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정보통신단체표준(국문표준) 제정일: 200x 년 xx 월 xx 일TTAx.xx-xx.xxxx/R1 개정일: 200x 년 xx 월 xx일
반도체 전자소자의 온웨이퍼 온도특성
측정 가이드라인
(Guideline of On-wafer Measurement for TemperatureCharacteristics of Semiconductor Electronic Devices)
정보통신단체표준(국문표준) 제정일 : 200x 년 xx 월 xx 일 TTAx.xx-xx.xxxx/R1 개정일 : 200x 년 xx 월 xx 일
반도체 전자소자의 온웨이퍼
온도특성 측정 가이드라인
(Guideline of On-wafer Measurement for Temperature
Characteristics of Semiconductor Electronic Devices)
본 문서에 대한 저작권은 TTA 에 있으며, TTA 와 사전 협의 없이 이 문서의 전체 또는 일부를 상업적
목적으로 복제 또는 배포해서는 안 됩니다.
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정보통신단체표준(국문표준)
서 문
1. 표준의 목적
본 표준의 목적은 반도체 전자소자의 온도특성을 상호 비교하기 위하여 측정방법 및 해당
제품의 규격서에 나타내는 특성 데이터를 통일시킴으로써, 궁극적으로 반도체 전자소자 및
이를 활용한 집적회로를 사용하는 사용자가 여러 제품 중에서 선택해야 할 경우에 정확한
선택을 할 수 있도록 하기 위함이다. 아울러 학술논문 등의 성능 우위를 구분하고자 할
경우에도 활용하기 위함이다.
2. 주요 내용 요약
반도체 전자소자 및 이를 이용한 집적회로의 온도특성을 비교하기 위해 측정조건을
표준화하여 상호비교를 통한 부품 선택과 판단을 정확히 하기 위함이다. 반도체 전자소자는
동작을 위해 전원이 인가 됨에 따라 열 효과 (Thermal Effect)로 인한 소자특성의 변화가
나타난다. 따라서, 소자의 온도특성에 대한 정확한 분석 및 모델링이 필요하며 이를 위하여
소자의 온도특성을 평가하기 위한 측정을 하게 된다. 소자의 온도특성을 결정하는 소자 특성
값은 정 방향 전압이 걸리는 소자의 접합 혹은 채널의 온도이며 이 특성 값은 소자의 열적
저항 (Thermal Resistance)과 외부 온도와 소자에 인가되는 전력 값과 관계 된다. 지금까지
반도체 전자소자의 온도 특성을 평가하기 위하여 많은 연구가 진행되었으나 각 연구자 및
산업체에서 사용하는 계측기의 성능과 측정 환경의 차이로 인하여 외부온도, 온도 상승시간, 온도 유지시간, 온도 하강시간 등이 천차만별이며 측정 조건이 특별히 정해져 있지 않기
때문에 측정 조건이 다르고 이로 인한 소자 및 집적회로의 특성을 상호 비교할 경우 정확한
판단을 하기 어려운 게 현실이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 반도체 전자소자의
온웨이퍼 (on-wafer) 온도 특성을 사용자가 상호 비교하고 선택할 수 있도록 하기 위하여 본
표준을 통해서 측정방법의 가이드 라인을 제공하고자 한다.
3. 표준 적용 산업 분야 및 산업에 미치는 영향
본 표준은 반도체 전자소자 및 이를 이용한 집적회로의 온도 특성을 손쉬운 측정 시스템
구성과 같은 측정 조건에서 측정한 결과로 표시함으로써 산업체에서 시스템에 사용하기 위한
부품을 선택할 때 상호 비교 분석이 용이해질 것이다.
4. 참조 표준(권고)
4.1 국외표준(권고) TTAx.xx.xxxx/R11
정보통신단체표준(국문표준)
해당사항 없음
4.2 국내표준
해당사항 없음
5. 참조표준(권고)과의 비교
5.1 참조표준(권고)과의 관련성
해당사항 없음
6. 지적재산권 관련사항
해당사항 없음
7. 적합인증 관련사항
7.1 적합인증 대상 여부
해당사항 없음
7.2 시험표준제정여부(해당 시험표준번호)
해당사항 없음
8. 표준의 이력
해당사항 없음
TTAx.xx.xxxx/R12
정보통신단체표준(국문표준)
Preface
1. The Purpose of Standard
One purpose of this standard is to standardize temperature-dependent data in datasheets of products and measurement methods to compare temperature characteristics of electronic semiconductor devices. Eventually this standard is to select the right wanted product from measured data by the same measurement conditions. And another purpose is to use for temperature characteristics comparison between their performances of some papers, products, etc.
