СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ ПРОВОДЯЩИХ ИЛИ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР Российский патент 2009 года по МПК G01R31/28 G01N27/00 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при разработке оперативных методов и средств определения или неразрушающего контроля значений теплоэлектрофизических параметров и электрофизической диагностики проводящих или резистивных структур интегральных схем (ИС). Изобретение позволяет осуществить возможность определения значений температурного коэффициента сопротивления (ТКС) тестовых образцов проводящих или резистивных структур ИС на основе тонких сплошных пленок металлов и сплавов или теплофизических параметров однородных диэлектрических подложек при воздействии периодической последовательностью импульсов электрического тока.

В наибольшей мере способ эффективен при проведении интегральной электрофизической диагностики прецизионных резистивных структур на однородных диэлектрических подложках, изготовленных из ситалла, поликора, сапфира, плавленого кварца и т.п. Причем в качестве интегрального диагностического параметра выступает теплоэлектрофизический параметр - коэффициент качества K_FB структуры пленка-подложка, равный отношению корня квадратного из произведения плотности, теплоемкости и теплопроводности для материала подложки к ТКС резистивной пленки. Знак K_FB определяется и совпадает со знаком ТКС. Оценка качества структуры проводится по принципу: чем выше значение модуля K_FB, тем выше качество резистивной структуры. Так, например, для высококачественной прецизионной резистивной структуры ИС, тонкая пленка которой имеет малое значение ТКС и осаждена на однородной подложке с высокими значениями плотности, теплоемкости и теплопроводности, K_FB будет принимать высокое значение. Такая подложка эффективно поглощает выделяемое пленкой тепло при воздействии коротких импульсов электрического тока и также эффективно отводит усредненные медленно изменяющиеся тепловые потоки.

Широко известен способ получения значения ТКС образцов резистивных или проводящих структур [1]. Способ соответствует определению ТКС [1, 2] и включает измерение сопротивления образца при различных температурах и вычисление значения ТКС по приведенному выражению.

Способ характеризуется высокой точностью измерения ТКС пленки при протекании малых токов.

Недостатками способа являются:

- необходимость использования термокамеры, что приводит к снижению производительность и усложнению процесса проведения измерений или контроля образцов тестовых структур ИС;

- невозможность интегральной оценки теплоэлектрофизических свойств системы пленка - подложка;

- отсутствие возможности проведения измерений при средних и высоких значениях плотностей тока через образец, приводящих к его значительному разогреву.

Здесь заметим, что функционирование при предельно допустимых значениях импульсов электрического тока является характерным для проводящих и резистивных элементов современных ИС с высокой степенью интеграции. Поэтому оценка их потенциальной устойчивости к воздействию импульсов электрического тока высокой плотности является актуальной задачей.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения уровня нелинейности вольтамперной характеристики безынерционного двухполюсника [3].

Способ включает пропускание через пассивный неполярный безынерционный двухполюсник периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока I_V1 и I_V2, причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов I_V1 и I_V2 пренебрежимо мало, а допустимые для двухполюсника значения тока видеоимпульсов I_V1 и I_V2 связаны между собой соотношением где - скважность видеоимпульсов I_V1, a τ_P и τ_V1 - период следования видеоимпульсов с амплитудами и и длительность видеоимпульсов с амплитудой соответственно, причем , и измерение U_CN - информативной компоненты напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика, возникающей вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) двухполюсника.

Если исследуемый или контролируемый образец проводящей или резистивной структуры представляет собой не безынерционный двухполюсник, а неполярный двухполюсник, часть сопротивления которого, зависящая от тока, проявляет инерционные свойства или зависит также и от времени t, то, как показывают проведенные нами расчеты, для ряда случаев напряжение постоянной составляющей

U_CNOI сигнала - отклика образца на воздействие периодической последовательности «одиночного» (в течение периода τ_P) однополярного прямоугольного диагностирующего видеоимпульса тока I_V1 оказывается равным

L₁, L₂, L₃ - соответственно длина ширина и толщина полосы резистивной или проводящей пленки образца; L_B толщина однородной диэлектрической пластины (подложки); R_F0=const - независящая от импульсного воздействия и времени часть полного сопротивления образца R_F; α_ρF=const - ТКС пленки; ΔT_FPM - средняя температура перегрева пленки вследствие выделения джоулева тепла; R_TF - тепловое сопротивление системы пленка - подложка - окружающая среда; λ_B - удельная теплопроводность подложки; α_B - удельная температуропроводность подложки.

Если пренебречь величиной α_ρF ΔT_FPM, то выражение для U_CNOI упрощается:

Представленный способ позволяет контролировать или определять значения ТКС или интегрального теплоэлектрофизического параметра K_FB по результатам измерения U_CNOI:

Быстродействие способа среднее, как и у способа, при котором разогрев пленки образца осуществляют путем пропускания постоянного тока.

