（微电子学与固体电子学专业论文）晶体管热谱学的基础研究.pdf

弋 原创性声明 iyqllll l l l l liil l l ll l l l l l l l i l l l l l l l l u l l l l79 197 3 y 声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 。 论文作者签名：玉牡 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 论 学 垮 一 ， 一 p p 山东大学硕t 学位论文 目录 摘要”“一“”一一”i a b s t r a c t ”0 00 i i i 符号表v i 第一章绪论l 1 1 前言1 1 2 标准电学方法的不足1 1 3 热谱分析方法研究的必要性和意义3 1 4 研究背景和现状4 1 5 本章小结5 本章参考文献o o o 600o oq 7 第二章p n 结器件v - i - t 本底数据的测量与拟合校验1 0 2 1前言1 0 2 2 实验方法1 0 2 2 1 温度场的建立与温度的测量1 0 2 2 2i v 数据的测量1 2 2 3 肖克来方程的修正与实验数据的拟合处理1 5 2 3 1 肖克来方程的修正1 6 2 3 2 实验数据的拟合处理与分析1 9 2 4 本章小结2 1 本章参考文献2 2 第三章p n 结小电流攀峰效应2 4 3 1 前言2 4 3 2 理论分析2 4 3 3 实验与结果分析2 7 3 3 1 温度场的分布与测量2 7 3 3 2 小电流攀峰现象2 8 山东大学硕t ：学位论文 3 4 本章小结3 l 本章参考文献3 2 第四章基于子管并联模型的热谱分析3 4 4 1 前言3 4 4 2 相关理论与分析o o oo oq oo oo oq 3 4 4 2 1 热谱分析方法理论基础3 4 4 2 2 晶体管等温环模型3 6 4 2 3 热谱分析基本算法3 7 4 3 实验结果与分析4 0 4 3 1 母管的i v 特性曲线4 1 4 3 2 纯h 与h + l 实验与结果分析：”4 2 4 3 3 特定温度分布情况下的热谱分析4 7 4 4 本章小结4 9 本章参考文献5 0 第五章结论5 1 本文取得的研究成果o o goooooqo oo o g 5 1 未来研究工作展望5 2 致谢”“”“”“一”5 3 山东大学硕士学位论文 c a t a l o g u e a b s t l 5 l ：k c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t i i i s y m b o ll i s t v i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 】【1i n t r o d u c t i o n 1 1 2d e m e r i to fs t a n d a r de l e c t r i c a lm e t h o d 1 1 3n e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo ft h e r m a ls p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d 3 1 4r e s e a r c hb a c k g r o u n da n da c t u a l i t y 4 1 5c o n c l u s i o n ! ； r e f e r e n c e 7 c h a p t e r2 t h em e a s u r e m e n t ，f i t t i n ga n dc h e c k o u to fv i - tb a c k g r o u n dd a t ao fp n j u n c t i o nd e v i c e s 1 ( ) 2 1i n t r o d u c t i o n 1 ( ) 2 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d 1 0 2 2 1t i 圮e s t a b l i s h m e n ta n dm e a s u r m e n to fn l et e m p e r a t u r ef i e l d 10 2 2 2n 圮m e a s u r e m e n to ft h ei - vd a t a 1 2 2 3n 圮a m e n d m e n to fs h o c k l e ye q u a t i o na n d1 1 1 ef i r i n ga n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t a l d a t a 】【! ； 2 3 1 ，1 1 ka m e n d m e n to fs h o c k l e ye q u a t i o n 1 6 2 3 21 1 地f i t t i n ga n da n a l y s i so f1 1 1 ee x p e r i m e n t a ld a t a 1 9 2 4c o n c l u s i o n ：! l r e f e r e n c e ：! ：! c h a p t e r3 t h ec l i m bp e a ke f f e c to fl o wc u r r e n to fp nj u n c t i o n 2 4 ：；1i n t r o d u c t i o n ：2 l ：；2 t h e o r ya n a l y s i s 2 4 3 3e x p e r i m e n ta n dr e s u l ta n a l y s i s 2 7 山东大学硕士学位论文 3 3 。1t h ed i s t r i b u t i o na n dm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e 。