2. The Summary of Contents
One purpose of this standard is to standardize temperature-dependent data in datasheets of products and measurement methods to compare temperature characteristics of electronic semiconductor devices. Eventually this standard is to select the right wanted product from measured data by the same measurement conditions. When a bias supplied to activate devices, electronic semiconductor devices show temperature-dependent characteristics from thermal effect. So, it is required to measure temperature-dependent performances of devices to analyze and modeling them. The device parameter which make a mainly effect on the temperature characteristics of devices is emitter-base junction temperature or channel temperature. It is set by three parameters that are the thermal impedance, the ambient temperature, and the applied DC power. Though many researchers measure temperature characteristics of electronic semiconductor devices, they use different measurement system and measurement conditions. There were differences in measurement temperature, temperature rising time, temperature duration time, temperature falling time, etc.Therefore, it is difficult to select the right wanted product from measured data and to compare performances. This guideline is issued to present the same on-wafer measurement conditions and to compare temperature characteristics between their performances of some papers, products, etc.
TTAx.xx.xxxx/R13
정보통신단체표준(국문표준)
3. The Applicable fields of industry and its effect
This standard can be served to make sure to select the right wanted product from measured data by the same measurement conditions and to use for comparison between their temperature-dependent performances of some papers, products, etc.
4. The Reference Standards (Recommendations)
4.1 International Standards (Recommendations)
None
4.2 Domestic Standards
None
5. The Relationship to Reference Standards (Recommendations)
5.1 The relationship of Reference Standards
None
6. The Statement of Intellectual Property Rights
None
7. The Statement of Conformance Testing and Certification
7.1 The Object of Conformance Testing and Certification
None
TTAx.xx.xxxx/R14
정보통신단체표준(국문표준)
7.2 The Standards of Conformance Testing and Certification
None
8. The History of Standard
None
TTAx.xx.xxxx/R15
정보통신단체표준(국문표준)
목 차
1. 개 요····································································································8
2. 표준의 구성 및 범위···············································································8
3. 용어 정의·····························································································9
3.1. 용어 정의····················································································9
3.1.1. 온도 (Temperature)·······················································9 3.1.2. 캘빈 (Kelvin)··································································9 3.1.3. 프루브 스테이션 (Probe Station)······································9 3.1.4. 온웨이퍼 (On-wafer)·······················································9 3.1.5. Thermal Chuck·····························································9 3.1.6. S-parameter·································································9 3.1.7. 네트웍 분석기 (Network Analyzer)··································9 3.1.8. 스펙트럼 분석기 (Spectrum Analyzer)·····························9
4. 반도체 전자소자의 온웨이퍼 온도특성 측정을 위한 가이드라인·················10
4.1. 반도체 전자소자의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하기 위한 장치 및
구성 시스템·····················································································11
4.2. 반도체 전자소자의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하고 이를 이용한
온도 특성의 상호 비교를 위한 측정 가이드라인····································12
4.3. 측정 데이터 표기········································································14
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정보통신단체표준(국문표준)
