一种测试系统及半导体测试方法与流程

1.本发明涉及一种测试系统及半导体测试方法，并且更具体地涉及测量热阻的一种测试系统及半导体测试方法。


背景技术：

2.半导体组件包含直接能隙半导体的组件，例如包含iii-v族材料或iii-v族化合物(类别：iii-v族化合物)，可以在各种条件下或各种环境中(例如，在不同的电压和频率下)操作或工作。
3.半导体组件可以包含异质结双极性晶体管(hbt，heterojunction bipolar transistor)、异质结场效应晶体管(hfet，heterojunction field effect transistor)、高电子迁移率晶体管(hemt，high-electron-mobility transistor)、调制掺杂场效应晶体管(modfet，modulation-doped fet)等。


技术实现要素：

4.根据本发明的一些实施例，一种测试系统包含第一开口、第二开口及复数个电压输入结构。一热传感器经组态以透过所述第一开口获得一组件的第一温度。一光传感器经组态以透过所述第二开口量测所述组件的一第二温度。电压输入结构经组态以提供一第一电压至所述组件以计算所述组件的一热功耗。所述第一温度、所述第二温度及所述热功耗系用以计算所述组件的一热阻。
5.根据本发明的一些实施例，一种用于半导体测试的方法包含：提供一第一开口，其中一热传感器经组态以透过所述第一开口获得一组件的一第一温度；提供一第二开口，其中一光传感器经组态以透过所述第二开口量测所述组件的一第二温度；提供复数个电压输入结构，经组态以提供一第一电压至所述组件以计算所述组件的一热功耗；及依据所述第一温度、所述第二温度及所述热功耗计算所述组件的一热阻。
6.根据本发明的一些实施例，一种测试系统包含：一底部结构，一热沉结构及一第一开口。热沉结构位于所述底部结构之上，其经组态以传导一组件的热量至所述底部结构。第一开口位于所述热沉结构之中，其经组态以容纳一热传感器接触所述组件以获得所述组件的一第一温度。
7.本发明提供一种测试系统，其包含第一开口、第二开口及复数个电压输入结构。上述第一开口及第二开口可分别使用热传感器及光传感器以测量组件的第一温度及第二温度，并且据以计算组件的热阻。热传感器的表面使用绝缘材料做处理，可避免受到电压的影响，提升量测组件的热阻的准确度。
附图说明
8.当与附图一起阅读以下详细描述时，可以根据以下详细描述容易地理解本发明的各方面。经审慎考虑的是，各种特征可能未按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚起见，可以
任意增大或减小各种特征的尺寸。
9.图1是根据本发明的一些实施例的控制系统、感测系统及测试系统的示意图。
10.图2是根据本发明的一些实施例的测试系统的示意图。
11.图3是根据本发明的一些实施例的测试系统的截面图。
12.图4a是根据本发明的一些实施例的测试系统的局部的放大图。
13.图4b是根据本发明的一些实施例的测试系统的局部的俯视图。
14.图5是根据本发明的一些实施例的测试热阻的示意图。
15.图6是根据本发明的一些实施例的热电偶的示意图。
16.图7展示了根据本发明的一些实施例的用于半导体测试的方法的各个阶段。
17.贯穿附图和具体实施方式，使用共同的附图标记来指示相同或类似的组件。根据以下结合附图进行的详细描述，本发明将更加明显。
具体实施方式
18.以下公开提供了用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。以下描述了组件和布置的具体实例。当然，这些仅是实例并且不旨在是限制性的。在本发明中，对在第二特征之上或上方形成或设置第一特征的引用可以包含将第一特征和第二特征被形成或设置为直接接触的实施例，并且还可以包含可以在第一特征与第二特征之间形成或设置另外的特征使得第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各个实例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清晰的目的并且并非用于限定所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
