微电子器件热谱分析方法的研究

《微电子器件热谱分析方法的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、山东大学博士学位论文微电子器件热谱分析方法的研究姓名：朱阳军申请学位级别：博士专业：微电子学与固体电子学指导教师：苗庆海20070408山东人学博Ij肇位论文这个领域的研究，但都因为其方法存在的种种局限性丽无法继续深入，最终的结果也不理想而没有得到推广。90年代中期，山东大学茁庆海教授等人发现了小电流过趋热效应，并在此基础上找到了攻克该世界难题的突破口．经过多年来的研究取得了突破性进展。本文中的研究内容难是基于攻克该世界技术难题的研究目标，在此研究背景下而展开的。文中所呈现的热谱分析方法正是这种使用纯电学方式探测器件温度分布不均匀性和不均匀度的方法。晶体管热谱分析方法

2、是一种使用纯电学方式探测芯片温度分布不均匀性和不均匀度的方法，它继承了电学方法测量温度的优势，即对器件的测量是非破坏性、无损伤的，既可以测量半成品也可以测量成品器件，同时它又具备了红外热像法的关键优点，即可以获取器件的峰值结温、温度分布的不均匀性和不均匀度信息。而且热谱分析方法在探测温度分布信息方面还有优于红外热像法的地方，因为红外热像法虽然可以获得整个芯片的温度信息，对于温度分布情况一幕了然，但是基于这种方法的可靠性判断缺乏必要的定量分析，尤其是针对器件的有源区；而热谱分析方法，通过测量器件有源区的相关参数，结合相对应的数理模型计算出器件的温度分布，给出相应的温度和

3、对应的有效面积。这是专门针对器件有源区进行定性定量分析的结果。而且，电学测试方法响应速度较快可以测试器件的瞬态结温，而红外热像法响应速度较慢对于瞬态结温的测量则不如电学方法。红外热像法由于是测量器件芯片表面的温度，对于浅表面结的器件由于有源区到表面温度梯度较小其测量结果相对准确，但是对于较深表面结的器件当纵向存在较大温度梯度时其测量结果则不再真实可靠，然而对于电学测试方法，其测试电流正是通过器件有源区，因此它可以很好的反映器件的有源区温度情况，其测量结果相对可靠。因此在对器件进行可靠性分析判断方面，使用电学测试方法的热谱分析方法优予红外热像法，更优于传统的标准电学方法

4、，可以提供更准确可靠的信息。在第一章绪论星，介绍了使用电学方法探测微电子器件温度以及温度分布均匀性的研究背景和当前的研究现状以及本文选题的目的和意义。首次对标准电学方法所测结温即标电结温的物理意义进行了研究探索，并新辟途径采取了特殊的试验方法来论述半导体器件擘几个温度的不等式关系。在第二章“热谱曲线里”，从半导体器件的红外热像图出发，专门针对器玎山东人学博I：学位论文件的有源区，通过定量和定性的分析得出了温度分布谱线，并首次将这类图形与光谱曲线进行类比，将其定义为热谱曲线。半导体器件的红外热像图虽然给出了整个器件的温度分布信息，但是没有针对器件有源区进行定量和定性的分

5、析，除了峰值结温特别有用以外，对器件有源区的结温缺乏便于直接应用的数据及其分析结果。因此，本章中使用独自编写的“红外热像图热谱分析软件”，根据比色法的原理，可以对任意选定的区域进行统计分析获取相关温度以及相关分御数据。通过套用编写的针对不同器件芯片的模板，选定器件的有源区，然后根据比色法对热像图中的选择区域进行了定量和定性的分析，统计出有源区内的所有温度值以及各温度值所占整个有源区的比例，进而给出了晶体管发射区的热谱曲线和发射区一维温度分布曲线。一维温度分布曲线简明扼要地给出了整个发射区的结温分布情况，由该曲线可以直接读取发射区的峰值结温和最低结温，还可以计算出平均结

6、温。晶体管热谱曲线是表示晶体管结温不均匀性的一种比热像图简单明晰的新方法。本章中的热谱曲线是通过模仿光学的方法而得来，即温度的不均匀性和不均匀度均来自热像图，但是它却给后面的使用纯电学方法提供了验证的依据，即从热像图导出的热谱曲线也应该是从电学方法求索的热谱分析最终要得出的结果。在第三章“小电流过趋热效应”中，分别在模拟假设的结温分布和实际的结温分稚中，通过理论和试验两方面验证了热谱分析方法的最基本理论之一一小电流过趋热效应。小电流过趋热效应在90年代中期被发现，并在后来被应用到利用双电流法判断结温分布不均匀性，但是一直没有得到完善系统全面的证明。本章研究内容中，首次

7、针对实际结温分布中的小电流过趋热效应，从理论和试验两方面进行了全面的证明。沿用上一章的研究方法，从实际的晶体管红外热像图中获取其热谱曲线，然后根据其温度和相应的归一化面积建立子管并联模型，并在此基础上通过理论计算和实验验证，得出结果吻合一致，进而证明74,电流过趋热效应在PN结势垒中的真实存在。晶体管在耗散功率时，结温分布一般不均匀。在晶体管子管并联模型的基础上，经过实验和理论计算分别在模拟结温分布和实际温度分布的基础上验证发现：结温分布不均匀时，高温区的电流密度大于低温区的电流密度：测试电流越小，高温区与低温区电流密度的比值越大，电流越集中111山