Contents
1. Introduction························································································8
2. Constitution and scope·······································································8
3. Definitions··························································································9
3.1. Terms and definitions·······························································9
3.1.1. Temperature·································································9 3.1.2. Kelvin (K)······································································9 3.1.3. Probe Station································································9 3.1.4. On-wafer·······································································9 3.1.5. Thermal Chuck·····························································9 3.1.6. S-parameter·································································9 3.1.7. Network Analyzer·························································9 3.1.8. Spectrum Analyzer·······················································9
4. Guideline of on-wafer measurement for temperature characteristics of semiconductor electronic devices·······················································10
4.1. Measurement system·····························································11
4.2. Measurement sequence and guideline···································12
4.3. Measured data writing····························································14
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정보통신단체표준(국문표준)
반도체 전자소자의 온웨이퍼 온도특성 측정 가이드라인
Guideline of On-wafer Measurement for Temperature Characteristics of Semiconductor Electronic Devices
1. 개요
본 표준의 목적은 반도체 전자소자의 온도특성을 비교하기 위해 측정조건을 표준화하여
상호비교를 통한 부품 선택과 판단을 정확히 하기 위함이다. 반도체 전자소자는 온도에 따라
소자의 물리적인 특성이 변화하며 또한 소자의 구조에 따라 온도특성의 차이가 나타나게
된다. 따라서, 산업체에서 제품의 특성을 나타낼 때 동작온도영역의 확인은 필수 적이며
여기에 더해 반도체 전자소자는 바이어스 혹은 전력이 인가되어 구동됨에 따라 열 효과
(Thermal Effect)로 인한 소자특성의 변화가 나타난다. 따라서, 소자의 온도특성에 대한
정확한 분석 및 모델링이 필요하며 이를 위하여 소자의 온도특성을 평가하기 위한 측정을
하게 된다. 온웨이퍼 측정은 소자 및 회로의 패키지를 하기 전에 필요한 측정이며 패키지에
의한 부가적인 효과를 배제하고 제작한 소자 및 회로의 특성을 측정하기 위한 필수 과정이다. 소자의 온도특성을 결정하는 소자 특성 값은 소자에 따라 다르게 나타나며 예를 들어
바이폴라 트랜지스터의 경우에는 에미터-베이스 이종접합간의 접합 온도이며 이 특성 값은
소자의 열적 저항 (Thermal Resistance)과 외부 온도와 소자에 인가되는 전력 값과 관계
된다. 지금까지 반도체 소자의 온도 특성을 평가하기 위하여 많은 연구가 진행되었으나 각
연구자 및 산업체에서 사용하는 계측기의 성능과 측정 환경의 차이로 인하여 외부온도, 온도
상승시간, 온도 유지시간, 온도 하강시간 등이 천차만별이며 측정 조건이 특별히 정해져 있지
않기 때문에 측정 조건이 다르고 이로 인한 소자 및 집적회로의 특성을 상호 비교할 경우
정확한 판단을 하기 어려운 게 현실이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 반도체 전자소자의
온웨이퍼 (on-wafer) 온도 특성을 사용자가 상호 비교하고 선택할 수 있도록 하기 위하여 본
표준을 통해서 측정방법의 가이드 라인을 제공하고자 한다. 또한 본 표준은 더 나아가서
반도체 전자소자를 이용한 집적회로의 온도특성을 측정하기 위해서도 적용될 수 있다.
2. 표준의 구성 및 범위
본 표준은 반도체 전자소자의 온도특성을 비교하기 위한 온웨이퍼 온도 특성 측정에 대한
가이드라인으로 구성되어 있으며 이 가이드라인은 반도체 전자소자를 이용한 집적회로의
측정에도 적용될 수 있다.첫 번째로 일반적으로 반도체 전자소자 및 이를 이용한 집적회로의 온웨이퍼 온도 특성을
측정하기 위한 장치 및 구성 시스템에 대해 기술하고 있다. 두 번째로 이종접합 반도체 소자 및 이를 이용한 집적회로의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하고
이를 이용한 온도 특성의 상호 비교를 위한 측정 가이드라인에 대해 기술하고 있다. 3. 용어 정의
3.1. 용어 정의
TTAx.xx.xxxx/R18
정보통신단체표준(국문표준)
3.1.1. 온도 (temperature): 물질의 뜨겁고 찬 정도를 나타내는 물리 량이다. 단위는 켈빈 (K)를 사용한다.
3.1.2. 켈빈 (K, Kelvin): 켈빈은 온도의 단위로서, 온도는 켈빈 단위로 측정할 때에 영 또는 양수가 된다.
3.1.3. 프루브 스테이션 (probe station): DUT(semiconductor device) 내부의 단자로부터 신호를 얻기 위한 장치. 소자를
로딩하기 위한 chuck 과 단자에 접촉하기 위한 프루브와 이를 정확히 조절하기 위한
장치로 구성되어 있다.
3.1.4. 온웨이퍼 (on-wafer): 반도체 공정이 완료된 기판 상태. 실리콘 혹은 화합물 반도체 공정 프로세스가
종료되었으며 추후 패키지공정을 진행하기 전의 웨이퍼이다. 공정 후 패키지에
의한 부가적인 효과를 배제하고 소자의 특성을 정의하기 위해서 온웨이퍼 측정을
하게 된다.
3.1.5. Thermal Chuck: 프루브 스테이션에서 기판을 로딩하여 기판을 올려놓을 수 있는 장치를 Chuck
이라 하며, 기판을 잡아줄 진공장치 이외에 온도를 콘트롤 할 수 있는 장치가
부가된 경우를 Thermal Chuck 이라 한다.
3.1.6. S-parameter: S-parameter 는 scattering parameter 라고도 하며 전기적 신호를 인가 하였을
때의 입력과 출력 신호의 비를 주파수에 대해서 나타낸 것이다.
