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WO2002086432A1 - Verfahren zur bestimmung von temperaturen an halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zur bestimmung von temperaturen an halbleiterbauelementen Download PDF

Info

Publication number
WO2002086432A1
WO2002086432A1 PCT/DE2002/001436 DE0201436W WO02086432A1 WO 2002086432 A1 WO2002086432 A1 WO 2002086432A1 DE 0201436 W DE0201436 W DE 0201436W WO 02086432 A1 WO02086432 A1 WO 02086432A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light wave
temperature
semiconductor component
light
response
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/001436
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning M. Hauenstein
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to US10/311,950 priority Critical patent/US6953281B2/en
Priority to EP02740260A priority patent/EP1395800A1/de
Publication of WO2002086432A1 publication Critical patent/WO2002086432A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining temperatures on semiconductor components.
  • the performance of a component depends, among other things, on its permissible operating temperatures.
  • a very common cause of failure is excessive temperatures during operation, which can severely damage or completely destroy the component.
  • the knowledge of the temperature of the component is therefore determined under certain conditions Operating conditions, of great interest.
  • junction temperature j It is state of the art to characterize the temperature of a semiconductor component using the so-called junction temperature j , which can be determined, for example, by measuring the forward voltage of pn junctions of a component. (These are transitions between p-doped and n-doped regions of a semiconductor; they are, for example, part of rectifier and Zener diodes or are in Form of the intrinsic body diode of a field effect transistor before).
  • This takes advantage of the fact that the voltage U F us uss , which must be applied to a pn junction in the direction of flow in order to let a specific current I flow, depends on the crystal temperature at the location of the pn junction.
  • a considerable disadvantage of this known method is, however, that the measuring current I has to be sent across the component in the flow direction. This means that this method cannot be used as long as a different operating state of the component prevents this flow current (e.g. during an avalanche breakdown or the like).
  • this method cannot be used as long as a different operating state of the component prevents this flow current (e.g. during an avalanche breakdown or the like).
  • the permeability states of different semiconductor junctions in the component cannot be set completely independently of one another. It can therefore happen that there is interest in measuring the temperature of a specific p-n junction, which, however, only becomes transiently permeable under normal operating conditions of the component. In such a case, it is not possible to carry out a stationary calibration measurement at the p-n junction beforehand.
  • the avalanche state is characterized in that a voltage is so high in the reverse direction that the diode breaks down and a high current flows in the reverse direction (so-called Zener breakdown of a diode).
  • Zener breakdown of a diode The high fields and currents generally lead to a strong heating of the component, the hottest point being at the pn junction that breaks through.
  • Reverse current has almost completely decayed in order to then conduct a measuring current in the opposite direction through the p-n junction.
  • the temperature at this point no longer corresponds to the temperature peak at the pn junction that occurs during the breakthrough, but mostly a significantly lower temperature, because between the end of the avalanche state and the start of the measurement, the heat is out of the range could already distribute the pn junction over a larger area of the component or even over the thermally coupled surroundings of the component.
  • the present invention provides a method and a device for determining temperatures on semiconductor components, which enable measurement at any time regardless of an operating state prevailing at a semiconductor junction. Another advantage of the invention is that it enables a spatially resolved temperature measurement, with which even uneven current intensity distributions at a semiconductor junction can be detected on the basis of the temperatures resulting therefrom. The measurement is time-resolved, with a resolution in the millisecond range and below.
  • a device for determining a temperature on a semiconductor component with a light source for irradiating an interrogation light wave onto a measuring point on the semiconductor component, a light-sensitive element for detecting a temperature-dependent property of the response light wave and a processing unit for converting one supplied by the light-sensitive element Detection value in a temperature.
  • a current value of the temperature-dependent property detected by the light-sensitive element is preferably converted into a temperature by comparing it with values of a reference curve which describes the property as a function of temperature.
  • Such a reference curve is expediently recorded in advance under static thermal conditions.
  • the device according to the invention is expediently equipped with an oven with which the temperature of the semiconductor component can be regulated in a stationary manner at a desired value.
  • the reference curve is preferably recorded specifically for a single measurement point of the semiconductor component.
  • a small surface or interface section of the semiconductor component which has a homogeneous structure is expediently chosen as the measurement point.
  • the measuring point of the same semiconductor component or of a structurally identical element is then also used to record the measurements of the heating of the semiconductor component induced by the operating current flow.
  • a plurality of such measuring points can be defined on a semiconductor component and reference curves can be recorded for those measuring points which belong to different p-n junctions or also to spatially separate areas of the same p-n junction.
  • the temperature distribution on the surface of an unpacked component or a component exposed from its packaging can thus be "mapped" to a certain extent. ' If only individual temperature measuring points are required, it may be sufficient to expose them in the packaging through a small hole with a cross section of a few mm 2 .
  • a sufficiently intense monochromatic light source in particular a laser beam, is preferably used as the interrogation light wave.
  • Sufficiently intense means that the light must be intense enough to be able to evaluate the response signal. Too high an intensity would possibly heat up the component and falsify the measurement if the radiation were absorbed accordingly.
