一種半導(dǎo)體器件界面熱阻的測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子器件測試領(lǐng)域，主要用于半導(dǎo)體器件界面熱阻的測量與分析，具 體涉及一種半導(dǎo)體器件界面熱阻的測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體器件被廣泛應(yīng)用于生活中的各個領(lǐng)域。然而隨著器件向尺寸小、功率密度 大的方向發(fā)展，器件的結(jié)溫不斷增加，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的壽命不斷下降。當熱量在不同材料 邊界處傳輸時，溫度變化將不連續(xù)，溫差甚至能達到100°c以上。為了準確評價半導(dǎo)體器件 可靠性，就需要得知界面熱阻和芯片熱阻的關(guān)系。因此，需要對半導(dǎo)體器件的界面熱阻進行 準確測量。
[0003] 由于電學(xué)法中結(jié)構(gòu)函數(shù)的原理，電學(xué)法同樣不能滿足分析界面熱阻的需求。結(jié)構(gòu) 函數(shù)原理要求熱容水平隨加熱時間增加而上升，因此利用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法獲取熱阻構(gòu)成信息 的一個必要條件是：以熱源為空間原點，材料熱容隨熱源距離增大而增大。即，只有遠離熱 源的材料熱容更大，電學(xué)法才能測出該層材料的熱阻。
[0004] 對應(yīng)于實際應(yīng)用中，當一個高熱阻的薄層材料（低熱容水平）位于兩個高熱容材 料之間時，不能用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法直接獲得該薄層的成分熱阻。而根據(jù)前面分析，上述各個部 分界面熱阻又是總熱阻的主要構(gòu)成部分。因此，測量界面熱阻以及研宄影響界面熱阻的機 理就成為解決半導(dǎo)體器件散熱的核心問題。
[0005] 就目前的技術(shù)而言，激光拉曼發(fā)測量溫度的誤差為±10°C，測量的界面熱阻并不 準確，不能滿足半導(dǎo)體器件熱特性研宄中界面熱阻測量的準確性的要求。因此，急需發(fā)明出 一種精確、合理地測量半導(dǎo)體器件界面熱阻的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對目前測量方法無法提取半導(dǎo)體器件芯片中接觸熱阻的問題，本發(fā)明提出了一 種準確測量半導(dǎo)體器件芯片中接觸熱阻的方法。
[0007] 首先，在防自激電路保證半導(dǎo)體器件不會產(chǎn)生自激的條件下，基于電學(xué)法熱阻測 試儀對器件的瞬態(tài)溫升進行測量，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法對器件內(nèi)部多層材料熱阻、熱容進行分 析，提取芯片熱阻值。然后，在對1號樣品不改變襯底厚度hl、成核層工藝及尺寸以及固定 界面接觸面積S的條件下，改變不同的成核層上層厚度，由dl改變成d2、d3、d4,從而制成相 應(yīng)的2號、3號、4號樣品。利用前一步提取的芯片熱阻值，得到該固定面積下器件在不同成 核層上層厚度的條件下4個樣品的總熱阻值1^ 1、&112、1^3、1^4。接著，在不改變1號樣品成 核層上層厚度dl、成核層工藝及尺寸以及固定界面接觸面積s的條件下，改變襯底厚度，由 hi改變成h2、h3、h4,從而制成相應(yīng)的5號、6號、7號樣品。利用前一步提取的芯片熱阻值， 得到該固定面積下器件在不同襯底厚度的條件下4個樣品的總熱阻值R thl、Rth5、Rth6、Rth7。
