CN102564627A - 半导体衬底的自热测量装置及其测试方法 - Google Patents

半导体衬底的自热测量装置及其测试方法 Download PDF

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张峰
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Abstract

本发明涉及半导体材料测试领域。本发明提供一种半导体衬底的自热测量装置，包括一二极管、一导热胶层、一直流电流源和一电压计；导热胶层的一面与二极管形成导热接触；直流电流源与二极管的两端电学连接；电压计与二极管的两端电学连接。其测试方法包括步骤：提供待测的半导体衬底；在待测区域处的裸露表面粘附一导热胶层；将二极管粘附于导热胶层的裸露表面；分别将电压计，直流电流源与二极管电学连接；测得半导体衬底的温度。本发明提供的测量装置和测量方法具有反复使用、成本低廉、受环境影响小，且在测试时候的测试精度高。

Description

半导体衬底的自热测量装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及半导体材料测试领域，尤其涉及一种半导体衬底自热效应的测试。 
背景技术
SOI自热效应：与体硅材料相比，SOI材料因埋氧层的导热率比硅低两个个数量级，以致基于SOI材料的器件难以通过衬底散热，所以基于SOI材料的器件存在严重的自热效应。这不仅会增加器件内的温度，而且由于沟道温度的提升，导致器件迁移率降低、漏极饱和电流降低以及在饱和区出现负的微分电导。SOI的自热效应会使器件的性能恶化，降低器件的可靠性导致器件不能正常工作。 
为了表征SOI材料自热效应，现有技术采用温度计进行测量。常见的有红外温度计，这种测试方法存在采样点难以精准确定，环境因素对测量的准确性影响较大的问题。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供半导体衬底的自热测量装置及其测试方法。 
为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体衬底的自热测量装置，包括一二极管、一直流电流源和一电压计；所述二极管的一表面上附着一层导热胶，所述导热胶层与所述二极管形成导热接触，所述导热胶层的另一面用于与待测半导体衬底的裸露表面形成导热接触；所述直流电流源与所述二极管的两端电学连接，为所述二极管提供一恒定电流，所述二极管在正向工作；电压计与所述二极管的两端电学连接，用于测量所述二极管两端的电压。 
所述二极管为PN结二极管、肖特基二极管、MOS寄生二极管中任意一种，所述MOS寄生二极管为MOS漏区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS源区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS沟道区与MOS衬底之间形成的二极管中任意一个。 
所述二极管是以单独封装方式形成，所述单独封装方式选自于TO-220封装方式、TO-251A封装方式、TO-126封装方式中任意一个。 
所述待测半导体衬底为Si衬底、SOI衬底、GOI衬底、sSOI衬底、GeSiOI衬底中任意一种。 
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种利用如上述的半导体衬底的自热测量装置的测试方法，包括步骤： 
I）提供一待测的半导体衬底；
II）在所述半导体衬底的待测区域的裸露表面粘附一导热胶层；
III）将二极管粘附于所述导热胶层的裸露表面；
IV）分别将电压计，直流电流源与所述二极管的两端电学连接；
V）测得在所述二极管的电压值以计算出所述半导体衬底的温度。
所述二极管为PN结二极管、肖特基二极管、MOS寄生二极管中任意一个，所述MOS寄生二极管为MOS漏区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS源区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS沟道区与MOS衬底之间形成的二极管中任意一个。 
所述二极管是以单独封装方式形成，所述单独封装方式选自于TO-220封装方式、TO-251A封装方式、TO-126封装方式中任意一个。 
所述步骤I中，所述待测半导体衬底为Si衬底、SOI衬底、GOI衬底、sSOI衬底、GeSiOI衬底中任意一个。 
所述半导体衬底中的自热的产生方式为采用所述二极管在大电流模式下工作一定时间后所产生的热量，并通过导热胶层将所述热量传导至半导体衬底中。 
进一步包括探针，所述半导体衬底中的自热的产生方式为采用所述探针在半导体衬底的裸露表面注入电流产生热量。 
本发明的优点在于： 
1）由于采用导热胶层大幅度隔绝了环境与半导体衬底产生热量的流动通道，故半导体衬底温度的测量受环境因素的影响较少。
2）由于温度变化导致二极管两端电压变化，而这并不会损坏二极管，故该测试装置可以反复使用，测试成本低廉。 
3）由于本发明利用采用二极管、导热胶层、直流电流源与电压计测试半导体衬底产生热量的大小，故测试方法简单、易行，且精度高。 
附图说明
图1是本发明提供的一种半导体衬底的自热测量装置实施例一的结构示意图； 
图2是本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二的步骤流程图；