3.1.7. 네트웍분석기 (network analyzer): 하나의 기계 안에 주파수 소스와 스펙트럼 분석기가 들어있어서, 입력과 출력의
주파수 신호분포 결과를 서로 나눔으로써 S-parameter 를 측정하는 장비
3.1.8. 스펙트럼 분석기 (spectrum analyzer): 전기적 신호의 주파수 영역에서의 분포를 측정하는 장비
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정보통신단체표준(국문표준)
4. 반도체 전자 소자의 온웨이퍼 온도특성 측정을 위한 가이드라인
반도체 전자 소자의 온웨이퍼 온도 특성의 정확한 상호 비교를 위해서는 온도 특성을 측정할
때의 측정 조건 등이 같아야 한다. 제작된 반도체 전자소자의 동작온도영역을 확인 하며
여기에 온도에 따른 특성 변화를 측정해야만 소자의 온도 특성을 정확히 확인할 수 있다. 또한, 반도체 소자 및 집적회로는 출력 특성으로 인하여 열 효과로 인한 소자의 특성 변화가
나타난다. 이러한 열 효과는 웨이퍼의 물질 특성과 크게 연관된다.온웨이퍼 온도특성 측정은 측정 장비 및 측정조건에 따라 온도 변화 및 시간 등이 달라지고
이로 인하여 측정되는 소자의 온도 특성이 다르게 나타날 수 있다. 이러한 이유로 제품의
규격서에 표시할 때 회사와 논문에서 발표되는 측정조건이 달라서 소자들과의 정확한 특성
비교가 불가능한 단점이 있다. 본 표준에서는 온웨이퍼 반도체 전자 소자의 온도 특성의 상호
비교를 위해 간단한 측정 시스템 구성을 나타내며 온도 특성을 측정하기 위한 절차에 대한
가이드라인을 제시한다. 아울러 측정한 온도 특성 값을 규격서 또는 논문 등에 추가로
포함하여 반도체 전자 소자들간의 상호 비교를 가능하게 하여 특성 비교를 상대적으로
정확히 판단하는데 본 표준의 목적이 있다.
TTAx.xx.xxxx/R110
정보통신단체표준(국문표준)
4. 1. 반도체 전자 소자의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하기 위한 장치 및 구성 시스템
<그림 1>은 이종접합 반도체 소자 및 이를 이용한 집적회로의 온웨이퍼 온도 특성을
측정하기 위한 장치 및 구성 시스템의 예이다. 온웨이퍼 측정을 위해서는 웨이퍼 로딩과
프루빙을 위한 프루브 스테이션이 필요하며 특히, 온도 특성 측정을 위해서는 프루브
스테이션에 thermal chuck 이 있어야 한다. 프루브 스테이션의 thermal chuck 온도를
조절해주는 온도 컨트럴러가 필수적으로 있어야 하며, 반도체 소자 혹은 집적회로에
바이어스를 인가해주기 위한 전원공급기가 필요하다. 추가적으로 S-parameter 측정을
원하는 경우는 네트웍 분석기가 필요하며, 전력특성을 측정하기 위해서는 신호발생기와
스펙트럼분석기가 필요하다.
온도 컨트롤러
네트웍 분석기
전원 공급기
프루브 스테이션(thermal chuck)
T T바이어스 티 바이어스 티
<그림 1> 반도체 전자소자 및 이를 이용한 집적회로의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하기 위한
장치 및 구성 시스템의 예.
TTAx.xx.xxxx/R111
정보통신단체표준(국문표준)
4. 2. 반도체 전자소자의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하고 이를 이용한 온도 특성의 상호
비교를 위한 측정 가이드라인
<그림 2>는 반도체 전자소자 및 이를 이용한 집적회로의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하기
위한 순서도이다.
DUT를 loading함(thermal chuck)
DUT 프로빙 후에사전테스트
온도를 측정 온도로 변경함 (Tm)
측정 온도에서 DC, RF, 전력 특성을 측
정
측정 종료
측정시작
온도 상승시간 (Rise time)온도 유지시간 (Holding time)온도 하강시간 (Fall time)
<그림 2> 반도체 전자소자 및 이를 이용한 집적회로의 온웨이퍼 온도 특성을 측정하기 위한
순서도
위 순서도를 참고로 하여 각 단계별로 반도체 전자소자 및 이를 이용한 집적회로의 온웨이퍼
온도 특성을 측정하기 위한 가이드 라인은 다음과 같다.