Существенным недостатком способа при определении значений теплоэлектрофизических параметров является также чувствительность к эффектам нелинейности ВАХ, характерным для безынерционных двухполюсников. Причиной возникновения таких компонент U_CN могут быть барьерные механизмы проводимости, например, в областях контактов проводящих или резистивных элементов структур [3, 4]. Такие компоненты в данном случае оказываются «паразитными» и могут приводить к значительному снижению чувствительности способа определения значений теплоэлектрофизических параметров, в особенности при диагностике прецизионных резистивных структур.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известного способа, основанного на применении импульсного тестового электрического воздействия с различными амплитудами и с целью повышения чувствительности и достоверности процесса определения значений теплоэлектрофизических параметров проводящих или резистивных структур ИС при существенном подавлении компонент U_CN, характерных для безынерционных неполярных двухполюсников с высоким уровнем нелинейности ВАХ [3, 4].

Поставленная цель достигается за счет того, что в соответствии со способом определения уровня нелинейности ВАХ безынерционного двухполюсника, включающим пропускание через пассивный неполярный двухполюсник периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока I_V1 и I_V2, причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов I_V1 и I_V2 пренебрежимо мало, и измерение U_CN - информативной компоненты напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика, возникающей вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) двухполюсника, при измерении U_CNDI значения длительности и амплитуды видеоимпульсов тока I_V1 и I_V2 устанавливают равными друг другу так, что τ_V1=τ_V2, Q_V1=Q_V2=τ_P/τ_V2>2, где Q_V1 и Q_V1 - скважности видеоимпульсов I_V1 и I_V2 соответственно, причем видеоимпульс I_V2 начинается сразу по окончании видеоимпульса I_V1 и имеет знак, противоположенный знаку видеоимпульса I_V1, и определяют значения теплоэлектрофизических параметров структур с использованием соотношения

L₁, L₂, L₃ - соответственно длина ширина и толщина полосы резистивной или проводящей пленки образца; L_B толщина однородной диэлектрической пластины (подложки); R_F0=const - независящая от импульсного воздействия и времени часть полного сопротивления образца R_F; α_ρF=const - ТКС пленки; ΔT_FPM - средняя температура перегрева пленки вследствие выделения джоулева тепла; R_TF - тепловое сопротивление системы пленка - подложка - окружающая среда; λ_B - удельная теплопроводность подложки; α_B - удельная температуропроводность подложки.

Если пренебречь величиной α_ρFΔT_FPM, то выражение для U_CNDI упрощается:

Представленный способ позволяет контролировать или определять значения ТКС или интегрального теплоэлектрофизического параметра К_FB по результатам измерения U_CNDI. Так, например,

Для определения значения R_TF можно использовать, например, соотношение [5]:

При необходимости с целью повышения достоверности определения значений теплоэлектрофизических параметров проверяют по результатам нескольких измерений, что U_CNDI пропорционально с заданной погрешностью в заданном диапазоне длительностей τ_V1 и с заданной погрешностью в заданном диапазоне амплитуд импульсов тока [6].

Способ определения основан на установленной взаимосвязи между напряжением постоянной составляющей сигнала отклика и теплоэлектрофизическими характеристиками пассивных неполярных проводящих или резистивных структур при эффективном подавлении компонент сигнала-отклика, характерных для безынерционных двухполюсников, в случае воздействия периодической последовательностью пар видеоимпульсов, имеющих одинаковые амплитуду и длительность, но разные знаки протекающего тока. При этом на основе данного способа возможно проведение разработок конкретных методов интегральной электрофизической диагностики и неразрушающего контроля качества резисторов, резистивных и проводящих структур интегральных микросхем и некоторых других изделий электронной и электротехнической промышленностей.

Отличаясь простотой аппаратурной реализации, способ предназначен прежде всего для определения теплоэлектрофизических параметров проводящих и прецизионных резистивных структур на однородных диэлектрических подложках.

Сущность способа заключается в определении значений теплоэлектрофизических параметров по установленным соотношениям с использованием результатов измерения напряжения постоянной составляющей сигнала - отклика при воздействии периодической последовательностью пар импульсов тока со специально подобранными соотношениями параметров так, чтобы происходило существенное подавление паразитных в данном случае компонент сигнала - отклика, характерных для безынерционных двухполюсников. Степень подавления компонент сигнала - отклика, характерных для безынерционных неполярных двухполюсников с барьерными механизмами проводимости, определяется прежде всего идентичностью формы инверсных друг к другу и следующих друг за другом видеоимпульсов тока I_V1 и I_V2, вырабатываемых генератором импульсов. Обычно «паразитные» компоненты подавляются не менее чем в 8-10 раз. Уровень же сигнала U_CNDI практически не изменяется по сравнению с уровнем сигнала U_CNOI, поскольку их происхождение связано с колебаниями (в течение периода τ_P) температуры пленки или в случае тонкой пленки - с колебаниями температуры подложки вследствие разогрева пленки видеоимпульсами тока. Здесь обратим внимание на то, что параметры A_OI(Q) и A_DI(Q) имеют разные знаки.