图3A～3D是本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二的工艺步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的半导体衬底的自热测量装置及其测试方法的具体实施方式做详细说明。 
图1所示为本发明提供的一种半导体衬底的自热测量装置实施例一的结构示意图。 
实施例一 
本实施例提供一种半导体衬底的自热测量装置，包括一二极管104、一直流电流源108和一电压计105；所述二极管104的一表面上附着一层导热胶，所述导热胶层103一面与所述二极管104形成导热接触，另一面用于与待测半导体衬底102的裸露表面形成导热接触；所述二极管104置于导热胶层103的裸露表面上；所述直流电流源108与所述二极管104的两端电学连接，为所述二极管104提供一恒定电流，所述二极管104在正向工作；电压计105与所述二极管104的两端电学连接，用于测量所述二极管104两端的电压。
所述导热胶层103的材料为导热硅胶或导热胶条，导热硅胶是具有良好导热性能与绝缘性并且在较高温度下不会丧失粘性。 
由于采用导热胶层103分别与待测半导体衬底102的裸露表面、二极管104形成导热接触，故在测试待测半导体衬底102的温度过程中，大幅度隔绝了环境与的待测半导体衬底102中热量的流动通道，故测量受环境因素的影响较少。 
所述二极管104采用单独封装方式的二极管，易于获得，且价格低廉。本实施例中二极管104所采用的是PN结二极管，本发明中的二极管104不限于此，还可采用MOS寄生二极管（包括漏区与沟道区，源区与沟道区，沟道区与衬底），肖特基二极管等。所述MOS寄生二极管包括漏区与沟道区之间形成的二极管、源区与沟道区之间形成的二极管、沟道区与衬底之间形成的二极管。作为优选的实施方式，所述二极管104可采用MOS寄生二极管。 
本实施例中所述单独封装方式为TO-220封装方式，而本发明中所述二极管104不限于采用TO-220封装方式封装，还可采用类似的封装方式封装，例如TO-251A、TO-126等封装方式。 
本实施例中的直流电流源108采用数字式电子万用表，数字式电子万用表万用表易于获取，且价格低廉。本发明中的直流电流源108不限于采用数字式电子万用表，还可采用晶体管直流电流源、场效应管直流电流源、集成运放直流电流源等。 
本实施例中，所述待测半导体衬底102为SOI衬底。而本发明的待测半导体衬底102不限于SOI衬底，还可为Si衬底、GOI衬底、sSOI衬底、GeSiOI衬底等。 
图2所示为本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二的步骤流程图。 
实施例二 
本实施例中提供一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法，包括：
步骤201，提供一待测的半导体衬底；
步骤202，在所述半导体衬底的待测区域的裸露表面粘附一导热胶层；
步骤203，将二极管粘附于所述导热胶层的裸露表面；
步骤204，分别将电压计，直流电流源与所述二极管电学连接；
步骤205，测得在所述二极管的电压值以计算出所述半导体衬底的温度。
图3A～3D所示为本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二的工艺步骤图。 
图3A所示为本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二步骤201的工艺示意图。 
本实施方式的步骤201中，所述待测半导体衬底302为SOI衬底。而本发明的待测半导体衬底302不限于SOI衬底，还可为Si衬底、GOI衬底、sSOI衬底、GeSiOI衬底等。 
图3B所示为本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二步骤202的工艺示意图。 
本实施方式的步骤202中，将导热胶层303的一面粘附在待测半导体衬底302的待测区域处的裸露表面形成导热接触，在所述二极管304与待测半导体衬底302之间形成良好的导热接触，使得待测半导体衬底302中产生的自热传递至导热胶层303中。 
本实施方式中，粘附所述导热胶层303的方法可采用干净的手指取少许导热胶，然后抹在所述待测半导体衬底302的待测区域处的裸露表面。 
所述导热胶层303的材料为导热硅胶或导热胶条，导热硅胶是具有良好导热性能与绝缘性并且在较高温度下不会丧失粘性。 
图3C所示为本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二步骤203的工艺示意图。 
本实施方式的步骤203中，将二极管304粘附于所述导热胶层303的裸露表面形成导热接触，使得从待测半导体衬底302中产生的自热经传递至导热胶层303中后再传递至所述二极管304中。 
本实施方式中，粘附所述二极管304至导热胶层303的裸露表面的方法可采用干净的手，做了ESD保护措施后，将二极管304粘到所述导热胶层303的裸露表面，并施加压力，使得二极管304和所述导热胶层303充分接触。 
由于采用导热胶层303分别与待测半导体衬底302的裸露表面、二极管304形成导热接触，故在测试待测半导体衬底302的温度过程中，大幅度隔绝了环境与的待测半导体衬底302中热量的流动通道，故测量受环境因素的影响较少。 
所述二极管304为采用单独封装形成的二极管。采用单独封装形成的所述二极管304易于获得，且价格低廉。本实施例的步骤203中所述二极管304是采用TO-220封装方式封装的，而本发明中所述二极管304不限于采用TO-220封装方式封装，还可采用类似的封装方式封装，例如TO-251A、TO-126等封装方式。 
图3D所示为本发明提供的一种利用半导体衬底的自热测量装置的测试方法实施例二步骤204的工艺示意图。 
