СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ТЕПЛОЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ ПРОВОДЯЩИХ ИЛИ РЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР
METHOD OF DETERMINING VALUES OF THERMOELECTROPHYSICAL PARAMETRES OF TEST SAMPLES OF CONDUCTING OR RESISTIVE STRUCTURES

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.
FB
FB
FB
FB
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 структуры пленка-подложка, равный отношению корня квадратного из произведения плотности, теплоемкости и теплопроводности для материала подложки к ТКС резистивной пленки. Знак K определяется и совпадает со знаком ТКС. Оценка качества структуры проводится по принципу: чем выше значение модуля K, 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 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].
V1
V2
V1
V2
V1
V2
V1
P
V1
CN
Способ включает пропускание через пассивный неполярный безынерционный двухполюсник периодической последовательности пар прямоугольных видеоимпульсов тока I и I, причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов I и I пренебрежимо мало, а допустимые для двухполюсника значения тока видеоимпульсов I и I связаны между собой соотношением  где  - скважность видеоимпульсов I, a τ и τ - период следования видеоимпульсов с амплитудами  и  и длительность видеоимпульсов с амплитудой  соответственно, причем , и измерение U - 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
CNOI
P
V1
U сигнала - отклика образца на воздействие периодической последовательности «одиночного» (в течение периода τ) однополярного прямоугольного диагностирующего видеоимпульса тока I оказывается равным
1
2
3
B
F0
F
ρF
FPM
TF
B
B
L, L, L - соответственно длина ширина и толщина полосы резистивной или проводящей пленки образца; L толщина однородной диэлектрической пластины (подложки); R=const - независящая от импульсного воздействия и времени часть полного сопротивления образца R; α=const - ТКС пленки; ΔT - средняя температура перегрева пленки вследствие выделения джоулева тепла; R - тепловое сопротивление системы пленка - подложка - окружающая среда; λ - удельная теплопроводность подложки; α - удельная температуропроводность подложки.
ρF
FPM
CNOI
Если пренебречь величиной α ΔT, то выражение для U упрощается:
FB
CNOI
Представленный способ позволяет контролировать или определять значения ТКС или интегрального теплоэлектрофизического параметра K по результатам измерения U:
Быстродействие способа среднее, как и у способа, при котором разогрев пленки образца осуществляют путем пропускания постоянного тока.
CN
Существенным недостатком способа при определении значений теплоэлектрофизических параметров является также чувствительность к эффектам нелинейности ВАХ, характерным для безынерционных двухполюсников. Причиной возникновения таких компонент U 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.
CN
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, характерных для безынерционных неполярных двухполюсников с высоким уровнем нелинейности ВАХ [3, 4].
V1
V2
V1
V2
CN
CNDI
V1
V2
V1
V2
V1
V2
P
V2
V1
V1
V1
V2
V2
V1
V1
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 и I, причем значение постоянной составляющей тока периодической последовательности пар видеоимпульсов I и I пренебрежимо мало, и измерение U - информативной компоненты напряжения постоянной составляющей сигнала-отклика, возникающей вследствие нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) двухполюсника, при измерении U значения длительности и амплитуды видеоимпульсов тока I и I устанавливают равными друг другу так, что  τ=τ, Q=Q=τ/τ>2, где Q и Q - скважности видеоимпульсов I и I соответственно, причем видеоимпульс I начинается сразу по окончании видеоимпульса I и имеет знак, противоположенный знаку видеоимпульса I, и определяют значения теплоэлектрофизических параметров структур с использованием соотношения
1
2
3
B
F0
F
ρF
FPM
TF
B
B
L, L, L - соответственно длина ширина и толщина полосы резистивной или проводящей пленки образца; L толщина однородной диэлектрической пластины (подложки); R=const - независящая от импульсного воздействия и времени часть полного сопротивления образца R; α=const - ТКС пленки; ΔT - средняя температура перегрева пленки вследствие выделения джоулева тепла; R - тепловое сопротивление системы пленка - подложка - окружающая среда; λ - удельная теплопроводность подложки; α - удельная температуропроводность подложки.
ρF
FPM
CNDI
Если пренебречь величиной αΔT, то выражение для U упрощается:
FB
CNDI
Представленный способ позволяет контролировать или определять значения ТКС или интегрального теплоэлектрофизического параметра К по результатам измерения U. Так, например,
TF
Для определения значения R можно использовать, например, соотношение [5]:
CNDI
V1
При необходимости с целью повышения достоверности определения значений теплоэлектрофизических параметров проверяют по результатам нескольких измерений, что U пропорционально  с заданной погрешностью в заданном диапазоне длительностей τ 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.