19.下文详细讨论了本发明的实施例。然而，应当理解的是，本发明提供了许多可以在各种各样的特定环境下具体化的适用概念。所讨论的具体实施例仅是说明性的，而不限制本发明的范围。
20.本发明提供了一种半导体装置。此半导体装置可包括传导组件。此传导组件可具有电性连接的功能，亦有将半导体装置产生的热较容易地传导至外部的作用。与先前的半导体装置相比，本发明的半导体装置的散热效率相对较佳。
21.图1是根据本发明的一些实施例的控制系统10a、感测系统10b及测试系统10c的示意图。控制系统10a可包括提供合适的操作或功能环境的硬件和软件以测试组件120。在一些实施例中，可以在控制系统10a、感测系统10b及测试系统10c中的每一个之间传输信号和命令。
22.如图1所示，控制系统10a可包括但不限于处理器102、信号发生器104、监视器106及耦合器108。感测系统10b可包括但不限于热传感器110及光传感器112。测试系统10c可包括但不限于待测试的组件120。
23.处理器102可以使用任意中央处理单元(central-processing unit, cpu)、商用处理器、控制器、微处理器(microcontroller, mcu)、状态机、特定应用集成电路(asic)、或其他可程控逻辑组件、离散式逻辑电路或晶体管逻辑闸、离散式硬件组件、或用于执行本发明所描述的执行的功能的其任意组合。
24.信号发生器104可以被配置为提供或接收测试信号。信号发生器104向感测系统10b及测试系统10c提供各种类型的光信号和电信号，例如声信号、微波信号、数据信号、时
钟信号或电源信号。
25.监视器106可以被配置为确定组件120是否符合测试标准。从组件120反馈的信号可以由监视器106评估，并且可以确定组件120是否符合测试标准。监视器106可以向用户提供信息和/或指令。此外，在一些实施例中，耦合器108可以被配置为将处理器102和监视器106耦合到感测系统10b。耦合器108可以被配置为将处理器102和监视器106耦合到感测系统10b及测试系统10c。耦合器108可以被配置为将处理器102和监视器106耦合到感测系统10b以测量组件120。
26.热传感器110可包括一热电偶。热电偶的表面可覆盖一导热绝缘材料。热电偶可包括一第一金属及一第二金属。第一金属的材料可不同于第二金属的材料。第一金属可位于热电偶的第一端及第二端之间。第二金属可位于热电偶的第一端及第三端之间。在一些实施例中，光传感器112可包括一红外线传感器。热电偶的第一端、第二端及第三端的配置可见于图6。
27.组件120可包含hbt。组件120可包含hfet。组件120可包含hemt。组件120可包含mosfet。在一些实施例中，组件120可包括gan hemt、sic jfet、sic mosfet或silicon mosfet，本发明并不加以限制。
28.组件120可以包含衬底、缓冲层、第一氮化物半导体层、第二氮化物半导体层、第三氮化物半导体层。衬底可以包含但不限于硅(si)、掺杂si、碳化硅(sic)、硅化锗(sige)、砷化镓(gaas)或其它半导体材料。衬底可以包含但不限于蓝宝石、绝缘体上硅(soi，silicon on insulator)或其它合适的材料。衬底的厚度可介于约200μm至约400μm的范围间，例如220μm、240μm、260μm、280μm、300μm、320μm、340μm、360μm或380μm。
29.缓冲层可以设置在衬底上。缓冲层可经配置以减少因衬底与第一氮化物半导体层之间的晶格失配(lattice mismatch)所引起的缺陷。
30.第一氮化物半导体层(或沟道层，channel layer)可以设置在衬底上。第一氮化物半导体层可以设置在缓冲层上。第一氮化物半导体层可以包含iii-v族层。第一氮化物半导体层可以包含但不限于iii族氮化物，例如化合物inaalbga1
−a−
bn，其中a b ≦ 1。所述iii族氮化物进一步包含但不限于例如化合物alaga(1-a)n，其中a ≦ 1。第一氮化物半导体层可以包含氮化镓(gan)层。gan的能隙为约3.4 ev。第一氮化物半导体层的厚度的范围可以为但不限于约0.1 μm到约1 μm。
31.第二氮化物半导体层(或阻挡层，barrier layer)可以设置在第一氮化物半导体层上。第二氮化物半导体层可以包含iii-v族层。第二氮化物半导体层可以包含但不限于iii族氮化物，例如化合物inaalbga1
