Material 2

5 熱設計の課題と熱物性TEGの提案

L

L

L

L

Cross Sectional Areas : A

Thermal Conductivity : λ

Thermal Resistance : R

= L

/(λ

･A) Interface Resistance

: R

Thermal Conductivity : λ

Thermal Resistance : R

= L

/(λ

･ A) Interface Resistance

: R

Thermal Conductivity : λ

Thermal Resistance : R

= L

/(λ

･A) Total Thermal Resistance

: ∆T/Q = R

= R

+R

+R

+R

+R

= L

/(λ

･A) Effective Thermal Conductivity

: λ

= L

/(R

･ A)

∆T

Q

Material 1

Material 3

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5.2.2 薄膜熱物性評価 TEG の構成と測定方法 

  現 在 開 発 中 の 半 導 体 素 子 内 部 の 薄 膜 熱 物 性 測 定 技 術 に お い て は ，上 記 の よ う に ， 素 子 内 部 で 実 際 に 使 用 さ れ る 薄 膜 構 造 体 自 体 を ， 周 期 加 熱 の 熱 源 お よ び 温 度 変 動 測 定 の セ ン サ と し て 使 用 し て ， 交 流 カ ロ リ メ ト リ の 手 法 を 用 い て 薄 膜 熱 物 性 値 を 測 定 す る こ と を 検 討 し て い る ． 本 測 定 手 法 に お い て は ， 熱 源 と な る 薄 膜 抵 抗 体 を 電 気 的 に 周 期 加 熱 し ， 試 料 裏 面 の 温 度 変 動 を ， 裏 面 側 に 成 膜 し た 別 の 薄 膜 抵 抗 体 の ，抵 抗 値 の 変 動 と し て 測 定 す る ．双 方 の 位 相 差 を 測 定 す る こ と で ，原 理 的 に は ， 界 面 の 情 報 を 含 ん だ 熱 拡 散 率 を 算 出 で き る ．

  図 5.2 は ， 本 技 術 を 用 い て 薄 膜 熱 物 性 を 評 価 す る た め の 薄 膜 熱 物 性 評 価 TEG の 構 成 を 示 し た も の で あ る ．図 5.2.1 は TEGの 断 面 構 成 を ，図 5.2.2は バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ の 断 面 構 成 の 一 例 を そ れ ぞ れ 示 し た も の で あ る が ， 素 子 内 部 に あ る 特 定 の 薄 膜 の ， 厚 さ 方 向 の 熱 物 性 ， 特 に 熱 拡 散 率 を 測 定 す る た め に ， ト ラ ン ジ ス タ を 試 作 ・ 量 産 す る も の と 同 一 ウ ェ ハ 上 に ， 追 加 工 程 を 施 さ ず に TEGを 試 作 す る こ と が 重 要 で あ る ．

  そ の 主 な 理 由 は ， 熱 物 性 を 評 価 す る た め の 構 造 を 作 り 込 む こ と に よ り ， 工 程 が 追 加 さ れ る と ， 測 定 対 象 の 薄 膜 に 予 期 し な い 不 純 物 が 混 入 す る 可 能 性 が 出 て く る こ と に よ る ．ま た ，製 品 レ ベ ル で ，in-situで 物 性 を 評 価 し ，歩 留 ま り の 向 上 に フ ィ ー ド バ ッ ク す る こ と を 考 え る と ， 工 程 を 増 や す こ と に よ る 製 造 コ ス ト の 増 大 も 忌 避 さ れ る べ き で あ り ， こ の 観 点 か ら も 測 定 対 象 ， 熱 源 ， セ ン サ の 全 て が ， 製 品 製 造 工 程 上 で 利 用 で き る 薄 膜 ・ 配 線 の み で 構 成 さ れ る こ と が 要 求 さ れ る ．