  • the response light wave can then be detected at the frequency of the interrogation light wave; with sufficient intensity of the interrogation light wave, the detection of harmonics at a multiple of the frequency of the interrogation light wave is also possible. If two monochromatic interrogation light waves are used, the response light wave can also be detected with the sum or difference of the frequencies of the two interrogation light waves. Such a procedure enables the intensity of the response light wave to be increased by tuning at least one interrogation light wave to a resonance of the material of the component.
  • the response light wave can be detected in the Fresnel reflection direction of the interrogation light wave, but it is also conceivable to evaluate a response light wave that is scattered in a non-directional manner in spatial directions other than the Fresnel reflection direction.
  • a wavelength is preferably selected for the interrogation light wave at which the substrate material of the semiconductor component is transparent. In this way, it is avoided, on the one hand, that absorption of the interrogation light wave in the semiconductor component heats it and the measurement results are falsified, on the other hand, it is excluded that the charge light wave is induced by the immission of the interrogation light wave, which influences the switching behavior of the semiconductor component - could flow.
  • Semiconductor materials generally have transparent regions in the near infrared at wavelengths above I ⁇ m.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a measuring device according to the invention
  • Fig. 2 shows an example of the temporal development of the
  • FIG. 3 shows a measuring method which is suitable for use with a pulsed laser as the light source
  • FIG 5 shows the spatial course of the interrogation and response light wave when the classically reflected or the transmitted interrogation light wave is detected as the response light wave.
  • the semiconductor component 1 is on an arrangement of displacement tables 2, 3 in two directions (relative to the exposed surface of the component 1) the Fig. in the horizontal direction and perpendicular to the plane of the drawing) slidably arranged.
  • the device 1 ' is surrounded on a thermostatically controlled oven 4, which has an entrance and exit window 5, 6 for a query fiber 7 and an answer light wave.
  • a laser 9 for example a solid-state laser, in which rare earth ions are used as laser-active species, serves as the light source for generating the interrogation light wave.
  • such lasers can have wavelengths in the range of approx. 1.0-1.5 ⁇ m.
  • the interrogation light wave 7 generated by the laser 9 is directed to a measuring point on the surface of the semiconductor component 1; the response light wave 8 emanating from there passes through a filter 10 and is emitted by a light-sensitive - lo ⁇
  • the filter 10 serves to shield the light-sensitive element 11 from ambient light.
  • the filter 10 can be a simple colored glass filter or an interference filter. Under certain circumstances, which will be discussed in more detail later, the use of a grating monochromator may also be necessary.
  • a beam portion distributed by a beam splitter 12 from the interrogation light wave 7 is directed to a second light-sensitive element 13.
  • An evaluation and arithmetic unit 14 is connected to both light-sensitive elements 11, 13 in order to calculate the ratio of the intensities of the waves collected by the two light-sensitive elements and thus to determine the reflection coefficient R of the measuring point.
  • a temperature sensor 15 is also connected to the evaluation and arithmetic unit 14 and is used to detect the temperature inside the furnace 4.
  • a reference curve is generated which indicates the dependence of the reflection coefficient of the surface of the semiconductor component 1 on its temperature.
  • the furnace 4 with the semiconductor component 1 located therein is slowly heated up, and during the heating up the re- Inflection coefficient R of the surface is determined by forming the ratio of the intensity signals supplied by the light-sensitive elements 11, 13 and stored as a function of the temperature T prevailing in the furnace 4 at the time of the determination in a memory of the evaluation / arithmetic unit 14.
  • the surface of the semiconductor component 1 is structured and has a reflection coefficient which differs from location to location, then such a reference curve is obtained for a plurality of measuring points at which temperature measurements are to be carried out later under operating conditions of the semiconductor component.
  • the case is considered that these operating conditions are stationary.
  • the comparison provides a reflection coefficient R, which can be clearly assigned to a temperature of the semiconductor component 1 on the basis of the reference curve. With this method, however, only slow temperature changes of the semiconductor component 1 can be detected.
  • This procedure is suitable for use in conjunction with a continuous light source for the interrogation period.
  • a first curve 20 indicates the reflectivity 'R of the surface of the semiconductor component 1 as a function of the time t. The curve repeats itself in each operating cycle of the semiconductor component with the duration ti.
  • a second curve 21 indicates the time-dependent intensity of the pulsed laser, its period t ⁇ + ⁇ differs from the period t x of the operating cycle by a very small, non-vanishing value ⁇ . This difference ⁇ is shown exaggerated in the figure in order to make it clear how the position of the laser pulses of curve 21 changes over time t
  • Aspect ratio can be set; a temporal resolution of the reflectivity measurement corresponding to the laser pulse duration t can be achieved.
  • the response light wave which is collected and evaluated to determine the temperature, originates from the interrogation light wave by reflection on the surface of the semiconductor device.
  • elements according to the classic laws of Fresnel optics This does not necessarily have to be the case.
  • nonlinear optical phenomena on the surface or also on another interface of the semiconductor component instead of linearly reflected light in the conventional manner.
  • the easiest way to do this is to double the frequency on the surface.
  • Optical frequency doubling or general mixing of sum and difference frequencies are non-linear optical processes that can occur in non-inversion-symmetrical media. In the usual semiconductor materials, the inversion symmetry is broken only at interfaces. Therefore, sum and difference frequency mixing can only occur at interfaces. But it is precisely the interfaces, e.g.