2 7 3 3 2t h ec l i m bp e a kp h e n o m e n o no fl o wc u r r e n t 2 8 3 4c o n c l u s i o n 3 1 r e f e r e n c e 3 2 c h a p t e r4 t h e r m a ls p e c t r u ma n a l y s i sb a s e do ns u b - t r a n s i s t o rm o d e l 3 4 4 1i n t r o d u c t i o n 3 4 4 2c o r r e l a t i v et h e o r i e sa n da n a l y s i s 3 4 4 2 1b a s i ct h e o r i e so ft h e r m a ls p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d 3 4 4 2 2i s o t h e r m a lc i r c l em o d e lo f t r a n s i s t o r 3 6 4 2 3b a s i ca r i t h m e t i co ft h e r m a ls p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d 3 7 4 3 e x p e r i m e n tr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 0 4 3 1t h eb a c k g r o u n dd a t ao fm o t h e rt r a n s i s t o r 4 1 4 3 2t h ea n a l y s i sr e s u l to fp u r eha n dh + le x p e r i m e n t 4 2 4 3 3t h et h e r m a ls p e c t r u ma n a l y s i s0 1 1s p e c i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 4 7 4 4c o n c l u s i o n 4 9 r e f e r e n c e 5 0 c h a p t e r ， s u m m a r y 5 1 m a i nr e s e a r c hr e s u l t s 5 1 e x p e c t a t i o nf o rf u t u r e r e s e a r c hw o r k 5 2 a c k n o w l e d g e 5 3 ，一 山东大学硕士学位论文 摘要 可靠性分析技术是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一门综合性技术，到了2 0 世纪7 0 年代已经步入成熟的阶段。如今，伴随i t 时代的到来，微电子器件的复杂程度不断 增加，使用环境日益严酷，及其在电力系统中的地位不可替代的原因，微电子器件的 可靠性分析越来越受到人们的重视。对于高压直流送电、高速列车和电动汽车、相控 阵雷达、半导体激光器等等电力系统中的功率半导体器件来说他们，在耗散功率时， 结温分布一般是不均匀的。器件发热均匀性和温度分布的均匀性、以及芯片峰值结温 昂的高低是衡量器件热电性能优劣的重要因素，是影响其稳定性、可靠性乃至寿命 的根本要素，对整机的性能以及系统的寿命都有不可忽视甚至决定性的影响，因此功 率半导体器件温度的可靠性分析，对于国民经济的发展，及其在航空、军事等很多领 域的重要性越来越不可动摇。 当前，测量微电子器件温度分布最准确的方法是红外热像法，但这种方法的缺点 明显：一、红外热像仪价格昂贵；二、该方法一般应用于半成品器件的可靠性分析， 对于暗箱式封装成品器件的测量则需要解剖后再拍摄红外热像图，因此这种测量是破 坏性的，甚至有的是破坏了也不能测量；三、使用红外热像法获得的器件的热像图来 进行可靠性分析没能专门针对于器件的有源区作出相应的定性和定量的分析。所以红 外热像法不能用作常规测量。电学方法既可以测量成品器件，又可以测量半成品器件， 其对器件的测量是非破坏性，无损伤的，因而被广泛采用为技术标准方法，国际电工 委员会i e c 标准里采用的测量晶体管温度的电学方法，简称为标准电学方法( s t a n d a r d e l e c t r i c a lm e t h o d ) ，标准电学方法的可操作性好，方便易行，比较和判断被测器件 的差异非常简单，只要比较热阻值的大小就可以了，所以至今流行于世。但是，标准 电学方法的缺点也是是显而易见的：抹煞和掩盖了结温分布的不均匀性，有时容易出 现误判和漏判的情况。 本文研究的核心内容一晶体管热谱分析方法是一种使用纯电学方式探测芯片温 度分布的方法，它继承了电学方法测量温度的优势，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，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。热谱分析方法， i 山东大学硕士学位论文 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 出结温值和有效面积，可以很好的反映器件的有源区温度分布情况。该方法有望解决 几十年来一直困扰世界的科学难题，使得纯电学方法探测器件温度分布成为可能，对 微电子器件温度可靠性分析具有十分重大的意义和价值。 第一章绪论，指明了红外热像法和标准电学方法用来进行微电子器件可靠性分析 的不足，详细说明国际电工委( i e c ) 发布的世界各国普遍采用的标准电学方法自身 存在且无法克服的问题。介绍了纯电学方法探测微电子器件温度以及温度分布均匀性 的研究背景和当前研究的现状以及晶体管热谱分析方法取得的进展。 第二章“p n 结器件v - i - t 本底数据的测量与拟合校验 ，创新了本底数据的测量 方法；使用肖克来修正函数拟合本底数据使本底数据有了质的飞跃：同时发现，单对 盎t ， 数坐标系里随电流的增大而增大的规律，此规律是p n 结二y 特性的真实反映。 m 第三章“p n 结小电流攀峰效应”，本章中突破原有的研究水平，采用新的实验样 品，用纯粹的实验手段再次证明小电流过趋热效应是确实存在的科学规律；同时，对 小电流过趋热效应有了更加深入的认识，并且明确给出小电流攀峰效应的定义；小电 流攀峰效应可以解释“珏因厶的不同而不同，小电流测算出的结温高，大电流测算 出的结温低”的现象；小电流攀峰效应对半导体器件可靠性分析具有重要的作用和意 义。 第四章“基于子管并联模型的热谱分析本文创新性的根据子管并联模型，把 p n 结器件加载工作时结温分布不均匀的客观情况用模型的方式加以重现，并用热谱 分析方法对温度分布不均匀情况下的i - v 数据进行热谱分析：比较热谱分析的结果、 标准电学方法分析结果及p t l 0 0 测量结果，检验了热谱分析软件，同时指出热谱分析 方法分析得到结温及有效面积彳的科学性和实用性。 第五章对整个研究生阶段的科研工作和成绩进行了总结，展望了热谱分析方的前 景和未来发展趋势，并对以后研发工作提出了几点内容要求。 关键字：本底数据；小电流攀峰效应；热谱分析；峰值结温；有效面积 一 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e l i a b i l i t ya n a l y s i si sac o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g yw h i c hd e v e l o p e df r o m19 5 0 s i th a s a l r e a d ye n t e r e di n t o am a t u r es t a g ei n19 7 0 s n o w , w i t ht h ei te r a ，b e c a u s e t h e c o m p l e x i t yo fm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sc o n t i n u et oi n c r e a s e ，t h e i ru s i n gc o n d i t i o nb e c o m e s m o r ea n dm o r ed i f f i c u l t , a n dt h e i rp o s i t i o n 。