  図 5.3 に ， 試 作 し た TEG の 顕 微 鏡 写 真 と そ の 概 略 説 明 図 を 示 す ． 測 定 対 象 と し て は ， 素 子 内 部 に あ る 各 種 薄 膜 を 選 択 し ， 測 定 対 象 よ り 前 の 工 程 で 成 膜 さ れ る 導 電 性 の 膜 （poly-Si 等 ） を 温 度 セ ン サ ， 測 定 対 象 よ り 後 の 工 程 で 成 膜 さ れ る 導 電 性 の 膜 （ 金 属 配 線 等 ） を 熱 源 と し て 用 い た ． 絶 縁 膜 の 物 性 測 定 の 場 合 ， 上 下 を 熱 源 と 温 度 セ ン サ で 挟 み 込 む 構 造 と す れ ば ， 熱 源 と 測 定 対 象 ， 測 定 対 象 と 温 度 セ ン サ の 間 の ， 界 面 の 熱 抵 抗 を 含 む 物 性 値 と し て ， 絶 縁 膜 の 物 性 値 を 評 価 す る こ と が で き る ． 量 産 品 の 物 性 測 定 の 段 階 で は 絶 縁 膜 の 厚 さ を パ ラ メ ト リ ッ ク に 変 化 さ せ る こ と は で き な い が ， 試 作 段 階 で あ れ ば ， こ の 厚 さ を 変 化 さ せ た TEGを 作 成 す る こ と に よ り ， 界 面 の 熱 抵 抗 の 大 き さ と ， 薄 膜 自 体 の 物 性 を 切 り 分 け る こ と が 可 能 で あ る ．

  一 方 ， 導 電 性 の 薄 膜 の 物 性 値 を 測 定 す る 場 合 に は ， 温 度 セ ン サ ， 絶 縁 膜 ， 測 定 対 象 ， 絶 縁 膜 ， 熱 源 の 順 に TEG を 構 成 す る 必 要 が あ る が ， こ の 場 合 に は ， 図 5.1

5 熱設計の課題と熱物性TEGの提案

に 示 し た よ う な ， 等 価 の 熱 物 性 値 し か 測 定 で き な い ． 従 っ て ， 導 電 性 の 測 定 対 象 を セ ン サ ま た は 熱 源 と し て 絶 縁 膜 お よ び 界 面 の 熱 抵 抗 を 別 途 測 定 し て お き ， そ の 材 料 と の 組 み 合 わ せ に よ り ， 導 電 膜 の 物 性 測 定 用 TEGを 構 成 す る こ と が 重 要 で あ る ．

  な お ， 図 5.3 に 示 し た TEG 構 成 に お い て は ， 現 段 階 で は セ ン サ 側 か ら の 信 号 が 取 得 で き な い 状 況 に あ る ． こ の 理 由 と し て ，TEG を 構 成 す る た め に ， デ バ イ ス 本 来 の レ イ ア ウ ト ル ー ル に 違 反 す る か ， あ る い は 違 反 は し な い も の の ， 想 定 さ れ て い な い 位 置 関 係 で セ ン サ 膜 や 測 定 対 象 ， 熱 源 の レ イ ア ウ ト 設 計 を し た た め ， 信 号 配 線 と セ ン サ を 電 気 的 に 接 続 す る 構 造 の 一 部 に 剥 離 等 が 起 こ り ， 断 線 し て し ま っ て い る こ と や ， セ ン サ と し て 用 い る 薄 膜 の 電 気 抵 抗 が 非 常 に 大 き く ， デ バ イ の ス ケ ー ル で は 問 題 な く て も ，TEG レ ベ ル に す る と 信 号 が 検 知 で き な い こ と が 考 え ら れ る ． あ る い は ， プ ロ セ ス 開 発 中 の ウ ェ ハ に TEG を 作 り 込 ん だ た め ， 開 発 プ ロ セ ス の 一 部 に 不 良 が あ っ て ウ ェ ハ 全 体 で 導 通 が 取 れ て い な い こ と な ど も 可 能 性 と し て は 存 在 す る ．

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交流電流発生装置 直流電源 ロックイン増幅器 データ処理装置

図１

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13

14 15 16

PC

DC Voltage AC Voltage

Si (epi)

Ins.

Si Ins.

Pad TH Ins. Heater

Measured SPL

Sensor

Base Emitter Collector

図 5.2.1  熱物性評価 TEG    図 5.2.2  SOI 基板上の          トランジスタ 

図 5.2  SOI 基板上の熱物性評価 TEG とトランジスタの比較 

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Heater (Metal) AC

AC