| |||
MOS管沟道界面层产生强反型的栅极电压称为阈值电压,而实际中则是在特定的源漏电压条件下,将使源漏电流逐渐增大到某一特定电流的栅极电压称为阈值电压。阈值电压是一个与温度有关的参数,通过测量晶体管的阈值电压间接测量器件的温度。由于阈值电压容易受到沟道掺杂浓度的影响,所以该方法测量温度的精度很容易受到工艺偏差的影响。
晶体管的电流增益(current gain)也是一个与温度相关的参数。在一些特殊器件,如异质结构双极晶体管(HBT)中[Ys2] ,电流的增益是温度的单调函数,通过测量电流的增益即可测量器件的温度。但大多数器件中,增益与温度是复杂的函数关系,用该参数测量温度会比较复杂。[Ys3]
由于材料的电阻率容易受到温度的影响,因此,通过测量电阻值变化可以间接测量器件和金属线的温度。该方法一般需要先求出待测物体的温度系数,再给待测体加载一定的电流,测量待测体两端电压差求出电阻,结合温度系数和电阻求出该待测体的温度。该方法可以测量芯片中金属线的温度,本文的测试结构设计主要采用这种方法。
1.1.2 光学法测量温度 光与物质作用时会产生一些与温度相关的特性,比如反射光光子的特性与物体表面温度有关,红外辐射光的波长与物体温度有关等等。通过测量这些自然辐射、反射辐射或受激辐射所产生光束的特性来间接测量物体的温度。 红外成像是常用的温度测量方法[Ys4] ,该方法利用自发红外辐射中的光谱特性对温度进行测量。根据斯特藩-玻尔兹曼方程(Stefan-Boltzmann equation),光谱发射率(spectral emittance)W与温度T满足关系式 其中σ=5.7×10-8Wm-2K-4,通过检测光谱发射率的大小即可算出物体的温度。由于芯片中材料的相对介电常数的值不断变化,每换一个区域测量需要采用不同的相对介电常数,这成为红外成像法的难点。 拉曼法是利用光与物质作用产生的拉曼散射。光子与晶格散射时,会导致一个或多个声子的产生和湮灭。由于与声子发生散射,散射后光子的光谱受到物体温度的影响。根据入射光子和反射光子光谱的差异,即可测量物体的温度。 如果入射光子和反射光子具有相同的波长,则反射光子的强度取决于反射面的温度。[Ys5] 利用入射光子和反射光子强度之差测量物体温度的方法称为反射法。反射法可以测量器件、金属互连和薄膜的温度。 1.1.3 物理接触法测量温度 扫描热探针是物理接触法中用来测量微纳尺度温度的常用方法。通常在原子力显微镜的探针上加上温度敏感的元件,如热电偶或热敏电阻,通过探针与物体直接接触测量温度。这种温度测量方法能得到很高的温度分布分辨率。[Ys6][Ys1]Rais K , Ghibaudo G , Balestra F . Temperature dependence of substrate current in silicon CMOS devices[J]. Electronics Letters, 1993, 29(9):778.
[Ys2]Mcintosh P M , Snowden C M . Measurement of heterojunction bipolar transistor thermal resistance based on a pulsed I-V system[J]. Electronics Letters, 1997, 33(1):100.
[Ys3]Zweidinger D T , Fox R M . Thermal impedance extraction for bipolar transistors[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1996, 43(2):P.342-346.
Ammous A , Allard B , Hervé Morel. Transient temperature measurements and modeling of IGBT's under short circuit[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1998, 13(1):12-25.
Tenbroek B M , Lee M S L , Redman-White W , et al. Self-heating effects in SOI MOSFETs and their measurement by small signal conductance techniques[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 1996, 43(12):2240-2248.
Redman-White W , Lee M S L . Direct extraction of MOSFET dynamic thermal characteristics from standard transistor structures using small signal measurements[J]. Electronics Letters, 1993, 29(13):P.1180-1181.
[Ys4]Robert Furstenberg, Chris Kendziora, Michael Papantonakis,等. Advances in photo-thermal infrared imaging microspectroscopy[C]// Scanning Microscopies: Advanced Microscopy Technologies for Defense, Homeland Security, Forensic, Life, Environmental, & Industrial Sciences. International Society for Optics and Photonics, 2013.
Hefner A , Berning D , Blackburn D , et al. A high-speed thermal imaging system for semiconductor device analysis[C]// IEEE Semiconductor Thermal Measurement & Management Symposium. IEEE, 2001.
[Ys5]Lee C C , Su T J , Chao M . Transient thermal measurements using thermooptic and thermoelectric effects[C]// IEEE Semiconductor Thermal Measurement & Management Symposium. IEEE, 1992.
[Ys6]C.C. Williams, H.K. Wickramasinghe. Scanning thermal profiler[J]. Microelectronic Engineering, 5(1-4):509-513.