i nt h ep o w e rs y s t e mc a nn o tb er e p l a c e d ，t h e r e l i a b i l i t ya n a l y s i so fm i c r o e l e c t r o n i c s d e v i c e sh a v ea l r e a d ye a t c h e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n f o rt h ep o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e si nh i g h - v o l t a g ed i r e c tc u r r e n tp o w e r t r a n s m i s s i o n , h i g h s p e e dt r a i n sa n de l e c t r i cv e h i c l e s ，p h a s e da r r a yr a d a r , s e m i c o n d u c t o r l a s e r s ，e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sa n ds oo n , w h e nt h e ya l ei np o w e rd i s s i p a t i o n , t h ej u n c t i o n t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i s g e n e r a l l yn o n u n i f o r m ，w h i l e t h eu n i f o r mp r o p e r t yo f g e n e r a t i o n a lh e a t ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dp e a kt e m p e r a t u r ea r em a j o rf a c t o r sw h i c h c a na f f e c tt h et h e r m o e l e c t r i cp r o p e r t i e s ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c e s i ti sa n i m p o r t a n tf a c t o rw h e t h e rt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni su n i f o r mo rn o t ，w h i c hi n f l u e n c e s t h et h e r m a lp e r f o r m a n c e ，e l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dl i f et i m eo fs e m i c o n d u c t o r d e v i c e s t oa v i a t i o na n dm i l i t a r yf i e l d ，t h es i g n i f i c a n c eo fp r o p e r t yi sa l s on o tf l u c t u a t e d c u r r e n t l y ，t h e r m a li n f r a r e dm e t h o d ，s i m p l ys i g n e da st i m ，i st h em o s ta c c u r a t em e t h o d t od e t e c tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm i c r o e l e c t r o n i c sd e v i c e s ，i e b u tt h ed i s a d v a n t a g e so f t h i sa p p r o a c ha l eo b v i o u s f i s t ，t h et h e r m a li n f r a r e di l i l a g e ri sv e r ye x p e n s i v e ；s e c o n d ，t h i s m e t h o di sg e n e r a l l yu s e di nr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fs e m i - f i n i s hd e v i c e s ，f o rt h em e a s u r e m e n t o fe n c a p s u l a t e df i n i s hd e v i c e s ，i m a g e sm u s tb et a k e na r e rt h ed e v i c e sa r ed i s s e c t e d t h u s ， t h em e a s u r e m e n ti sd e s t r u c t i v e ，e v e nt h em e a s u r e m e n tc o u l dn o tb ei m p l e m e n t e da f t e r d e s t r u c t i o n ；f i n a l l y , t h e r m a l i n f r a r e dm e t h o dc a n n o t c o m p l e m e n tq u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i ss p e c i f i c a l l yf o rt h ed e v i c ea c t i v er e g i o n t h e r e f o r e ，t h i sm e t h o d i sn o t s u i t a b l et ob eac o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n