−a−
bn，其中a b ≦ 1。所述iii族氮化物可以进一步包含但不限于例如化合物alaga(1-a)n，其中a ≦ 1。第二氮化物半导体层的能隙可以大于第一氮化物半导体层的能隙。第二氮化物半导体层可以包含铝氮化镓(algan)层。algan的能隙为约4.0 ev。第二氮化物半导体层的厚度的范围可以为但不限于约10 nm到约100 nm。
32.在第二氮化物半导体层与第一氮化物半导体层之间形成异质结，并且异质结的极化在第一氮化物半导体层中形成二维电子气(2deg，two-dimensional electron gas)区域。
33.第三氮化物半导体层(或耗尽层，depletion layer)可设置在第二氮化物半导体层上。第三氮化物半导体层可以与第二氮化物半导体层直接接触。第三氮化物半导体层可
以掺杂有杂质(dopant)。第三氮化物半导体层可以包含p型掺杂质。第三氮化物半导体层可以包含p型掺杂gan层、p型掺杂algan层、p型掺杂aln层或其它合适的iii-v族层。p型掺杂质可以包含镁(mg)、铍(be)、锌(zn)和镉(cd)。第三氮化物半导体层可以被配置成控制第一氮化物半导体层中的2deg的浓度。第三氮化物半导体层可以用于耗尽第三氮化物半导体层正下方的2deg。
34.图2是根据本发明的一些实施例的测试系统20的示意图。测试系统20可包括但不限于开口262及罩盖结构250。测试系统20的内部可具有一待测的组件。在一实施例中，光传感器可经组态以透过开口262量测组件的温度。测试系统20可提供电压至组件以计算所述组件的热功耗。测试系统20可依据上述温度及上述热功耗计算组件的一热阻。
35.图3是根据本发明的一些实施例的测试系统30的截面图。图3可对应为图2的测试系统20中沿着剖面线a至a'的截面图。
36.测试系统30可包括但不限于底部结构310、组件320、热沉结构330、电压输入结构341、电压输入结构342、罩盖结构350、罩盖结构351、罩盖结构352、开口361及开口362。在一些实施例中，测试系统30可用于量测组件320的热阻。
37.底部结构310可包括但不限于高导热的材料。底部结构310可包括但不限于金属。底部结构310可包括但不限于不锈钢。热沉结构330、罩盖结构351、罩盖结构352及开口361可设置于底部结构310上。
38.热沉结构330可包括但不限于高导热的材料。热沉结构330可包括但不限于金属。热沉结构330可包括但不限于合金。热沉结构330可包括但不限于铜。热沉结构330可包括但不限于镍。热沉结构330可包括但不限于铜且其外层电镀镍。热沉结构330可设置于组件320及底部结构310之间。热沉结构330可经组态以传导组件320的热量至底部结构310。
39.开口361可设置于组件320、热沉结构330及底部结构310之间。开口361可包括一空腔或空间。热沉结构330可环绕开口361。开口361可设置于热沉结构330之中。开口361可贯穿热沉结构330。开口361可接触到接触垫3202的下表面3202b。开口361可经组态以容纳一热传感器接触组件320以获得组件320的温度tc。热传感器可包括一热电偶。
40.电压输入结构341及电压输入结构342可包括但不限于高导电的材料。电压输入结构341及电压输入结构342可包括但不限于金属。电压输入结构341可设置于罩盖结构350及罩盖结构351之间。电压输入结构342可设置于罩盖结构350及罩盖结构352之间。电压输入结构341及电压输入结构342可经组态以提供第一电压至组件320以计算组件320的热功耗。在一些实施例中，电压输入结构341及电压输入结构342提供电压v1至组件320，流经组件320的电流为i1，则可计算出组件320的热功耗p为电压v1与电流i1的乘积。
41.罩盖结构350、罩盖结构351、罩盖结构352可包括但不限于高硬度的材料。罩盖结构350、罩盖结构351、罩盖结构352可包括但不限于高刚性的材料。罩盖结构350、罩盖结构351、罩盖结构352可包括但不限于金属。罩盖结构350、罩盖结构351、罩盖结构352可包括但不限于合金。罩盖结构350、罩盖结构351、罩盖结构352可包括但不限于钨钢材质。罩盖结构350可覆盖组件320。罩盖结构350可围绕组件320。罩盖结构350可接触组件320的上表面。罩盖结构350可接触组件320的侧表面。罩盖结构350可用以保护组件320不受到外力破坏。