Представим пример определения значений теплоэлектрофизических параметров (ТКС и коэффициента качества K_FB структуры пленка - подложка) в соответствии с предлагаемым способом для образца проводящей структуры на основе пленки никеля (Ni), осажденной на подложку из ситалла.

Тестовый образец проводящей структуры имел следующие параметры: длина образца L₁=6 мм; ширина образца L₂=0,3 мм; толщина пленки Ni образца L₃=25 нм; толщина подложки L_B=0,5 мм; R_F0=744 Ом - независящая от импульсного воздействия и времени часть полного сопротивления R_F образца; α_ρF=+(1,0±0,1)·10^-3 K^-1 - ТКС пленки, определенный путем измерения сопротивления R_F при различных (300 K и 350 K) температурах [1]; λ_B=0,98 Вт·м^-1·K^-1 - удельная теплопроводность подложки из ситалла и α_B=4,32·10^-7 м²·с^-1 - удельная температуропроводность подложки - справочные теплофизические параметры для ситалла.

Структурная схема измерительного устройства приведена на фиг.1 и соответствует схеме, приведенной в работе [6], где: 1 - генератор импульсов тока; 2 - осциллограф; 3 - фильтр низкой частоты; 4 - чувствительный вольтметр постоянного тока.

Специально разработанный и изготовленный генератор вырабатывает прямоугольные импульсы тока, которые протекают через конденсатор С, контролируемый образец с сопротивлением R_F и резистор R_D. С помощью разделительного конденсатора С на резисторах R_F и R_D формируется импульсное воздействие I_V(t). Параметры импульсного воздействия контролируют с помощью осциллографа по падению напряжения U_VD(t) на сопротивлении R_D. В нашем случае R_D=100 м. Напряжение постоянной составляющей U_CN сигнала - отклика измеряют чувствительным вольтметром.

На фиг.2 приведена временная диаграмма импульсов тока I_V1 и I_V2. В соответствии с первым пунктом формулы изобретения параметры импульсов устанавливали равными так, что τ_V1=τ_V2, Q_V1=Q_V2=τ_P/τ_V1=τ_P/τ_V2>2, где, τ_V1 и τ_V2 - длительности видеоимпульсов I_V1 и I_V2 соответственно, τ_P - период их следования, Q_V1 и Q_V2 - скважности видеоимпульсов I_V1 и I_V2 соответственно, причем видеоимпульс I_V2 начинается сразу по окончании видеоимпульса I_V1 и имеет знак, противоположенный знаку видеоимпульса I_V1.

Результаты измерения U_CNDI=U_CNDI(I_V1) при Q_V1=16, τ_V1=16 мкс представлены следующим двумерным массивом [I_V1, мА/U_CNDI, мкВ]: [10/-33]; [14/-94,5]; [20/-271]; [28/-773]; [40/-2240].

Результаты измерения U_CNDI=U_CNDI(τ_V1) при Q_V1=16, I_V1=20 мА представлены следующим двумерным массивом [τ_V1, мкс/U_CNDI, мкВ]: [4/-123]; [16/-279]; [64/-595]; [256/-1211].

Обработка результатов измерений на ЭВМ показала, что U_CNDI~I_V1 в степени 3,03 и U_CNDI~τ_V1 в степени 0,55. Допустим, что для данного случая эти значения вполне соответствуют ограничениям п.5 формулы изобретения.

Расчет по соотношению п.3 формулы изобретения дает следующее значение для ТКС при I_V1=20 мА, τ_V1=16 мкс, Q_V1=16: α_ρF=+(1,15±0,1)·10^-3 K^-1. Полученное значение находится в хорошем соответствии со значением (+(1,0±0,1)·10^-3 K^-1), определенным путем измерения сопротивления R_F при различных температурах.

Расчет значения интегрального теплоэлектрофизического параметра K_FB, характеризующего качество структуры, в соответствии с его определением по п.4 формулы изобретения дает Значение этого же параметра, определенное по результатам измерения U_CNDI при I_V1=20 мА, τ_V1=16 мкс, Q_V1=16, в соответствии с выражением п.4 формулы

Видно, что значения K_FB находятся в хорошем соответствии друг другу.