t e l e c t r i c a lm e t h o d u s e dt om e a s u r eb o t hf i n i s h a n ds e m i - f i n i s hd e v i c e s ，i sn o n d e s t r u c t i v ea n dw i t h o u td a m a g ei nm e a s u r e m e n tt ob e e x t e n s i v e l yu s e da st e c h n o l o g ys t a n d a r dm e t h o d t h ee l e c t r i c a lm e t h o d ，a d o p t e di n i n t e m a t i o n a li e cs t a n d a r dt od e t e c td e v i c et e m p e r a t u r e ，i sc a l l e ds t a n d a r de l e c t r i c a l i i i 山东大学硕士学位论文 m e t h o d ，s i m p l ys i g n e da ss e m i nt h es t a n d a r dm e t h o d ，u n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o fd e v i c ei sh y p o t h e s i z e d , a n do n l ys i n g l et e m p e r a t u r ei su s e dt oc h a r a c t e r i z et e m p e r a t u r e i n f o r m a t i o no ft h ew h o l ed e v i c e ，w h i c hi sc a l l e ds t a n d a r d - e l e c t r i c a lt e m p e r a t u r et s d u et o g o o do p e r a b i l i t y , c o n v e n i e n tm e a s u r e m e n t ，a n ds i m p l ec o m p a r i s o n & e s t i m a t i o nb a s e do n o n l yo n ep a r a m e t e r , s t a n d a r de l e c t r i c a lm e t h o di sa l w a y sp o p u l a ri nt h ew o r l d h o w e v e r , i t sd e m e r i t sa l eo b v i o u st h a ti to b l i t e r a t e sa n dc o v e r su pt h en o n - u n i f o r mp r o p e r t yo f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，a n de a s i l yc a u s e sm i s j u d g i n ga n dl e a k e dj u d g m e n t t h em a i nc o n t e n ti nt h i sp a p e r , t h e r m a ls p e c t r m na n a l y s i sm e t h o do ft r a n s i s t o ri sap u r e e l e c t r i c a lm e t h o dt od e t e c tc h i pt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i ti n h e r i t st h em a i nm e r i t so f s t a n d a r de l e c t r i c a lm e t h o dw h i c hc a l lm e a s u r et h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r en o n - d e s t r u c t i v e l y a tt h es a m et i m e ，i ti so ft h ek e ya d v a n t a g e so ft h e r m a li n f r a r e dm e t h o dw h i c hc a no b t a i n t h ei n f o r m a t i o no fp e a kt e m p e r a t u r e ，a n dn o n - u n i f o r mp r o p e r t y & n o n u n i f o r md e g r e eo f j u n c t i o nt e m p e r a t u r e t h i sa p p r o a c hc a na l s op r e s e n tt h et e m p e r a t u r ea n de f f e c t i v ea r e ab y m e a s u r i n gt h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h e d e v i c ea c t i v er e g i o n c o m b i n i n gw i mt h e c o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nc a nf i n a l l yb e c a l c u l a t e d t h e r m a ls p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o di se x p e c t e dt os o l v et h es c i e n t i f i cp r o b l e m w h i c hh a sp l a g u e da l lt h ew o r l df o rd e c a d e sa n dm a k e si tp o s s i b l et od e t e c tt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nb ye l e c t r i c a lm e t h o d s oi ti s v e r ys i g n i f i c a n ta n do fg r e a tv a l u et o t h e t e m p e r a t u r er e l i a b i l i t