42.开口362可设置于罩盖结构350及组件320之间。开口362可包括一空腔或空间。罩盖结构350可环绕开口362。开口362可设置于罩盖结构350之中。开口362可贯穿罩盖结构
350。开口362可接触芯片3201的上表面3201t。开口362可接触封装结构3206的侧表面。开口362可接触罩盖结构350的侧表面。开口361的孔径可小于开口362的孔径。开口361的孔径可实质上等于开口362的孔径。开口361的孔径可大于开口362的孔径。在一些实施例中，一光传感器可经组态以透过开口362量测组件320的温度tj。温度tj可包括组件320的芯片3201的温度。温度tj可包括芯片3201的上表面3201t的温度。
43.在一些实施例中，上述温度tc、温度tj、及热功耗p可用于计算组件320的热阻。在一些实施例中，组件320的热阻可依据温度tc及温度tj的差值除以热功耗p而计算出。组件320的热阻可用以量测或评估从芯片3201的上表面3201t至接触垫3202的下表面3202b的温度变化状况。
44.组件320可包括但不限于芯片3201、接触垫3202、接触垫3203、接触垫3204、封装结构3206、导线3207、以及导线3208。在一些实施例中，组件320可设置于热沉结构330上。组件320可设置于电压输入结构341及电压输入结构342上。组件320可被罩盖结构350所围绕。开口361可位于组件320的下方。开口362可位于组件320的上方。开口361可位于电压输入结构341及电压输入结构342之间。
45.芯片3201可设置在接触垫3202上。芯片3201的上表面3201t可朝向开口362。开口362可接触芯片3201的上表面3201t的一部分。开口362可接触芯片3201的上表面3201t的中央部分。
46.接触垫3202可设置在热沉结构330上。接触垫3203可设置在电压输入结构341上。接触垫3204可设置在电压输入结构342上。芯片3201可透过导线3207电连接至接触垫3203。芯片3201可透过导线3208电连接至接触垫3204。接触垫3202、接触垫3203及接触垫3204可包括但不限于高导电的材料。接触垫3202、接触垫3203及接触垫3204可包括但不限于金属。接触垫3202、接触垫3203及接触垫3204可包括但不限于化合物或其它合适的材料。
47.封装结构3206可覆盖芯片3201、接触垫3202、接触垫3203、接触垫3204、导线3207及导线3208。芯片3201、接触垫3202、接触垫3203、接触垫3204、导线3207及导线3208可被封装结构3206所围绕或包覆。封装结构3206可包括但不限于高介电常数介电材料。封装结构3206可包括但不限于低介电常数介电材料。封装结构3206可包括但不限于氧化物、氮化物、氮氧化物或其它合适的材料。
48.图4a是根据本发明的一些实施例的测试系统40a的局部的放大图。图4a的测试系统40a可对应或类似于图3的测试系统30。
49.测试系统40a可包括开口461、弹簧471、及热敏套管472。测试系统40a的热敏套管472可包括开口461。测试系统40a的开口461可用以容纳一热电偶470。测试系统40a的弹簧471可环绕热电偶470。热敏套管472可用以收纳热电偶470。弹簧471可帮助热电偶470顺利插入或抽离开口461。此外，热电偶470的前端可包括一端点4701。热电偶470的端点4701可接触组件的接触垫的下表面。热电偶470的端点4701可接触如图3所示的组件320的接触垫3202的下表面3202b。热电偶470的表面可覆盖一导热绝缘材料，以避免受到接触垫上的电压的影响，并提升量测温度的准确度。
50.图4b是根据本发明的一些实施例的测试系统40b的局部的俯视图。图4b的测试系统40b可对应或类似于图3的测试系统30。
51.如图4b所示，测试系统40b可包括开口462及罩盖结构450。开口462可位于罩盖结