  • the interrogation light wave 7 hits two. opposite equal angles to the surface normal to a measuring point on the surface of the semiconductor component 1. Due to the non-linear interaction of the light arriving from two different directions with ' the half ' iter surface, frequency-doubled light is produced which is partially emitted in the direction of the surface normal. This response light wave is practically free of background with the frequency of the interrogation light wave. Although the intensity of the frequency-doubled response light wave is many orders of magnitude lower than that of the interrogation light wave, the response light wave can therefore be separated from the background, if necessary using additional filters or a monochromator, and detected as a photosensitive element 11 with the aid of a photomultiplier.
  • a polarizer can be provided in the beam path of the interrogation light wave - regardless of whether it is a light wave at the frequency of the interrogation light wave or a harmonic thereof - in order to detect the intensity of the response light wave in a polarization-dependent manner.
  • this polarizer can be, in particular or- oriented, orthogonal to the polarization direction of the laser to detect only a depolarized component in the reflected from the component 1 light in response light wave and so much of the intensity of the reflected light to suppress.
  • IC to detect semiconductor material 1. While a wavelength of the interrogation light wave 7 in a region of complete transparency of the semiconductor substrate will preferably be selected for reflection measurements, a wavelength at the edge of the transparency is recommended for transmission measurements.

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Abstract

Zur Bestimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement (1) wird eine Abfragelichtwelle (7) auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement eingestrahlt, eine von dem Messpunkt abgestrahlte Antwortlichtwelle (8, 8') erfasst und die Temperatur des Messpunkt anhand einer Temperaturabhängigen Eigenschaft (R) der Antwortlichtwelle (8, 8') ermittelt.

Description

Verfahren zur Bestimmung von Temperaturen an Halbleiterbau- elementen
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Temperaturen an Halbleiterbauelementen. Auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie hängt die Leistungsfähigkeit eines Bauelements unter anderem stark von seinen zulässigen Betriebstemperaturen ab. Eine sehr häufige Ausfallursache sind zu hohe Temperaturen während des Betriebs, die das Bauelement stark schädigen oder komplett zerstören können. Sowohl für den Anwender, der für eine bestimmte Anwendung geeignete Halbleiterbauelemente auswählen oder einem Hersteller für die Entwicklung eines solchen Elements Vorgaben machen muss, als auch für den Hersteller, der sein Produkt spezifiziert, ist daher die Kenntnis der Temperatur des Bauelements, die sich unter bestimmten Einsatzbedingungen einstellt, von großem Interesse.
Es ist Stand der Technik, Temperatur eines Halbleiterbauelements über die sogenannte Sperrschicht-Temperatur j zu charakterisieren, welche z.B. durch Messen der Flussspan- nung von p-n-Übergängen eines Bauelements bestimmt werden kann. (Dies sind Übergänge zwischen p-dotierten und n- dotierten Gebieten eines Halbleiters; sie sind z.B. Bestandteil von Gleichrichter- und Zenerdioden oder liegen in Form der intrinsischen Body-Diode eines Feldeffekttransistors vor) . Dabei nutzt man aus, dass die Spannung UFιuss, die man in Flussrichtung an einen p-n-Übergang anlegen muss, um einen bestimmten Strom I fließen zu lassen, von der Kristalltemperatur am Ort des p-n-Übergangs abhängt.
Über den funktionalen Zusammenhang UFluss (I , Tj ) kann man dann durch Messen der Flussspannung UFiuss zu einem gegebenen Flussstrom I auf die Temperatur Tj zurückschließen. Voraussetzung hierfür ist allerdings die Kenntnis der Funktion UFIUSS d Tj) , die im allgemeinen durch eine vorausgehende stationäre Eichmessung von UιUSs(I Tj) ermittelt wird.
Ein erheblicher Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist allerdings, dass man den Messstrom I in Flussrichtung über das Bauteil schicken muss. D.h., man kann diese Methode nicht anwenden, solange ein anderer Betriebszustand des Bauteils diesen Flussstrom verhindert (z.B. während eines Avalanche-Durchbruchs oder dergleichen) . Bei komplexen integrierten Schaltungen kann sich darüber hinaus das Problem ergeben, dass im allgemeinen die Durchlässigkeitszustände verschiedener Halbleiterübergänge in dem Bauelement nicht völlig unabhängig voneinander einstellbar sind. Es kann daher der Fall vorkommen, dass Interesse besteht, die Temperatur eines bestimmten p-n-Übergangs zu messen, der aber unter normalen Betriebsbedingungen des Bauelements nur transient durchlässig wird. In einem solchen Fall ist es nicht möglich, vorab eine stationäre Eichmessung an dem p- n-Übergang durchzuführen.