ya n a l y s i so fm i c r o e l e c t r o n i c sd e v i c e s i nt h ef i r s tc h a p t e r “i n t r o d u c t i o n ，i t sp o i n t e do u tt h a tb o 廿lt h e i n f r a r e di m a g e m e t h o da n ds t a n d a r de l e c t r i c a lm e t h o dh a v et h e i ro w nd i s a d v a n t a g e sw h e ns e r v e da s r e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d t h e n , t h ef a c tt h a tt h es t a n d a r de l e c t r i c a lm e t h o dh a si t s i n s u r m o u n t a b l es h o r t c o m e si sa l s o p a r t i c u l a r l ye x p l a i n e d f i n a l l y , t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n do fu s i n gp u r ee l e c t r i c a lm e t h o dt od e t e c tn o n - u n i f o r md e g r e eo fj u n c t i o n t e m p e r a t u r ea n dt h ea c h i v e m e n to ft h e r m a ls p e c t r t n na n a l y s i sm e t h o da r ei l l u m i n a t e d i nt h e2 们c h a p t e r “t h em e a s u r e m e n t ，f i t t i n g ，a n dc h e c k o u to fv - i - tb a c k g r o u n dd a t a o fp n j u n c t i o nd e v i c e s ”，t h em e a s u r i n gm e t h o do fb a c k g r o u n dd a t ai si n n o v a t e d ，a n dt h e b a c k g r o u n dd a t aq u a l i t yi sg r e a t l yi m p r o v e db yu s i n gs h o c k l e ye q u a t i o nt of i ti t a tt h e s 锄et 硫，i ti sf 0 衄d 撕i ns 谢1 0 9 a r i t h m i cc 0 训m t e s ，m e 砌u e 。f 盖w m 山东大学硕士学位论文 i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gc u r r e n t t h i si st h et r u er e f l e c t i o no fi - vc h a r a c t e r i s t i co fp n j u n c t i o n i l lt h e3 mc h a p t e r t h ec l i m bp e a ke f f e c to fl o wc u r r e n to fp n j u n c t i o n ，t h eo r i g i n a l e x p e r i m e n tl e v e li sr e a l l ye x c e e d e d t h ee x c e s s i v et h e r m o t a x ie f f e c to fl o wc u r r e n ta r e a g a i np r o v e dt ob ear e a ls c i e n t i f i cr u l ei np nj u n c t i o nb yu s i n gn e ws a m p l ea n dp u r e e x p e r i m e n t a lm e t h o d a tt h es 跚et i m e ，w eg e tad e e pu n d e r s t a n dt oi t , a n dp u to u tt h e c o n c e p to fc l i m bp e a l 【e f f e c to fl o wc u r r e n t t h i sc o n c e p tc r np e r f e c t l ye x p l a i nt h e p h e n o m e n o nt h a tt sw i l l b ed i f f e r e n tc o r r e s p o n d i n gt oi m ，a n dt h et e m p e r a t u r ew i l l d e c r e a s ew h i l et h em e a s u r i n gc u r r e n ti n c r e a s e s s ot h ec l i m bp e a ke f f e c to fl o wc u r r e n ti s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s i i lm e4 t l ic h a p t e r t h et h e r m a ls p e c t r u ma n a l y s i sb a s e do ns u b - t r a n s i s t o rm o d e l ”，t h e t r u t ht h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sn o tu n i f o r mw h e nt h ep nj u n c t i o nd e v i c e sa r e d i s s i p a t i n gp o w e rr e a p p e a r e db yu s i n gs u b - t r a n s i s t o rm o d e li n n o v a t i v e l y t h e n , e a c hi - v d a t ad e t e c t e dw h e nt h et e m p e r a t u r eo fp nj u n c t i o ni sn o n - u n i f o r mi sa n a l y s e db yu s i n g t h e r