构450的中央部分。开口462可贯穿罩盖结构450的部分或全部。光传感器可经组态以透过开口462量测组件的温度。上述光传感器可使用光电设备来检测物体散发的辐射以评估其表面温度。上述光传感器可使用光电设备来检测如图3所示的组件320的芯片3201的上表面3201t散发的辐射以评估其表面温度。上述光传感器可包括但不限于qfi红外分析仪。
52.图5是根据本发明的一些实施例的测试热阻的示意图。图5的组件520可对应或类似于图3的组件320。在一些实施例中，组件520可可包含hbt。组件520可包含hfet。组件520可包含hemt。组件520可包含mosfet。组件520可包括gan hemt、sic jfet、sic mosfet或silicon mosfet，本发明并不加以限制。
53.如图5所示，组件520可包括漏极520d、栅极520g、源极520s。栅极520g及源极520s之间可具有一电压源vgs。漏极520d及源极520s之间可具有一电压源vds。电压源vgs可电性连接图3的电压输入结构341。电压源vgs可电性连接图3的电压输入结构342。电压源vds可电性连接图3的电压输入结构341。电压源vds可电性连接图3的电压输入结构342，本发明并不加以限制。
54.图6是根据本发明的一些实施例的热电偶670的示意图。图6的热电偶670可对应或类似于图4a的热电偶470。
55.热电偶670可包括金属674及金属675。金属674的材料可不同于金属675的材料。金属674可设置于端点6701及端点6702之间。金属675可设置于端点6701及端点6703之间。在一些实施例中，端点6701可设置于常温或低温环境。端点6702及端点6703可设置于高温环境。由于上述端点的温度不同，且金属674及金属675的材料不同，因而产生电压差。热电偶670的温度和电压之间可具有线性系数k。使用电压计676量测端点6702及端点6703之间的电压差v2。在一些实施例中，可依据电压差v2以及线性系数k的乘积计算出温度tc。
56.图7展示了根据本发明的一些实施例的用于半导体测试的方法的各个阶段。在步骤702中，可提供一第一开口。在一些实施例中，一热传感器可经组态以透过所述第一开口获得一组件的一第一温度。在步骤704中，可提供一第二开口。在一些实施例中，一光传感器可经组态以透过所述第二开口量测所述组件的一第二温度。在步骤706中，可提供复数个电压输入结构，其经组态以提供一第一电压至所述组件以计算所述组件的一热功耗。
57.在步骤708中，可依据所述第一温度、所述第二温度及所述热功耗计算所述组件的一热阻。在一些实施例中，上述半导体测试的方法可包括对所述测试系统的一底部结构设置复数个第一温度；及使用所述热电偶量测所述底部结构的表面的复数个第二温度。在一些实施例中，上述半导体测试的方法尚可包括对所述复数个第一温度及所述复数个第二温度进行拟合以得到一温度系数，及使用所述温度系数获得一实际温度，以进一步提升量测组件的热阻的准确度。应当理解，上述步骤、动作或事件的所示顺序不应被解释为限制性的。例如，一些步骤能够以不同的顺序发生或同时发生。
58.根据本发明的一些实施例，一种测试系统包含第一开口、第二开口及复数个电压输入结构。一热传感器经组态以透过所述第一开口获得一组件的第一温度。一光传感器经组态以透过所述第二开口量测所述组件的一第二温度。电压输入结构经组态以提供一第一电压至所述组件以计算所述组件的一热功耗。所述第一温度、所述第二温度及所述热功耗系用以计算所述组件的一热阻。
59.根据本发明的一些实施例，一种用于半导体测试的方法包含：提供一第一开口，其
中一热传感器经组态以透过所述第一开口获得一组件的一第一温度；提供一第二开口，其中一光传感器经组态以透过所述第二开口量测所述组件的一第二温度；提供复数个电压输入结构，经组态以提供一第一电压至所述组件以计算所述组件的一热功耗；及依据所述第一温度、所述第二温度及所述热功耗计算所述组件的一热阻。
60.根据本发明的一些实施例，一种测试系统包含：一底部结构，一热沉结构及一第一开口。热沉结构位于所述底部结构之上，其经组态以传导一组件的热量至所述底部结构。第一开口位于所述热沉结构之中，其经组态以容纳一热传感器接触所述组件以获得所述组件的一第一温度。
61.除非另外规定，否则如“在
…
上”、“在
…
下”、“向上”、“左”、“右”、“向下”、“顶部”、“底部”、“竖直”、“水平”、“侧”、“高于”、“低于”、“上部”、“在
…
上方”、“在
…