本实施方式的步骤204中，将电压计305与所述二极管304电学连接，将直流电流源308与所述二极管304电学连接。电压计305用于测量所述二极管304两端的电压大小；直流电流源308用于在所述二极管304两端提供一恒定的电流。 
本实施方式的步骤205中，测得在所述二极管304的电压值以计算出所述半导体衬底302的温度。其中理想二极管的电流公式为： 
Figure 2011104461164100002DEST_PATH_IMAGE001
其中，If为二极管实际电流，即为直流电流源308提供的恒定电流，故If为已知，Iso为温度为0℃时二极管的电流，q为单位电荷，Vf为二极管两端的电压，k为玻尔兹曼常数，T为二极管的温度。
Iso的值可以通过在室温条件下，分别在不同二极管实际电流If下测量二极管的电压Vf，然后利用用数值计算的方法对多个If与Vf数据进行处理得到Iso。 
经过公式变形，可得温度与二极管两端的电压之间的关系为： 
其中，If为二极管实际电流，Iso为温度为0℃时二极管的电流，q为单位电荷，Vf为二极管两端的电压，k为玻尔兹曼常数，T为二极管的温度。
因此根据电压计305可测得二极管304两端的电压Vf，由此可推得二极管304的温度T，从而测得所述半导体衬底302产生的的自热。 
由于温度变化导致二极管304两端电压变化，而这并不会损坏二极管304，故该测试装置可以反复使用，测试成本低廉 
作为可选的实施方式，所述待测半导体衬底302中的自热的产生方式为采用所述二极管304在大电流模式下工作一定时间后所产生的热量，并通过导热胶层303将所述热量传导至待测半导体衬底302中。由于所述二极管304属于在后续的测试步骤中所采用的元件，故待测半导体衬底302产生自热的方式方便，易于实行，工艺成本低廉。
作为可选的实施方式，进一步包括探针，所述待测半导体衬底302中的自热的产生方式为采用所述探针在待测半导体衬底302的裸露表面注入电流产生热量。由于在衬底加工场所通常会存在用于测试衬底特性的探针，采用上述实施方式，故待测半导体衬底302产生自热的方式易于实行，工艺成本低廉。 
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种半导体衬底的自热测量装置，其特征在于，包括一二极管、一直流电流源和一电压计；所述二极管的一表面上附着一层导热胶，所述导热胶层与所述二极管形成导热接触，所述导热胶层的另一面用于与待测半导体衬底的裸露表面形成导热接触；所述直流电流源与所述二极管的两端电学连接，为所述二极管提供一恒定电流，所述二极管在正向工作；电压计与所述二极管的两端电学连接，用于测量所述二极管两端的电压。
2.根据权利要求1所述的半导体衬底的自热测量装置，其特征在于，所述二极管为PN结二极管、肖特基二极管、MOS寄生二极管中任意一种，所述MOS寄生二极管为MOS漏区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS源区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS沟道区与MOS衬底之间形成的二极管中任意一个。
3.根据权利要求1所述的半导体衬底的自热测量装置，其特征在于，所述二极管是以单独封装方式形成，所述单独封装方式选自于TO-220封装方式、TO-251A封装方式、TO-126封装方式中任意一个。
4.根据权利要求1所述的半导体衬底的自热测量装置，其特征在于，所述待测半导体衬底为Si衬底、SOI衬底、GOI衬底、sSOI衬底、GeSiOI衬底中任意一种。
5.一种利用如权利要求1所述的半导体衬底的自热测量装置的测试方法，其特征在于，包括步骤： I）提供一待测的半导体衬底； II）在所述半导体衬底的待测区域的裸露表面粘附一导热胶层； III）将二极管粘附于所述导热胶层的裸露表面； IV）分别将电压计，直流电流源与所述二极管的两端电学连接； V）测得在所述二极管的电压值以计算出所述半导体衬底的温度。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述二极管为PN结二极管、肖特基二极管、MOS寄生二极管中任意一个，所述MOS寄生二极管为MOS漏区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS源区与MOS沟道区之间形成的二极管、MOS沟道区与MOS衬底之间形成的二极管中任意一个。
7.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述二极管是以单独封装方式形成，所述单独封装方式选自于TO-220封装方式、TO-251A封装方式、TO-126封装方式中任意一个。
8.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述步骤I中，所述待测半导体衬底为Si衬底、SOI衬底、GOI衬底、sSOI衬底、GeSiOI衬底中任意一个。
9.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述半导体衬底中的自热的产生方式为采用所述二极管在大电流模式下工作一定时间后所产生的热量，并通过导热胶层将所述热量传导至半导体衬底中。
10.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，进一步包括探针，所述半导体衬底中的自热的产生方式为采用所述探针在半导体衬底的裸露表面注入电流产生热量。
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