[0008] 接下來對測得的數(shù)據(jù)進行分析，通過數(shù)據(jù)計算出單位厚度的成核層上層所帶來的 熱阻的增量，計算公式如下式：
【主權(quán)項】
1. 一種半導(dǎo)體器件界面熱阻的測試方法，其特征在于：首先，在防自激電路保證半導(dǎo) 體器件不會產(chǎn)生自激的條件下，基于電學(xué)法熱阻測試儀對器件的瞬態(tài)溫升進行測量，利用 結(jié)構(gòu)函數(shù)法對器件內(nèi)部多層材料熱阻、熱容進行分析，提取巧片熱阻值；然后，在對1號樣 品不改變襯底厚度hi、成核層工藝及尺寸W及固定界面接觸面積S的條件下，改變不同的 成核層上層厚度，由dl改變成d2、d3、d4,從而制成相應(yīng)的2號、3號、4號樣品；利用前一步 提取的巧片熱阻值，得到該固定面積下器件在不同成核層上層厚度的條件下4個樣品的總 熱阻值Rthi、Rth2、Rth3、Rth4;接著，在不改變1號樣品成核層上層厚度dl、成核層工藝及尺寸 W及固定界面接觸面積S的條件下，改變襯底厚度，由hi改變成h2、h3、h4,從而制成相應(yīng) 的5號、6號、7號樣品；利用前一步提取的巧片熱阻值，得到該固定面積下器件在不同襯底 厚度的條件下4個樣品的總熱阻值Rthi、Rths、Rthe、Rth7; 接下來對測得的數(shù)據(jù)進行分析，通過數(shù)據(jù)計算出單位厚度的成核層上層所帶來的熱阻 的增量，計算公式如下式：
式中，Rth成核層上層<單e厚度>代表求取平均后的成核層上層單位厚度所帶來的熱阻值，dl、d2、d3、d4分別代表成核層上層不同的厚度值，Rthi、Rth2、Rth3、Rth4分別代表dl、d2、d3、d4厚 度下的器件的總的熱阻值； 同時，通過數(shù)據(jù)計算出單位厚度的襯底所帶來的熱阻的增量，計算公式如下式：
式中，Rthws<iM4胃g>代表求取平均后的襯底單位厚度所帶來的熱阻值，hl、h2、h3、h4分 別代表襯底不同的厚度值，Rthi、RtM、Rthe、Rth,分別代表hi、h2、h3、h4厚度下的器件的總的 熱阻值； 馬h(界面）=R化i~R化成核層上層（單位厚度）Xdl-R化襯底（單位厚度）Xhi 式中，馬^?^>代表1號樣品的界面熱阻值，1^^代表1號樣品的總熱阻值，3化成核層上層（單&胃胃>代表求取平均后的成核層上層單位厚度所帶來的熱阻值，dl代表1號樣品成核層上 層的厚度，RthWS<iM4ff?>代表求取平均后的襯底單位厚度所帶來的熱阻值，hi代表1號樣 品襯底的厚度； 通過^上計算分析，得到要測的半導(dǎo)體器件的界面熱阻1^<??;。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體器件界面熱阻的測試方法，其特征在于；該方法 還包括W下步驟： 步驟一，將半導(dǎo)體器件固定在熱阻測試平臺上，用同軸線將其與測試裝置相連接，放在 室內(nèi)穩(wěn)定的實驗平臺上進行器件熱阻測量； 步驟二，通過更換不同編號的半導(dǎo)體器件，置于相同的環(huán)境和實驗平臺，測量不同編號 半導(dǎo)體器件的熱阻； 步驟二，根據(jù)步驟一測試的結(jié)果分別進釘Rth成核層上層（單位厚度)、Rth襯底（單位厚度)從而推算出 所需要的半導(dǎo)體器件的界面熱阻Rtwjfsn。