Область использования предлагаемого способа - неразрушающий контроль качества и электрофизическая диагностика различных проводящих и резистивных структур и компонентов ИС. Применение предлагаемого способа, характеризующегося высокой чувствительностью, позволяет создавать на его основе высокоэффективные методы и средства определения теплоэлектрофизических параметров и диагностики различных неполярных проводящих и резистивных двухполюсников в системах контроля качества по эффектам нелинейности их ВАХ.

Источники информации:

1. ГОСТ 21342.15-78 Резисторы. Метод определения температурной зависимости сопротивления.

2. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - 9-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. С.105.

3. Карев А.В., Карев И.А. Патент РФ на изобретение №2168736 - прототип.

4. Жигальский Г.П., Карев А.В. Методы и средства для неразрушающего контроля качества безынерционных двухполюсников по неравновесному фликкер-шуму и нелинейным эффектам при импульсном тестовом воздействии // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 1997. №3-4. С 50-56.

5. Захаров А.Л., Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с., с.34.

6. Громов Д.Г., Жигальский Г.П., Карев А.В., Карев И.А., Чулков И.С. Исследование нелинейных эффектов и избыточного шума в проводниках пониженной размерности. Материалы доклада 37-го международного научно-методического семинара «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах», 28-30 ноября 2006 г. - М.: МЭИ, 2007.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при разработке оперативных методов и средств определения или неразрушающего контроля значений теплоэлектрофизических параметров и электрофизической диагностики проводящих или резистивных структур интегральных схем (ИС). Сущность: воздействуют на тестовый образец неполярной проводящей или резистивной структуры периодической последовательностью пар прямоугольных видеоимпульсов тока I_V1 и I_V2. При этом

|I_V1|=|I_V2|, τ_V1=τ_V2, Q_V1=Q_V2=τ_P/τ_V1=τ_P/τ_V2>2, где, τ_V1 и τ_V2 - длительности видеоимпульсов I_V1 и I_V2 соответственно, τ_P - период их следования, Q_V1 и Q_V2 - скважности видеоимпульсов I_V1 и I_V2 соответственно. Видеоимпульс I_V2 начинается сразу по окончании видеоимпульса I_V1 и имеет знак, противоположенный знаку видеоимпульса I_V1. Определяют значения теплоэлектрофизических параметров с использованием результатов измерения информативной компоненты напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика, возникающей вследствие колебания температуры и сопротивления проводящей или резистивной пленки образца в течение периода

τ_P. Технический результат: повышение чувствительности и достоверности при существенном подавлении компонент сигнала-отклика, характерных для безынерционных неполярных двухполюсников. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения значений теплоэлектрофизических параметров тестовых образцов пленочных проводящих или резистивных структур, расположенных на однородной диэлектрической подложке, включающий пропускание через образец периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока I_V1 и I_V2, причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов пренебрежимо мало, и измерение информативной компоненты напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика образца, возникающей вследствие нелинейности его вольт-амперной характеристики, отличающийся тем, что при измерении информативной компоненты C_CNDI напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика образца значения длительности и амплитуды видеоимпульсов тока I_V1 и I_V2 устанавливают равными так, что |I_V1|=|I_V2|, τ_V1=τ_V2, Q_V1=Q_V2=τ_P/τ_V1=τ_P/τ_V2>2, где τ_V1 и τ_V2 - длительности видеоимпульсов I_V1 и I_V2 соответственно, τ_P - период их следования, Q_V1 и Q_V2 - скважности видеоимпульсов I_V1 и I_V2 соответственно, причем видеоимпульс I_V2 начинается сразу по окончании видеоимпульса I_V1 и имеет знак, противоположный знаку видеоимпульса I_V1, и определяют значения теплоэлектрофизических параметров с использованием соотношения

или упрощенного соотношения

где


L₁, L₂ - соответственно длина и ширина полосы резистивной или проводящей пленки образца; L_B - толщина однородной диэлектрической подложки; R_F0=const - независящая от импульсного воздействия и времени часть полного сопротивления R_F образца; α_ρF=const - температурный коэффициент сопротивления пленки; ΔT_FPM - средняя температура перегрева пленки вследствие выделения джоулева тепла; R_TF - тепловое сопротивление системы пленка - подложка - окружающая среда; λ_B - удельная теплопроводность подложки; α_B - удельная температуропроводность подложки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения значения температурного коэффициента сопротивления α_ρF используют соотношение

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения значения интегрального теплоэлектрофизического параметра K_FB, характеризующего качество структуры, используют соотношение

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно проверяют по результатам нескольких измерений, что U_CNDI пропорционально с заданной погрешностью в заданном диапазоне длительностей τ_V1, и U_CNDI пропорционально с заданной погрешностью в заданном диапазоне амплитуд импульсов тока I_V1.