[发明专利]键合界面层的热阻测量分析方法

说明书

本申请涉及热阻测量技术领域，尤其涉及一种键合界面层的热阻测量分析方法。本申请先在样品键合前，采用激光闪射法分别测量第一半导体材料层和第二半导体材料层的热扩散系数，计算各自的热导率，样品键合后采用激光闪射法得到样品表面的测量温升曲线，然后创建与样品相同结构参数的有限元导热仿真模型，并输入各项材料参数，将“键合界面层热导率”作为待拟合的变量，基于该模型拟合得到相匹配实验条件下的温升曲线，从而得到键合界面层的对应热导率λ₀，最后计算得到键合界面热阻R_θ＝h₀/λ₀。本申请具有测试周期短、成本低的特点，而且还可以较为精确地测量分析键合界面层热阻，为改进键合质量和提升器件散热能力提供了测试分析的依据。

技术领域

本申请属于热阻测量技术领域，尤其涉及一种键合界面层的热阻测量分析方法。

背景技术

半导体芯片是现代计算核心部件之一，对实现现代计算架构、电力电子、可重写媒体以及数据存储和传输都至关重要。随着电子器件的日益集成化和小型化，发热问题越来越制约其进一步发展。半导体芯片自发热除了引起能耗增加和能效降低之外，也可使器件性能显著下降、可靠性严重退化以至失效。半导体芯片中元器件结构常包括两种或多种不同半导体材料键合而成的异质结，而目前先进键合工艺可以做到键合界面层厚度的最小化，这种微纳米尺度厚度的键合界面层的品质决定了器件自发热通过异质界面扩散出去的能力，这在高功率密度的电子元器件中非常重要，直接影响到器件运行时的结温和可靠性。

目前，对于这种半导体异质键合界面层的热阻并没有准确有效的表征方法，产业界一个通用手段是采用电学测量法，即通过电学参数的细微变化反推结温，通过测量脉冲工作状态下结温随时间变化的曲线，构建结构函数拟合得到器件中各层材料或结构的热阻。该电学方法基于电学参数随温度变化的对应关系，以及结温随时间变化快慢与器件内部热阻的对应关系，属于间接测量技术。在处理半导体异质键合界面层时，由于先进工艺中键合界面层的厚度可以低至纳米级，其结构函数无法构建，因而该界面热阻用该电学方法无法准确提取，在产业界的测试分析中常常被忽略。另外，电学测量法的测量对象是电子器件，要在半导体异质结构上进行器件加工，使得热阻评估所需的周期较长，无法实现键合界面层的快速评估、反馈及后续的界面优化。以上两点原因使得电学测量法无法广泛应用于半导体异质键合界面层热阻的测量分析。除电学测量法以外，常用的光学测量方法如显微拉曼法和红外热成像法等更适用于器件结温的评估和显微热成像，无法实现透过数百微米厚度基底准确提取异质键合界面层热阻，而且这些方法也都是基于已经加工好的电子器件，热阻评估所需的周期和成本较高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种键合界面层的热阻测量分析方法，旨在解决如何更好地测量分析半导体键合界面层的热阻问题。

为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

本申请提供一种键合界面层的热阻测量分析方法，包括如下步骤：

提供第一半导体材料层和第二半导体材料层，采用激光闪射法分别测量所述第一半导体材料层的热扩散系数α₁和所述第二半导体材料层的热扩散系数α₂，然后得到所述第一半导体材料层的热导率λ₁＝α₁C_p1ρ₁，以及所述第二半导体材料层的热导率λ₂＝α₂C_p2ρ₂；其中，C_p1和ρ₁分别为所述第一半导体材料层中的第一半导体材料的热容和密度，C_p2和ρ₂分别为所述第二半导体材料层中的第二半导体材料的热容和密度；

利用键合材料将所述第一半导体材料层和所述第二半导体材料层键合，所述键合材料形成键合界面层；其中，所述键合材料的热容和密度分别为C_p0和ρ₀，所述键合界面层的厚度为h₀；