[发明专利]基于拉曼光谱测试技术的半导体薄膜热导率分析方法

说明书

本发明公开了一种基于拉曼光谱测试技术的半导体薄膜热导率分析方法，包括：待测薄膜样品的微桥结构设计及制备；薄膜材料的拉曼谱峰随温度偏移系数标定；薄膜微桥待测区温度分布计算；利用仿真拟合分析提取薄膜的热导率。本发明解决了特定厚度的半导体薄膜材料热导率精确表征问题，提升了测试精度和降低了测试成本，满足半导体器件对厚度在百纳米到十微米之间薄膜材料热性能的研究需求，对提升器件热管理的技术开发有极大的指导意义。

技术领域

本发明涉及半导体薄膜测试技术，具体涉及一种基于拉曼光谱测试技术的半导体薄膜热导率分析方法。

背景技术

以氮化镓、砷化镓为代表的半导体向高功率密度方向发展的趋势受限于自身热积累效应引起器件结温升高问题，严重导致器件性能和可靠性的下降。因此，器件的热管理已成为大功率器件研发和应用领域的一个重要研究方向，而器件自身材料的热性能研究贯穿于器件热设计的整个过程，是评估和指导热管理研发的重要途径。目前，半导体器件的热管理技术已由传统的系统级向封装级和芯片级方向发展，而系统级和封装级热管理由于尺寸的宏观性，其设计自身材料的热特性测试评估技术十分完善；而对芯片级热管理由于涉及芯片结构的微纳尺寸，其自身的薄膜材料在几百微米到几个微米之间，薄膜材料的热特性严重受尺寸维度的影响，且薄膜样品的制备困难，导致其表征技术未有统一的标准。

目前，应用于半导体薄膜的测试方法多采用电学法和激光热反射法。电学法包含基于微桥结构的热电偶测试法和3ω法，微桥结构的热电偶测试法的精度受热电偶的温度变化精度影响，其测试误差大；而3ω法受限于加热频率范围，热穿透深度大，不适用于10μm以下的薄膜材料测试。激光热反射法由于待测样品表面需要蒸镀吸热层导致其测试和最终拟合的结果精确性受影响，且测试台需自行搭建，测试复杂、费用昂贵。因此目前急需一种高精度且经济的薄膜热导率测试分析方法，满足半导体器件对厚度在几百纳米到几个微米之间薄膜材料热性能的研究需求，对提升器件热管理的技术开发有极大的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于拉曼光谱测试技术的半导体薄膜热导率分析方法，克服现有测试技术对半导体微纳薄膜热导率表征分析精度不足和经济性差的问题，通过含条形电极的微桥热结构设计，以满足拉曼测试和仿真拟合分析的结合，近而实现微纳级薄膜热导率精确表征。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于拉曼光谱测试技术的半导体薄膜热导率分析方法，包括以下步骤：

步骤1，设计待测薄膜的试样测试区的微桥结构，并基于光刻、蒸发、等离子体刻蚀技术进行样品制备；

步骤2，对待测薄膜材料开展特定温度下拉曼光谱测试，进行峰值-温度偏移系数标定；

步骤3，对待测薄膜的表面电极施加特定功率，测试微桥结构的中心区域拉曼谱峰值的偏移量；

步骤4，依据标定的峰值-温度偏移系数，计算出微桥结构的中心区域的温度分布；

步骤5，进行待测薄膜热传递的热分布仿真，结合测试的温度分布，最终拟合提取薄膜的热导率。

进一步的，步骤1中微桥结构的设计方法为：

首先在待测区薄膜上设计线性热源，即条形电极，其微桥区的电极宽度在3～5um之间，其长度和刻蚀区长度一致；

其次，线性热源两端设计电路连接区，满足和外接电路的互连；

最后，在衬底上设计微桥结构的刻蚀区，其长宽比范围在4:1到5:1之间。

进一步的，电极厚度在100～200nm之间。

进一步的，刻蚀区长度在500～1000um之间。

进一步的，样品的制备过程中，电极采用金、铝或铂的蒸发工艺，衬底刻蚀区采用等离子体刻蚀工艺。