下方”的空间描述是相对于图式中所展示的定向指示的。应理解，本文中所使用的空间描述仅出于说明的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，其限制条件为本发明的实施例的优点不会因此类布置而有偏差。
62.如本文中所使用，术语“竖直”用以指向上和向下方向，而术语“水平”是指横向于竖直方向的方向。
63.如本文中所使用，术语“大约”、“大体上”、“大体”和“约”用以描述和解释小的变化。当与事件或情况结合使用时，术语可指事件或情况精确发生的例子以及事件或情况极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指小于或等于所述数值的
±
10%的变化范围，如小于或等于
±
5%、小于或等于
±
4%、小于或等于
±
3%、小于或等于
±
2%、小于或等于
±
1%、小于或等于
±
0.5%、小于或等于
±
0.1%或小于或等于
±
0.05%。举例来说，如果第一数值在第二数值的小于或等于
±
10%的变化范围内，如小于或等于
±
5%、小于或等于
±
4%、小于或等于
±
3%、小于或等于
±
2%、小于或等于
±
1%、小于或等于
±
0.5%、小于或等于
±
0.1%或小于或等于
±
0.05%，那么第一数值可认为“大体上”相同于或等于第二数值。举例来说，“大体上”垂直可指代相对于90
°
的小于或等于
±
10
°
的角度变化范围，如小于或等于
±5°
、小于或等于
±4°
、小于或等于
±3°
、小于或等于
±2°
、小于或等于
±1°
、小于或等于
±
0.5
°
、小于或等于
±
0.1
°
或小于或等于
±
0.05
°
。
64.如果两个表面之间的移位不超过5
ꢀµ
m、不超过2
ꢀµ
m、不超过1
ꢀµ
m或不超过0.5
ꢀµ
m，那么可认为这两个表面是共面的或大体上共面的。如果表面的最高点与最低点之间的移位不超过5
ꢀµ
m、不超过2
ꢀµ
m、不超过1
ꢀµ
m或不超过0.5
ꢀµ
m，那么可认为表面大体上平坦。
65.如本文中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一(a/an)”和“所述”可包含多个指示物。
66.如本文中所使用，术语“导电(conductive)”、“导电(electrically conductive)”和“电导率”指代输送电流的能力。导电材料通常指示呈现对于电流流动的极少或零对抗的那些材料。电导率的一个量度是西门子每米(s/m)。通常，导电材料是导电性大于大约104 s/m (如至少105 s/m或至少106 s/m)的一种材料。材料的电导率有时可随温度而变化。除非另外指定，否则材料的电导率在室温下测量。
67.此外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是为了便利和简洁而使用，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围极限的数值，而且包含涵盖于那个范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值和子范围一
般。
68.虽然已参考本发明的具体实施例描述并说明本发明，但这些描述和说明并非限制性的。所属领域的技术人员应理解，可在不脱离如由随附权利要求书定义的本发明的真实精神和范围的情况下，作出各种改变且取代等效物。图解可能未必按比例绘制。归因于制造过程和公差，本发明中的工艺再现与实际设备之间可能存在区别。可能存在并未特定说明的本发明的其它实施例。应将本说明书和图式视为说明性而非限定性的。可进行修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或工艺适宜于本发明的目标、精神和范围。所有此类修改是既定在随附权利要求书的范围内。虽然本文中公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作加以描述，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。相应地，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本发明的限制。