Diese Besonderheiten des bekannten Verfahrens führen dazu, dass es z.B. für die Untersuchung des Sperrdurchbruchs (Avalanche-Effekt) einer Diode nicht brauchbar ist, Der Avalanche-Zustand ist dadurch gekennzeichnet, dass in Sperrrichtung eine so hohe Spannung anliegt, dass die Diode durchbricht und in Sperrrichtung ein hoher Strom fließt (sogenannter Zener-Durchbruch einer Diode) . Die hohen Felder und Ströme führen im allgemeinen zu einem starken Aufheizen des Bauelements, wobei die heißeste Stelle am durchbrechenden p-n-Übergang liegt. Um die dort vorherrschende Temperatur mit dem bekannten Flussspannungsverfahren zu bestimmen, muss man allerdings so lange warten, bis der
Sperrstrom nahezu vollständig abgeklungen ist, um dann einen Messstrom in entgegengesetzter Richtung durch den p-n- Übergang zu leiten. Dies führt dazu, dass das bekannte Verfahren erst mit einer gewissen Zeitverzögerung nach dem Ab- klingen des Zener-Durchbruchs anwendbar ist. Die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Temperatur entspricht allerdings nicht mehr der während des Durchbruchs auftretenden Temperaturspitze am p-n-ύbergang, sondern meist einer deutlich geringeren Temperatur, weil zwischen dem Ende des Avalan- che-Zustands und dem Beginn der Messung die Wärme sich aus dem Bereich des p-n-Übergangs bereits auf einen größeren Bereich des Bauelements oder sogar auf die thermisch angekoppelte Umgebung des Bauelements verteilen konnte. Es sind jedoch im allgemeinen die transienten Temperaturspitzen, die zu einer Schädigung des Bauelements führen.
Es besteht zwar die Möglichkeit, durch Verfolgen der zeitlichen Entwicklung des Flussstroms nach einem Zener- Durchbruch Aufschluss über die Temperaturentwicklung im Halbleiterbauelement zu erhalten und durch Extrapolieren dieser Entwicklung auf Zeitpunkte vor der Messung auf Tem- peraturen rückzuschließen, die zur Zeit des Durchbruchs an der Grenzschicht geherrscht haben können. Dieses Verfahren ist jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Ein Grund dafür ist die Kürze der zur Verfügung stehenden Mess- zeiten und damit die beschränkte Genauigkeit der Temperaturmessung, die um so extremer ist, je höher die benötigte zeitliche Auflösung ist, zum anderen liegt ein grundsätzliches Problem darin, dass durch die Flussstrommessung nur ein Mittelwert der Temperatur über die gesamte Oberfläche des p-n-Übergangs ermittelt werden kann, dass aber durchaus nicht gewiss ist, dass der Avalanche-Strom - und damit die Temperaturverteilung im Avalanche-Zustand - über die Übergangsfläche gleichmäßig verteilt ist.
Vorteile der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Temperaturen an Halbleiterbauelementen geschaffen, die eine Messung zu beliebigen Zeiten unabhängig von einem an einem Halbleiterübergang herrschenden Betriebszustand ermöglichen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie eine ortsaufgelöste Temperaturmessung ermöglicht, mit der auch ungleichmäßige Stromstärkeverteilungen an einem Halbleiterübergang anhand der daraus resultierenden Temperaturen erfassbar sind. Die Messung ist zeitaufgelöst möglich, mit einer Auflösung im Millisekundenbereich und darunter.
Diese Vorteile werden erreicht durch ein Verfahren zur Be- Stimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement mit den Schritten: Einstrahlen einer Abfragelichtwelle auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement,
Erfassen einer von dem Messpunkt abgestrahlten Antwortlichtwelle,
Erfassen der Temperatur des Messpunkts anhand einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Antwortlichtwelle.
Die Vorteile werden ferner erreicht durch eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement mit einer Lichtguelle zum Einstrahlen einer Abfragelichtwelle auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement, einem lichtempfindlichen Element zum Erfassen einer temperaturabhängigen Eigenschaft der Antwortlichtwelle und eine Verarbeitungseinheit zum Umrechnen eines von dem lichtempfindlichen Element gelieferten Erfassungswertes in eine Temperatur.
Die Umrechnung eines von dem lichtempfindlichen Element er- fassten momentanen Werts der temperaturabhängigen Eigenschaft in eine Temperatur erfolgt vorzugsweise durch Ver- — gleich mit Werten einer Referenzkurve, die die Eigenschaft als Funktion der Temperatur beschreibt.
Eine solche Referenzkurve wird zweckmäßigerweise vorab unter statischen thermischen Bedingungen aufgenommen.
Um die Referenzkurve an dem gleichen Bauelement, an dem später auch die Messungen vorgenommen werden, unter identi- sehen Bedingungen aufnehmen zu können, ist die erfindungs- gemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise mit einem Ofen ausgestattet, mit dem die Temperatur des Halbleiterbauelements auf einem gewünschten Wert stationär geregelt werden kann.
Da temperaturabhängige Eigenschaften des Halbleiterbauelements wie etwa lineare und nichtlineare Reflexionskoeffi- . zienten, Brechungsindex, Absorptionskoeffizient, etc. entsprechend den an dem Halbleiterbauelement ausgebildeten funktionalen Strukturen örtlich variabel sein können, wird die Referenzkurve vorzugsweise jeweils spezifisch für einen einzelnen Messpunkt des Halbleiterbauelements aufgenommen. Als Messpunkt wird zweckmäßigerweise ein kleiner Oberflächen- bzw. Grenzflächenabschnitt des Halbleiterbauelements gewählt, der eine homogene Struktur aufweist. An diesem
Messpunkt desselben Halbleiterbauelements oder eines baugleichen Elements werden dann anschließend auch die Messungen der durch den Betriebsstromfluss induzierten Erwärmung des Halbleiterbauelements aufgenommen.
