基礎(chǔ)上通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)果吻合一致，進(jìn)而證明了小

10、電流過趨熱效應(yīng)在PN結(jié)勢(shì)壘中的真實(shí)存在。晶體管在耗散功率時(shí)，結(jié)溫分布一般不均勻。在晶體管子管并聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算分別在模擬結(jié)溫分布和實(shí)際溫度分布的基礎(chǔ)上驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：結(jié)溫分布不均勻時(shí)，高溫區(qū)的電流密度大于低溫區(qū)的電流密度：測(cè)試電流越小，高溫區(qū)與低溫區(qū)電流密度的比值越大，電流越集中在高溫區(qū)，且集中區(qū)域的面積隨著測(cè)試電流的減小而縮小，我們將這種現(xiàn)象稱為小電流過趨熱效應(yīng)。利用這一特性可以研究晶體管結(jié)溫分布的不均勻性，計(jì)算結(jié)溫分布的

11、不均勻度，對(duì)半導(dǎo)體器件可靠性分析具有非常重要的意義。第四章“晶體管熱譜分析方法”是本文研究?jī)?nèi)容的重點(diǎn)，介紹了基于子管并聯(lián)模型和等溫環(huán)模型基礎(chǔ)上的晶體管熱譜分析方法。小電流過趨熱效應(yīng)、MQH算法、Ebers-Moll模型是熱譜分析方法算法的基礎(chǔ)理論。MQH算法是由山東大學(xué)苗慶海教授在多年熱譜分析方法的研究中總結(jié)提出的，它是熱譜分析方法基本算法的關(guān)鍵，也從理論和試驗(yàn)上得到了證明；Ebers-Moll模型將PN結(jié)勢(shì)壘器件中的雙極晶體管簡(jiǎn)化的關(guān)

12、鍵，將復(fù)雜的雙PN結(jié)問題簡(jiǎn)化為單PN結(jié)的二極管模型進(jìn)行分析。然后，介紹了晶體管熱譜分析方法的最基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)一本底數(shù)據(jù)，即晶體管I-V-T數(shù)據(jù)。在溫度可調(diào)的高精度恒溫裝置里，高速采集多階梯恒流所對(duì)應(yīng)的溫敏參數(shù)，進(jìn)而獲得較寬溫度區(qū)間內(nèi)的I-V-T特性曲線簇，它是晶體管最基本的物理屬性，是最重要的熱學(xué)特性。本底數(shù)據(jù)是包含了熱導(dǎo)、熱容、串聯(lián)電阻、注入系數(shù)等等分布參量的綜合結(jié)果，比D.L.Blackburn的方法可信度高。 本章中詳細(xì)介紹

13、了熱譜分析方法的基本算法和零時(shí)刻溫敏參數(shù)的較合理的回歸處理。在此基礎(chǔ)上通過基于標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)方法的BJ2984瞬態(tài)熱阻測(cè)試儀、基于熱譜分析方法的“軍用半導(dǎo)體器件可靠性分析儀”、紅外熱像儀的聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，三種方法探測(cè)晶體管的結(jié)溫情況，其結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)方法則隨著功率的增大，其與紅外熱像法的結(jié)果差距越來越大，即其結(jié)果越來越偏離真實(shí)情況，而熱譜分析方法探測(cè)峰值結(jié)溫和有效面積方而一直與紅外熱像法基本吻合。這說明熱譜分析方法可以準(zhǔn)確可靠地探測(cè)峰值結(jié)溫、結(jié)

14、溫分布不均勻性和不均勻度，其相對(duì)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)方法和紅外熱像法的優(yōu)勢(shì)注定將最終取代他們而成為晶體管結(jié)溫的常規(guī)主流測(cè)量方法。 在第五章“晶體管實(shí)時(shí)測(cè)量和實(shí)時(shí)熱譜分析方法的研究”中．首次成功解決了半導(dǎo)體器件實(shí)時(shí)測(cè)量方法的實(shí)施，并且，首次將熱譜分析方法用于實(shí)時(shí)測(cè)量中進(jìn)行實(shí)時(shí)地探測(cè)結(jié)溫分布的不均勻性和不均勻度。實(shí)時(shí)測(cè)量半導(dǎo)體器件結(jié)溫方法是，在加熱的同時(shí)，不改變加熱狀況的情況下，把加熱電流直接作為測(cè)量電流從而測(cè)量出品體管的結(jié)溫。解決了國(guó)際標(biāo)

15、準(zhǔn)IEC 60747-7熱阻測(cè)量部分`提到的關(guān)于大電流下溫敏參數(shù)測(cè)不準(zhǔn)的問題，把加熱電流作為測(cè)量電流從而實(shí)現(xiàn)了真正的實(shí)時(shí)測(cè)量。在實(shí)時(shí)測(cè)量期間快速小幅度更改加熱電流成階梯電流，采集對(duì)應(yīng)的溫敏參數(shù)即可以用于熱譜分析，從而實(shí)時(shí)地獲得結(jié)溫分偉的不均勻性和不均勻度信息。該方法可應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片焊接質(zhì)量和安全工作區(qū)的無損傷檢測(cè)，穩(wěn)態(tài)壽命和功率老化試驗(yàn)的結(jié)溫控制，更新熱阻測(cè)量方法和儀器，在線測(cè)量，機(jī)載測(cè)量，評(píng)價(jià)裝備和系統(tǒng)的可靠性和壽命等場(chǎng)合，具有十分

16、重大的意義和實(shí)用價(jià)值。在第六章“溫敏元器件的熱譜分析方法”中，在晶體管熱譜分析方法成功實(shí)施應(yīng)用的基礎(chǔ)上，首次通過橫向研究探索將其拓寬延伸到其他具有溫敏特性的元器件領(lǐng)域，比如溫度傳感器領(lǐng)域，肖特基勢(shì)壘器件，場(chǎng)效應(yīng)晶體管，LED發(fā)光器件等等。本章中主要針對(duì)溫度傳感器領(lǐng)域里的鉑金電阻溫度計(jì)，微電子器件里的肖特基勢(shì)壘器件等做了熱譜分析方法的可行性研究。首次論證了鉑金電阻溫度計(jì)每次探測(cè)返回的單一溫度值的物理意義，它并非是探測(cè)區(qū)域的平均溫度，其物理

17、意義尚不明確。然后在建立了子電阻串聯(lián)模型，并在此基礎(chǔ)上通過理論推導(dǎo)分析熱譜分析方法的可行性。 對(duì)于微電子器件里的肖特基勢(shì)壘器件，通過理論證明了該勢(shì)壘中小電流過趨熱效應(yīng)的存在，因此類似與PN結(jié)勢(shì)壘器件，只要結(jié)合相應(yīng)的物理模型，針對(duì)該類器件的熱譜分析方法就可以成功實(shí)施應(yīng)用。本章首次提出了等效晶體管模型，由于該模型具有較好的通用性和適用性，因此使得熱譜分析方法在微電子器件中的拓寬延伸應(yīng)用得到了保障。 熱譜分析方法將大大提升溫度