(1) 측정시작
DUT 준비: 측정하고자 하는 샘플을 준비하고 웨이퍼의 크기를 확인한다. 시스템준비: 측정하고자 하는 온도특성을 결정하고 그 특성을 측정하기 위한
측정 시스템을 준비한다. 필요한 경우 calibration 을 미리 진행한다.(2) DUT 를 로딩함 (thermal chuck)
DUT 를 프루브 스테이션의 thermal chuck 의 중앙에 로딩한다. 이 때
진공을 이용하여 DUT 를 thermal chuck 에 밀착시킨다. 기판의 온도조절을 위해서 DUT 와 외부공기와는 최대한 격리시킬 수 있도록
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정보통신단체표준(국문표준)
한다.(3) DUT 프루빙 후에 사전테스트
Thermal chuck 에 로딩한 DUT 를 프루브(probe)를 이용하여 프루빙한다. 이 때 사용하는 프루브의 사용범위를 확인한다. 로딩한 웨이퍼의 중앙의
DUT 를 프루빙한다. DUT 가 failure 상태가 아닌지 확인하며 기본적인 특성을 사전 테스트 한다.
(4) 온도를 측정온도로 변경함
모든 측정준비가 완료되면 온도컨트롤러를 사용하여 원하는 측정온도로
변경한다. (Tm) 온도 상승시간(rise time): 처음온도(To)상승 측정온도(Tm) 변경하는
시간. 온도 유지시간(holding time): 측정온도(Tm)에서 측정하기 까지 유지하는
시간. 온도 하강시간(fall time): 처음온도(To)하강 측정온도(Tm) 변경하는
시간. 위 3 가지 시간을 일정하게 유지한다. 온도 상승시간과 온도 하강시간은 5
분을 사용한다. 온도 유지시간은 최소 5 분이상을 하고 측정을 한다. 온도의 측정 step 은 30K 로 일정하게 한다. 기준온도는 300K 로 한다.
(5) 측정온도에서 원하는 특성을 측정
측정온도에 도달한 후 온도 유지시간이 지나면 DC, RF, 전력측정을 한다. DC 측정을 할 경우는 DC power supply 를 probe 에 바로 연결하여
측정한다. RF 측정을 할 경우는 바이어스 티를 사용하여 DUT 특성을 측정한다. 전력 측정을 할 경우는 바이어스 티를 사용하여 DUT 특성을 측정한다.
(6) 측정 종료
원하는 범위에서 온도 특성 측정이 완료되면 측정 데이터를 저장하고 측정을
종료한다. 다음 <그림 3>은 온도특성 측정의 한 예로써 반도체 전자소자를
온도를 30K 변화시키면서 측정한 소자의 전류이득 변화를 나타낸다.
TTAx.xx.xxxx/R113
정보통신단체표준(국문표준)
<그림 3> 반도체 전자소자의 전류이득 온도 특성 측정결과
4. 3. 측정 데이터 표기
(1) 반도체 전자소자의 온도 특성 평가를 위한 측정 방법으로 보유하고 있는 측정
시스템의 특성과 기존에 따라 측정한 결과를 규격서나 논문 등에 표기한다.(2) 온도 측정의 기준 값과 온도 변화 값을 규격서나 논문 등에 추가 표기한다.(3) 온도 변화에서 온도 상승시간, 온도 유지시간, 온도 하강시간을 일정하게 하며
이 값을 추가 표기로 인하여 반도체 전자소자 또는 집적회로의 상호 비교가
가능하여 특성 우위를 판별하는데 도움이 된다.
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정보통신단체표준(국문표준)
표준작성 공헌자
표준 번호 : TTAx.xx-xx.xxxx/R1
이 표준의 제․개정 및 발간을 위해 아래와 같이 여러분들이 공헌하였습니다.
구분 성명 위원회 및 직위 연락처 소속사
과제 제안 이종민 [email protected].
kr한국전자통신연구원
표준 초안 제출 이종민 [email protected].
kr한국전자통신연구원
표준 초안 검토
및 작성
여순일 SoC 프로젝트그룹 의장 [email protected] 한국전자통신연구원
외 프로젝트 그룹위원
표준안 심의이헌중 IT응용 기술위원회 의장 [email protected] 한국정보화진흥원
외 기술위원회 위원
사무국 담당
박정식 -031-724-0080
김효진 -031-724-0125
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반도체 전자소자의 온웨이퍼 온도특성 측정 가이드라인 (Guideline of On-wafer Measurement for Temperature Characteristics of Semiconductor Electronic Devices)
발행인: 한국정보통신기술협회 회장
발행처: 한국정보통신기술협회
463-824, 경기도 성남시 분당구 서현동 267-2Tel : 031-724-0114, Fax : 031-724-0019
발행일: 200x.xx
