[發明專利]一種適用于金屬薄膜材料的3omega熱導測量方案

無效

• 申請號: 201010276530.0
• 申請日: 2010-09-09
• 公開（公告）號: CN101975794A
• 公開（公告）日: 2011-02-16
• 發明（設計）人: 宗兆翔;劉冉;仇志軍;沈臻魁
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種適用膜厚為納米量級的金屬薄膜材料的3omega熱導測量方法。

背景技術

目前，具有高熱導特性的金屬性納米結構薄膜材料被廣泛應用于許多微/納電子器件，光電子器件，互連結構以及微機械系統等領域。同時，隨著集成電路系統特征尺寸的持續降低，納米結構材料的熱學性能表征技術越來越受重視，最新的ITRS更將建立電學-熱學-機械特性聯合表征方法作為集成電路性能建模與模擬方面最重要的挑戰之一。因此，建立針對納米結構薄膜材料的熱學實驗表征技術以期提供這些薄膜結構基本熱學信息，已成為集成電路熱學性能最優化設計以及可靠性改進等方面的重要前提。對于納米尺度介質薄膜，3omega(3ω)熱導測量方法已被證明為一種精確有效快速的熱學表征手段，利用金屬電阻對溫度變化的敏感性，可以測量微小的(10^-3K量級)溫度變化。3omega熱導測量實驗的測試結構如圖1所示，為三層結構：第一層是作為加熱源的金屬薄膜線，金屬膜厚在納米量級，為標準的電流電壓四端結構；第二層作為熱傳導媒介的介質薄膜材料，要求膜厚遠小于金屬加熱線的寬度，一般介質薄膜的厚度也為納米量級；第三層是作為熱沉積區的大體積硅材料，如采用工藝標準硅片，一般體硅的厚度為500μm。測量的原理如圖2所示，當對金屬加熱線輸入交流電流的角頻為ω時，電流流經金屬薄膜線使得金屬線成為整個測試系統的熱源，產生特征頻率為2ω的熱波，加熱下面的介質薄膜以及硅襯底，含有2ω項的溫度振蕩信號帶有介質薄膜的熱導信息。同時，金屬線由于電阻對溫度變化敏感，又被作為測試系統的溫度探測器，整個熱擴散過程引起的溫度變化可由電阻變化表征，因此金屬線的電阻變化也帶有2ω的特征頻率。測量輸出端交流電壓信號，利用鎖相放大器提取輸出電壓信號的三次諧波(3ω)分量，根據解析模型，即可由該分量推導出介質薄膜的熱導值。由于3omega方法需要采用金屬薄膜作為測試結構的加熱以及熱感元件，如將3omega方法直接應用金屬薄膜熱導測量，會由于加熱元件與被測材料熱學性質接近(二者均具有較高的熱導值的金屬性薄膜)而引入較大的測量誤差，因此傳統的3omega測量方法無法直接應用于金屬薄膜材料。

另一方面，目前適用于金屬薄膜熱導測量的其他電學手段中，均需要制備特殊的樣品結構，即將被測薄膜制備成接近一維的懸橋(suspend?bridge)結構以減小測量誤差，但這一結構需要復雜的工藝步驟，對于納米薄膜樣品，制備納米厚度的懸橋結構在工藝上幾乎無法實現。

因此如能發展一種可用于金屬納米薄膜熱導測量的電學手段，樣品結構能夠避免復雜的制備工藝步驟，并且滿足相當的測試精度，成本低，速度快，將會在微電子工業領域中有較大的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供一種成本低、速度快、工藝簡單、測試精度高的適用納米量級金屬薄膜材料的3omega熱導測量方法。

傳統3omega熱導測量方法是一種基于Cahill解析模型的間接測量熱導方法。本發明從3omega的解析模型入手，改進了原有模型，著重對于3omega實驗系統的頻率響應行為進行精確建模，模型表明測試系統在高頻區與低頻區主導的熱擴散過程并不相同。在得到二維模型解析解的基礎上，利用高頻區與低頻區樣品結構的熱學響應行為的差異，可以反推出與橫向熱擴散過程相關的被測金屬薄膜的熱學性質，從而將原本只適用于低熱導值介質薄膜樣品的3omega熱導測量方法推廣到高熱導值的金屬薄膜樣品，并且避免了其他電學測量手段所必需的懸橋結構等復雜的樣品制備工藝。

1.基于頻率相關熱學響應行為的3omega改進模型

3omega測量技術是基于Cahill的解析模型，由電壓的三次諧波分量推導出第二層介質薄膜的熱導值。在Cahill模型中，硅襯底與介質的界面處的溫度變化ΔT_s由下式給出：