Es kann eine Mehrzahl derartiger Messpunkte an einem Halbleiterbauelement definiert werden und Referenzkurven können für solche Messpunkte aufgenommen werden, die zu unterschiedlichen p-n-Übergängen oder auch zu örtlich getrennten Bereichen eines gleichen p-n-Übergangs gehören.
An einem unverpackten Bauteil oder einem aus seiner Verpak- kung freigelegten Bauteil kann so die Temperaturverteilung an der Oberfläche gewissermaßen „kartiert" werden. ' Werden nur einzelne Temperaturmesspunkte benötigt, so kann es ausreichen, diese durch eine kleine Bohrung von wenigen mm2 Querschnitt in der Verpackung freizulegen.
Vorzugsweise wird als Abfragelichtwelle eine hinreichend intensive monochromatische Lichtquelle, insbesondere ein Laserstrahl, verwendet. Hinreichend intensiv bedeutet, daß das Licht intensiv genug sein muß, um das Antwortsignal auswerten zu können. Zu hohe Intensität würde unter Umstän- den das Bauelement aufheizen und die Messung verfälschen, falls die Strahlung entsprechend absorbiert werden würde.
Die Antwortlichtwelle kann dann bei der Frequenz der Abfragelichtwelle erfasst werden; bei ausreichender Intensität der Abfragelichtwelle ist auch die Erfassung von Harmonischen bei einem Vielfachen der, Frequenz der Abfragelichtwelle möglich. Wenn zwei monochromatische Abfragelichtwellen verwendet werden, kann die Antwortlichtwelle auch bei der Summe oder Differenz der Frequenzen der zwei Abfrage- lichtwellen erfasst werden. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht einen Zugewinn an Intensität der Antwortlichtwelle durch Abstimmen wenigstens einer Abfragelichtwelle auf eine Resonanz des Materials des Bauteils.
Die Antwortlichtwelle kann in Fresnel-Reflexionsrichtung der Abfragelichtwelle erfasst werden, denkbar ist aber auch, eine Antwortlichtwelle auszuwerten, die in andere Raumrichtungen als die Fresnel-Reflexionsrichtung ungerich- tet gestreut wird. Bevorzugtermaßen wird für die Abfragelichtwelle eine Wellenlänge gewählt, bei der das Substratmaterial des Halbleiterbauelements transparent ist. Auf diese Weise wird zum einen vermieden, dass durch Absorption der Abfragelichtwel- le im Halbleiterbauelement dieses erwärmt und dadurch die Messergebnisse verfälscht werden, zum anderen wird ausgeschlossen, dass durch die Immission der Abfragelichtwelle freie Ladungsträger im Halbleitermaterial induziert werden, die das Schaltverhalten des Halbleiterbauelements beein- flussen könnten. Halbleitermaterialien weisen im allgemeinen transparente Bereiche im nahen Infrarot bei Wellenlängen oberhalb Iμm auf.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen MessVorrichtung;
Fig. 2 ein Beispiel für die zeitliche Entwicklung der
Reflektivität der Oberfläche eines Halbleiterbauelements und eine daraus ermittelte Entwicklung der Temperatur;
Fig. 3 ein Messverfahren, das zum Einsatz mit einem gepulsten Laser als Lichtquelle geeignet ist;
Fig. 4 den räumlichen Verlauf von Abfrage- und Antwort- lichtwelle in einem Fall, wo als Antwortlichtwel- le die zweite Harmonische der Abfragelichtwelle erfasst wird; und
Fig. 5 den räumlichen Verlauf von Abfrage- und Antwort- lichtwelle, wenn als Antwortlichtwelle die klassisch reflektierte oder die transmittierte Abfragelichtwelle erfasst wird.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Vor- richtung zur Bestimmung von Temperaturen an einem Halbleiterbauelement 1. Bei der hier dargestellten Vorrichtung ist das Halbleiterbauelement 1 auf einer Anordnung von Verschiebetischen 2, 3 in zwei zur freiliegenden Oberfläche des Bauelements 1 senkrechten Richtungen (bezogen auf die Fig. in horizontaler Richtung und senkrecht zur Zeichnungsebene) verschiebbar angeordnet. Das Bauelement 1 ist' on einem thermostatgeregelten Ofen 4 umgeben, der ein Eintritts- bzw. Austrittsfenster 5, 6 für eine Abfragelichtwelle 7 bzw. eine Antwortlichtwelle 8 aufweist. Als Licht- quelle zum Erzeugen der Abfragelichtwelle dient ein Laser 9, z.B. ein Festkörperlaser, in dem Seltenerdionen als laseraktive Spezies verwendet werden. Je nach Art der eingesetzten Ionen und ihres Trägerkristalls können solche Laser Wellenlängen im Bereich von ca. 1,0-1,5 μm aufweisen.
