[发明专利]一种适用于金属薄膜材料的3omega热导测量方案

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种适用膜厚为纳米量级的金属薄膜材料的3omega热导测量方法。

背景技术

目前，具有高热导特性的金属性纳米结构薄膜材料被广泛应用于许多微/纳电子器件，光电子器件，互连结构以及微机械系统等领域。同时，随着集成电路系统特征尺寸的持续降低，纳米结构材料的热学性能表征技术越来越受重视，最新的ITRS更将建立电学-热学-机械特性联合表征方法作为集成电路性能建模与模拟方面最重要的挑战之一。因此，建立针对纳米结构薄膜材料的热学实验表征技术以期提供这些薄膜结构基本热学信息，已成为集成电路热学性能最优化设计以及可靠性改进等方面的重要前提。对于纳米尺度介质薄膜，3omega(3ω)热导测量方法已被证明为一种精确有效快速的热学表征手段，利用金属电阻对温度变化的敏感性，可以测量微小的(10^-3K量级)温度变化。3omega热导测量实验的测试结构如图1所示，为三层结构：第一层是作为加热源的金属薄膜线，金属膜厚在纳米量级，为标准的电流电压四端结构；第二层作为热传导媒介的介质薄膜材料，要求膜厚远小于金属加热线的宽度，一般介质薄膜的厚度也为纳米量级；第三层是作为热沉积区的大体积硅材料，如采用工艺标准硅片，一般体硅的厚度为500μm。测量的原理如图2所示，当对金属加热线输入交流电流的角频为ω时，电流流经金属薄膜线使得金属线成为整个测试系统的热源，产生特征频率为2ω的热波，加热下面的介质薄膜以及硅衬底，含有2ω项的温度振荡信号带有介质薄膜的热导信息。同时，金属线由于电阻对温度变化敏感，又被作为测试系统的温度探测器，整个热扩散过程引起的温度变化可由电阻变化表征，因此金属线的电阻变化也带有2ω的特征频率。测量输出端交流电压信号，利用锁相放大器提取输出电压信号的三次谐波(3ω)分量，根据解析模型，即可由该分量推导出介质薄膜的热导值。由于3omega方法需要采用金属薄膜作为测试结构的加热以及热感元件，如将3omega方法直接应用金属薄膜热导测量，会由于加热元件与被测材料热学性质接近(二者均具有较高的热导值的金属性薄膜)而引入较大的测量误差，因此传统的3omega测量方法无法直接应用于金属薄膜材料。

另一方面，目前适用于金属薄膜热导测量的其他电学手段中，均需要制备特殊的样品结构，即将被测薄膜制备成接近一维的悬桥(suspend bridge)结构以减小测量误差，但这一结构需要复杂的工艺步骤，对于纳米薄膜样品，制备纳米厚度的悬桥结构在工艺上几乎无法实现。

因此如能发展一种可用于金属纳米薄膜热导测量的电学手段，样品结构能够避免复杂的制备工艺步骤，并且满足相当的测试精度，成本低，速度快，将会在微电子工业领域中有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、速度快、工艺简单、测试精度高的适用纳米量级金属薄膜材料的3omega热导测量方法。

传统3omega热导测量方法是一种基于Cahill解析模型的间接测量热导方法。本发明从3omega的解析模型入手，改进了原有模型，着重对于3omega实验系统的频率响应行为进行精确建模，模型表明测试系统在高频区与低频区主导的热扩散过程并不相同。在得到二维模型解析解的基础上，利用高频区与低频区样品结构的热学响应行为的差异，可以反推出与横向热扩散过程相关的被测金属薄膜的热学性质，从而将原本只适用于低热导值介质薄膜样品的3omega热导测量方法推广到高热导值的金属薄膜样品，并且避免了其他电学测量手段所必需的悬桥结构等复杂的样品制备工艺。

1.基于频率相关热学响应行为的3omega改进模型

3omega测量技术是基于Cahill的解析模型，由电压的三次谐波分量推导出第二层介质薄膜的热导值。在Cahill模型中，硅衬底与介质的界面处的温度变化ΔT_s由下式给出：