V1
V2
CNDI
CNOI
P
OI
DI
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 и I, вырабатываемых генератором импульсов. Обычно «паразитные» компоненты подавляются не менее чем в 8-10 раз. Уровень же сигнала U практически не изменяется по сравнению с уровнем сигнала U, поскольку их происхождение связано с колебаниями (в течение периода τ) температуры пленки или в случае тонкой пленки - с колебаниями температуры подложки вследствие разогрева пленки видеоимпульсами тока. Здесь обратим внимание на то, что параметры A(Q) и A(Q) имеют разные знаки.
FB
Представим пример определения значений теплоэлектрофизических параметров (ТКС и коэффициента качества K структуры пленка - подложка) в соответствии с предлагаемым способом для образца проводящей структуры на основе пленки никеля (Ni), осажденной на подложку из ситалла.
1
2
3
B
F0
F
ρF
F
B
B
-3
-1
-1
-1
-7
2
-1
Тестовый образец проводящей структуры имел следующие параметры: длина образца L=6 мм; ширина образца L=0,3 мм; толщина пленки Ni образца L=25 нм; толщина подложки L=0,5 мм; R=744 Ом - независящая от импульсного воздействия и времени часть полного сопротивления R образца; α=+(1,0±0,1)·10 K - ТКС пленки, определенный путем измерения сопротивления R при различных (300 K и 350 K) температурах [1]; λ=0,98 Вт·м·K - удельная теплопроводность подложки из ситалла и α=4,32·10 м·с - 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.
F
D
F
D
V
VD
D
D
CN
Специально разработанный и изготовленный генератор вырабатывает прямоугольные импульсы тока, которые протекают через конденсатор С, контролируемый образец с сопротивлением R и резистор R. С помощью разделительного конденсатора С на резисторах R и R формируется импульсное воздействие I(t). Параметры импульсного воздействия контролируют с помощью осциллографа по падению напряжения U(t) на сопротивлении R. В нашем случае R=100 м. Напряжение постоянной составляющей U сигнала - отклика измеряют чувствительным вольтметром.
V1
V2
V1
V2
V1
V2
P
V1
P
V2
V1
V2
V1
V2
P
V1
V2
V1
V2
V2
V1
V1
На фиг.2 приведена временная диаграмма импульсов тока I и I. В соответствии с первым пунктом формулы изобретения параметры импульсов устанавливали равными так, что  τ=τ, Q=Q=τ/τ=τ/τ>2, где, τ и τ - длительности видеоимпульсов I и I соответственно, τ - период их следования, Q и Q - скважности видеоимпульсов I и I соответственно, причем видеоимпульс I начинается сразу по окончании видеоимпульса I и имеет знак, противоположенный знаку видеоимпульса I.
CNDI
CNDI
V1
V1
V1
V1
CNDI
Результаты измерения U=U(I) при Q=16, τ=16 мкс представлены следующим двумерным массивом [I, мА/U, мкВ]: [10/-33]; [14/-94,5]; [20/-271]; [28/-773]; [40/-2240].
CNDI
CNDI
V1
V1
V1
V1
CNDI
Результаты измерения U=U(τ) при Q=16, I=20 мА представлены следующим двумерным массивом [τ, мкс/U, мкВ]: [4/-123]; [16/-279]; [64/-595]; [256/-1211].
CNDI
V1
CNDI
V1
Обработка результатов измерений на ЭВМ показала, что U~I в степени 3,03 и U~τ в степени 0,55. Допустим, что для данного случая эти значения вполне соответствуют ограничениям п.5 формулы изобретения.
V1
V1
V1
ρF
F
-3
-1
-3
-1
Расчет по соотношению п.3 формулы изобретения дает следующее значение для ТКС при I=20 мА, τ=16 мкс, Q=16: α=+(1,15±0,1)·10 K. Полученное значение находится в хорошем соответствии со значением (+(1,0±0,1)·10 K), определенным путем измерения сопротивления R при различных температурах.
FB
CNDI
V1
V1
V1
Расчет значения интегрального теплоэлектрофизического параметра K, характеризующего качество структуры, в соответствии с его определением по п.4 формулы изобретения дает  Значение этого же параметра, определенное по результатам измерения U при I=20 мА, τ=16 мкс, Q=16, в соответствии с выражением п.4 формулы
FB
Видно, что значения K 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.