Die von dem Laser 9 erzeugte Abfragelichtwelle 7 wird auf einen Messpunkt an der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 gelenkt; die von dort ausgehende Antwortlichtwelle 8 durchläuft ein Filter 10 und wird von einem lichtempfindli- - lo ¬
chen Element 11, z.B. einer PIN-Photodiode, einem pyroelek- trischen Detektor o. dgl . aufgefangen. Das Filter 10 dient zum Abschirmen des lichtempfindlichen Elements 11 gegen Umgebungslicht. Je nach erwarteter Intensität der Abfragelichtwelle kann das Filter 10 ein einfaches Farbglasfilter oder ein Interferenzfilter sein, unter bestimmten Umständen, auf die später noch genauer eingegangen wird, kann auch die Verwendung eines Gittermonochromators notwendig sein.
Ein von einem Strahlteiler 12 aus der Abfragelichtwelle 7 ausgeteilter Strahlanteil wird auf ein zweites lichtempfindliches Element 13 geleitet.
Eine Auswertungs- und Recheneinheit 14 ist an beide lichtempfindlichen Elemente 11, 13 angeschlossen, um das Verhältnis der Intensitäten der von den zwei lichtempfindlichen Elementen aufgefangenen Wellen zu berechnen und so den Reflexionskoeffizienten R des Messpunkts zu ermitteln. An die Auswertungs- und Recheneinheit 14 ist ferner ein Temperatursensor 15 angeschlossen, der zum Erfassen der Temperatur im Innern des Ofens 4 dient.
In einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Referenzkurve erzeugt, die die Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 von dessen Temperatur angibt. Zu diesem Zweck wird der Ofen 4 mit dem darin befindlichen Halbleiterbauelement 1 langsam aufgeheizt, und während des Aufheizens wird der Re- flexionskoeffizient R der Oberfläche durch Bilden des Verhältnisses der von den lichtempfindlichen Elementen 11, 13 gelieferten Intensitätssignale ermittelt und als Funktion der jeweils zum Ermittlungszeitpunkt im Ofen 4 herrschenden Temperatur T in einem Speicher der Auswertungs- /Recheneinheit 14 abgespeichert.
Wenn die Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 strukturiert ist und einen von Ort zu Ort unterschiedlichen Refle- xionskoeffizienten aufweist, so wird eine derartige Referenzkurve für eine Mehrzahl von Messpunkten gewonnen, an denen später Temperaturmessungen unter Betriebsbedingungen des Halbleiterbauelements durchgeführt werden sollen.
Als erstes Beispiel für die Anwendung der Referenzkurve zum Ermitteln einer Temperatur des Halbleiterbauelements 1 und der Betriebsbedingungen wird der Fall betrachtet, dass diese Betriebsbedingungen stationär sind. In diesem Fall genügt es, die Abfragelichtwelle 7 unter exakt den gleichen geometrischen Bedingungen wie bei der Aufnahme der Referenzkurve auf das Halbleiterbauelement 1 einzustrahlen und die von dessen Oberfläche reflektierte Antwortlichtwelle 8 aufzufangen, um ihre temperaturabhängige Intensität mit der vom lichtempfindlichen Element 13 aufgefangenen Intensität zu vergleichen. Der Vergleich liefert einen Reflexionskoeffizienten R, der anhand der Referenzkurve eindeutig einer Temperatur des Halbleiterbauelements 1 zugeordnet werden kann . Mit diesem Verfahren sind allerdings nur langsame Temperaturänderungen des Halbleiterbauelements 1 erfassbar. Für den Halbleiterentwickler und -anwender ist jedoch die Kenntnis von Temperaturen bedeutsam, die sich im Laufe ei- 5 nes Schaltvorgangs, also bei nichtstationärem Betrieb des Bauelements, transient einstellen können. Ein Prinzip der Erfassung solcher transienter Temperaturverläufe ist anhand von Fig. 2 veranschaulicht. Zum Messen eines Temperaturver-
) laufs am Halbleiterbauelement 1 wird ein Schaltvorgang, der 0 zu einer Erwärmung führt, zyklisch wiederholt. Fig. 2 zeigt in einem ersten Teildiagramm als Kurve R(t) den Verlauf der Reflektivität R als Funktion der Zeit t über zwei Schaltzyklen. In Wirklichkeit ist die Reflektivität mit der Genauigkeit der dargestellten Kurven nicht messbar, sondern 5 stark verrauscht, so dass zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers, der Teil der Auswertungs- und Recheneinheit 14 sein kann, und der an den Schaltzyklus des Bauelements 1 gekoppelt ist, ein mittlerer Verlauf der Reflek- tivität R im Laufe eines Zyklus ermittelt wird, der an- 0 schließend anhand der Referenzkurve R(T) in einen zeitabhängigen Verlauf der Temperatur T(t) umgerechnet wird.
Diese Vorgehensweise eignet sich zur Verwendung in Verbindung mit einer kontinuierlichen Lichtquelle für die Abfra- 5 geweile.