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體器件界面熱阻的測試方法，其特征在于；該方法 包括下述流程，步驟一，測試裝置進行連接； 測試裝置包括HEMT器件熱阻測試平臺（1)、器件夾具（2)、HEMT器件（3)、HEMT器件熱 阻測試儀（4) ;HEMT器件（3)安裝在HEMT器件熱阻測試平臺（1)上，HEMT器件（3)兩端通 過器件夾具（2)固定加緊，HEMT器件（3)與HEMT器件熱阻測試儀（4)連接；將HEMT器件 熱阻測試平臺（1)放在室內(nèi)穩(wěn)定的實驗臺上進行器件熱阻測量； 步驟二，通過更換不同編號的HEMT器件，置于相同的環(huán)境和實驗平臺，測量不同編號 肥MT器件的熱阻；在防自激電路保證肥MT器件不會產(chǎn)生自激的條件下，基于電學(xué)法熱阻測 試儀對GaN基HEMT器件的瞬態(tài)溫升進行測量，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法對器件內(nèi)部多層材料熱阻、 熱容進行分析，提取巧片熱阻值；然后，在對1號樣品不改變SiC襯底厚度hi、成核層工藝 及尺寸W及固定界面接觸面積S的條件下，改變不同的GaN層厚度，由dl改變成d2、d3、 d4,從而制成相應(yīng)的2號、3號、4號樣品；利用前一步提取的巧片熱阻值，得到該固定面積下 肥MT器件在不同GaN層厚度的條件下4個樣品的總熱阻值1^1、馬112、馬113、馬114;接著，在不改 變1號樣品GaN層厚度dl、成核層工藝及尺寸W及固定界面接觸面積S的條件下，改變SiC 襯底厚度，由hi改變成112、113、114，從而制成相應(yīng)的5號、6號、7號樣品；利用前一步提取的 巧片熱阻值，得到該固定面積下HEMT器件在不同SiC層厚度的條件下4個樣品的總熱阻值 Rthl、尺化5、尺化6、尺化7; 步驟S，對測得的數(shù)據(jù)進行分析，通過數(shù)據(jù)計算出單位厚度的GaN所帶來的熱阻的增 量，計算公式如下式：
式中，Rthe。^單位)代表求取平均后的GaN層單位厚度所帶來的熱阻值，dl、d2、d3、d4 分別代表GaN層不同的厚度值，Rthi、Rth2、Rth3、Rth4分別代表dl、d2、d3、d4厚度下的HEMT器 件的總的熱阻值； 步驟四，通過數(shù)據(jù)計算出單位厚度的SiC所帶來的熱阻的增量，計算公式如下式：
式中，單位)代表求取平均后的SiC層單位厚度所帶來的熱阻值，hi、h2、h3、h4 分別代表SiC層不同的厚度值，Rthi、Rths、Rth6、Rth7分別代表hi、h2、h3、h4厚度下的HEMT器 件的總的熱阻值； 通過W上計算分析，得到要測的HEMT器件的界面熱阻 民化(界面）； 民化（界面尸Rthl-RthGaN(單位厚度）Xdl-R化sic(單位厚度）Xhl 式中，Rtw界面> 代表1號樣品的界面熱阻值，Rthi代表1號樣品的總熱阻值，民thGaN(單位厚度）代表求取平均后的GaN層單位厚度所帶來的熱阻值，dl代表1號樣品GaN層的厚度，Rtwicf# &胃胃>代表求取平均后的SiC層單位厚度所帶來的熱阻值，hi代表1號樣品SiC層的厚度。
【專利摘要】一種半導(dǎo)體器件界面熱阻的測試方法，在防自激電路保證半導(dǎo)體器件不會產(chǎn)生自激的條件下，基于電學(xué)法熱阻測試儀對器件的瞬態(tài)溫升進行測量，利用結(jié)構(gòu)函數(shù)法對器件內(nèi)部多層材料熱阻、熱容進行分析，提取芯片熱阻值。利用提取的芯片熱阻值，得到該固定面積下器件在不同SiC層厚度的條件下4個樣品的總熱阻值。接下來對測得的數(shù)據(jù)進行分析，通過數(shù)據(jù)計算出單位厚度的GaN所帶來的熱阻的增量，同時，通過數(shù)據(jù)計算出單位厚度的SiC所帶來的熱阻的增量，通過以上計算分析，得到要測的器件的界面熱阻Rth(界面)。
【IPC分類】G01N25-20
【公開號】CN104849308
【申請?zhí)枴緾N201510243826
【發(fā)明人】郭春生, 廖之恒, 高立, 李世偉, 馮士維, 朱慧
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月13日