Fig. 3 veranschaulicht ein Messverfahren, das zum Einsatz mit einem gepulsten Laser als Lichtquelle geeignet ist. In Fig. 3 sind drei Kurven jeweils einander überlagert darge- stellt. Eine erste Kurve 20 gibt die Reflektivität ' R der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 als Funktion der Zeit t an. Die Kurve wiederholt sich in jedem Betriebszyklus des Halbleiterbauelements mit der Dauer ti. Eine zwei- te Kurve 21 gibt die zeitabhängige Intensität des gepulsten Lasers an, ihre Periode tχ+ε unterscheidet sich um einen sehr kleinen, nichtverschwindenden Wert ε von der Periode tx des Betriebszyklus. In der Fig. ist diese Differenz ε übertrieben dargestellt, um deutlich zu machen, wie sich im Laufe der Zeit t die Lage der Laserpulse der Kurve 21 in
Bezug auf den Betriebszyklus des Bauelements 1 verschiebt. Mit jedem Laserpuls wird die Kurve 20 - in jeweils verschiedenen Zyklen - mit einer anderen Phasenlage abgetastet, und ein Abtastwert für den Reflexionskoeffizienten erhalten, der jeweils einer arideren Phasenlage der zyklischen Kurve 20 entspricht. Die Folge der so erhaltenen Ab- tastwerre ergibt eine Kurve 22, deren Verlauf auf einer gestreckten Zeitskala dem Verlauf der Reflektivitätskurve 20 in jedem einzelnen Zyklus entspricht. Durch Wählen des Werts ε in der Größenordnung der Laserpulsdauer kann der
Faktor der Streckung festgelegt werden; es kann eine zeitliche Auflösung der Reflektivitätsmessung entsprechend der Laserpulsdauer t erzielt werden.
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass die Antwortlichtwelle, die zum Ermitteln der Temperatur aufgefangen und ausgewertet wird, aus der Abfragelichtwelle durch Reflexion an der Oberfläche des Halbleiterbau- elements nach den klassischen Gesetzen der Fresnelschen Optik hervorgeht. Dies muss nicht notwendigerweise der Fall sein. So ist es z.B. denkbar, als Antwortlichtwelle nicht den reflektierten Strahl aufzufangen, sondern Licht, das an der Oberfläche des Bauelements 1 diffus reflektiert wird.
Es kann sich auch als zweckmäßig erweisen, anstelle von in herkömmlicher Weise linear reflektiertem Licht nichtlineare optische Erscheinungen an der Oberfläche oder auch einer anderen Grenzfläche des Halbleiterbauelements auszunutzen. Die einfachste Möglichkeit hierfür ist die Frequenzverdopplung an der Oberfläche. Optische Frequenzverdopplung oder allgemeiner Summen- und Differenzfrequenzmischung sind nichtlineare optische Vorgänge, die in nicht inversionssym- metrischen Medien auftreten können. Bei den üblichen Halbleiterwerkstoffen ist ein Bruch der Inversionssymmetrie lediglich an Grenzflächen gegeben. Daher kann Summen- und Differenzfrequenzmischung ausschließlich an Grenzflächen auftreten. Es sind aber gerade die Grenzflächen, z.B. zwi- sehen unterschiedlich dotierten Zonen des Halbleiterbauelements oder zwischen dem Halbleitersubstrat und einer Metallisierung, deren Temperaturen wichtig zu wissen sind, um die Belastbarkeit von Halbleiterbauelementen optimieren zu können, oder auch, um Modelle zu optimieren, die es erlau- ben, Temperaturverteilungen in einem Halbleiterbauelement unter Betriebsbedingungen rechentechnisch zu simulieren.
Eine vorteilhafte Variante der Strahlführung an dem Halbleiterbauelement 1 bei Verwendung der zweiten Harmonischen 0
als Antwortlichtwelle 8 ist in Fig. 4 gezeigt. Hier trifft die Abfragelichtwelle 7 unter zwei . entgegengesetzt gleichen Winkeln zur Oberflächennormalen auf einen Messpunkt an der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1. Durch die nichtli- neare Wechselwirkung des aus zwei verschiedenen Richtungen eintreffenden Lichtes mit ' der Halble'iteroberflache entsteht frequenzverdoppeltes Licht, das zum Teil gebündelt in Richtung der Oberflächennormalen abgestrahlt wird. Diese Antwortlichtwelle ist praktisch frei von Untergrund mit der Frequenz der Abfragelichtwelle. Obwohl die Intensität der frequenzverdoppelten Antwortlichtwelle um viele Größenordnungen kleiner als die der Abfragelichtwelle ist, kann die Antwortlichtwelle daher, gegebenenfalls unter Verwendung weiterer Filter bzw. eines Monochromators, vom Untergrund getrennt und mit Hilfe eines Photomultipliers als lichtempfindliches Element 11 nachgewiesen werden.
Einer anderen Weiterentwicklung zufolge kann im Strahlengang der Abfragelichtwelle - unabhängig davon, ob es eine Lichtwelle bei der Frequenz der Abfragelichtwelle oder einer Harmonischen davon ist - ein Polarisator vorgesehen werden, um die Intensität der Antv/ortlichtwelle polarisationsabhängig zu erfassen. Wenn der Laser 9 polarisiertes Licht liefert,' so kann dieser Polarisator insbesondere or- thogonal zur Polarisierungsrichtung des Lasers orientiert sein, um lediglich eine depolarisierte Komponente in dem vom Bauelement 1 zurückgeworfenen Licht als Antwortlichtwelle zu erfassen und so einen Großteil der Intensität des zurückgeworfenen Lichtes zu unterdrücken. Wenn eine umpola- In der bisherigen Beschreibung ist davon ausgegangen worden, dass die Antwortlichtwelle 8 an der Oberfläche des Halbleiterbauelements 1 in den Halbraum emittiert wird, aus dem die Abfragelichtwelle 7 auf die Oberfläche trifft. Wie J Fig. 5 zeigt, besteht jedoch auch die Möglichkeit, als Antwortlichtwelle 8' den von dem Halbleiterbauelement 1 trans- mittierte Anteil der Abfragelichtwelle 7 mittels eines lichtempfindlichen Elements 11' aufzufangen und so den ebenfalls temperaturabhängigen Absorptionskoeffizienten des
IC Halbleitermaterials 1 zu erfassen. Während man für Reflexionsmessungen bevorzugt eine Wellenlänge der Abfragelichtwelle 7 in einem Bereich vollständiger Transparenz des Halbleitersubstrats wählen wird, empfiehlt sich für Trans- missionsmessungen eine Wellenlänge am Rande des Transpa-
15 renzbereichs, so dass auch geringfügige temperaturabhängige Änderungen des Absorptionskoeffizienten zu einer messbaren Intensitätsänderung der trans ittierten Antwortlichtwelle 8 ' führen. Durch Einsatz des Strahlteilers 12 und Erfassung des abgeteilten Strahls im lichtempfindlichen Element 13 können ^-0 in der Auswerte bzw. Recheneinheit 14 auch beim Beispiel nach Figur 5 Absolutkoeffizienten bestimmt werden, sowohl die absoluten Reflexions- als auch Transmissions-koeffizienten, aus dem Verhältnis der Signale der Detektoren bzw. lichtempfindlichen Elemente 11 ' und 13. Misst man Reflexion und Transmission gleichzeitig, dies ist bei bestimmten
Probengeometrien möglich und erfordert ein weiteres Detektorelement, also insgesamt d-rei Detektorelemente 11, 11', 13, kann aus den erhaltenen Signalen auch der Absorptionskoe fizient des Halbleitermaterials 1 und

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur an einem Halbleiterbauelement (1), mit den Schritten:
Einstrahlen einer Abfragelichtwelle (7) auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement,
Erfassen einer von dem Messpunkt abgestrahlten Antwortlichtwelle (8, 8^), - Erfassen der Temperatur des Messpunkts anhand einer temperaturabhängigen Eigenschaft (R) der Antwortlichtwelle (8, 8 ) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur erfasst wird durch Vergleichen eines momentanen Werts (R(t))der temperaturabhängigen Eigenschaft mit Werten einer Referenzkurve (R(T)).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkurve (R(T)) vorab unter statischen thermischen Bedingungen aufgenommen wird.
4. 'Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzkurve (R(T)) jeweils spezifisch für einen einzelnen Messpunkt des Halbleiterbauelements (1) aufgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragelichtwelle (7) monochromatisch ist und die Antwortlichtwelle (8, 8λ) bei der Frequenz der Abfragelichtwelle (7) erfasst wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragelichtwelle (7) mono- chromatisch ist und die Antwortlichtwelle (8) bei einem Vielfachen der Frequenz der Abfragelichtwelle (7) erfasst wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei monochromatische Abfragelichtwellen (7) verwendet, werden und die Antwortlichtwelle (8) bei der Summe oder Differenz der Frequenzen der zwei Abfragelichtwellen (7) erfasst wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturabhängige Eigenschaft die Intensität oder die Polarisation der Antwortlichtwelle (8) ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortlichtwelle (8) in Fresnel-Reflexionsrichtung der Abfragelichtwelle erfasst wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortlichtwelle (8) durch ungerichtete Streuung an der Oberfläche des Halbleiterbauelements (1) erhalten wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass für die Abfragelichtwelle (7) eine Wellenlänge gewählt wird, bei der das Substratmaterial des Halbleiterbauelements (1) transpa¬ rent ist.
12. Vorrichtung zur Bestimmung einer .Temperatur an einem Halbleiterbauelement, mit einer Lichtquelle (9) zum Einstrahlen einer Abfragelichtwelle (7) auf einen Messpunkt an dem Halbleiterbauelement (1), einem lichtempfindlichen Element (11) zum Erfassen einer temperaturabhängigen Eigenschaft der von dem Messpunkt abgestrahlten Antwortlichtwelle (8), gekennzeichnet durch eine Verarbeirungseinheit (14) zum Umrechnen eines von dem lichtempfindlichen Element (11) gelieferten Erfassungswertes in eine Temperatur.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (14) einen Speicher für wenigstens eine Referenzkurve (R(T)) der temperaturabhängigen Eigenschaft als Funktion der Temperatur auf- weist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, gekennzeichnet durch einen Ofen (4) zum Regeln der Temperatur des Halbleiterbauelements (1).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch wenigstens ein Stellglied (2, 3) zum Verschieben des Halbleiterbauelements (1) relativ zur Lichtquelle (9) und dem lichtempfindlichen Element (11).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (9) ein Laser ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtempfindliche Element (11) ein Photomultiplier ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Halbleiterbauelement (1) und dem lichtempfindlichen Element (11) ein Polarisator angeordnet ist.
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