半导体测试技术复习图文精文档格式.docx

1、由于电压计高电阻（around 1012ohms or higher，分路电流极小，R W 和R C 对电压测试的影响可忽略。as Kelvin measurements, after Lord Kelvin.图2：两探针法在半导体测试上的应用示意。四探针法对半导体的测试电场强度可表示为：P 点电压：距离探针r对于b 图，P点电压相当于两者叠加对于c 图，探针2电压相当于探针3电压相当于探针2，3之间电压相当于因此可得电阻率：常用单位：ohmcmV: volts I：amperes s: cm常用电压：10mV通常应用的4探针法探针距离相等。s= s1=s2=s3，上式可简化为：典型探针半径3

2、0500m;间距0.5-1.5mm; 随样品厚度和尺寸变化If: s=0.1588cm, 2s=1,then =V/IA. 小的探针间距可容忍探针接近WAFERB 边沿WAFER mappingB. 不同的测试材料适用不同的探针C. 微区四探针间距可小到1.5 m, 应用于高分子膜，半导体缺陷测试等。注意：上述推导均基于样品半无限大假设，对实际测试WAFER ，需要考虑修正对于任意形状的样品可以表示为：=2sFV/I （1.11F 称为修正因子（correction factors它修正探针离样品边沿距离，样品厚度，直径，探针位置，测试温度。，可以表示为多个因素修正因子的乘积但是，有时各修正因

3、素之间会互相影响。例如：样品厚度超过探针间距，由于厚度与边沿效应的相互作用，独立的修正因子不再适用。但一般情况下样品厚度总是小于探针间距的。2.1 修正因子F修正因子可以通过多种方法求得：格林函数，泊松方程，复变函数理论等等。 对于线性排列的探针，并且具有相等的探针距离，F 可以写成三个独立因子的乘积：样品厚度探针距离样品边沿位置侧向尺寸大部分的半导体wafer 测试都必须进行厚度修正。样品厚度小于探针间距的条件下可给出F1表达式：t ：厚度For non-conducting bottom wafer:For conducting bottom wafer:F1:样品厚度因子对于非常薄样品，

4、修正因子F2,F3均为1，结合上面电阻率表达式可写为：薄膜经常采用方块电阻（sheet resistance, Rsh 表征它的电阻率单位: ohms per square均匀样品的方块电阻可写为：方块电阻常用来表征薄的半导体层，如外延膜，多晶硅薄膜，离子注入膜，金属膜。对于均匀样品，方块电阻与方块电导互为倒数，对于非均匀样品：电导率因此，样品的电阻可以写成：半导体样品方块电阻常用来表征离子注入层和扩散层，金属层等。从1.19可以看出，掺杂浓度的深度变化不需要已知。它可以看成是掺杂浓度的沿深度积分，而不必理会掺杂浓度到底是怎么变化的。下图给出了一些不同物质的方块电阻随厚度变化图。2.2 任意形

5、状样品电阻率不规则样品的测量方法由Van DerPauw 发展而来不需要知道电流的分布，精确测量电阻率需要满足以下条件1. 测量接触在样品边沿2. 接触足够小3. 样品等厚3. 样品全连接的（无孔洞。）2.3 测量错误及防范（1）样品形状探针位置，样品厚度，样品尺寸z厚度是最主要的修正因素z如果样品厚度小于探针间距，电阻率随厚度变化z方块电阻测量不需要知道厚度（2）少数/多数载流子的注入金属半导体接触会引起少数载流子注入，大电流条件下不能忽略由此引起的电导增加。z减少少数载流子注入，半导体表面应对少数载流子具有高复合率z应用研磨片，高抛表面不能获得高复合率z复合会引起电压测量的误差z探针压力诱

6、导的能带窄化也会引起少数载流子注入z如果电流密度过大qnv , 引起多数载流子注入，一般情况下很少考虑，因为四探针电压不太会超过10 mV.（3）探针间距探针位置的扰动引起测量误差z测量离子注入（sheet resistance uniformities better than 1%）引入修正因子FS 1 + 1. 082（1 s 2/sm （4）电流z电阻增加：电流加热效应z电阻减小：少子/多子注入（5）温度温度的一致性在测量过程中非常重要温度差引入热电势z温度梯度主要由于测量电流引起z测量环境的温度起伏（6）表面处理z表面电荷层钝化处理z高电阻率样品利用四探针法测量较困难薄半导体层四探针可

7、测量高达10101011ohms/square的方块电阻, 采用测量电流1012安培探针可能穿破薄注入层利用汞电极替代金属探针z高电阻率样品或低温样品利用四探针法测量较困难3. Wafer mapping最初用于表征离子注入的均匀性强大的过程监控手段手工的wafer mapping 始于1970s用于表征离子注入的一些参数（如方块电阻）在一个样品表面多点测量，然后表现为等高线图。可用来反应注入均匀性，外延层反应均匀性，扩散层图像。常用的方块电阻MAPPING 技术有：四探针；调制光反射（modulated photoreflectance）；光密度仪（optical densitometry）

8、3.2 Modulated Photoreflectance测量表面的热传导均匀性结晶和损伤z脉冲泵浦激光照射表面引起热波z热波传播速度与表面状况有关z表面温度差异引起热膨胀不一样z第二束探测激光探测表面反射率变化z激光束斑约1m, 可以做非均匀表面的MAPPING z用于测量离子注入剂量需要校准。z激光照射引起离子注入损伤驰豫3.3 Carrier Illumination （CI）z类似于Modulated Photoreflectance，两束激光z1束聚焦激光（830nm注入额外载流子z另一束探测激光（980nm 测量光学反射率推导出载流子分布z可用于监控离子注入z测量非半导体薄膜的离

9、子注入z透明衬底（如玻璃）覆盖高分子膜并掺有染料z离子注入时，染料分子分解，导致颜色变黯，zOptical Densitometry 利用敏感的显微光密度计测试注入前后光透过率z对照校准表绘制等高图MAPPINGz无需退火，测试在注入后几分钟内可完成3.4 Optical Densitometryz四探针法测量的方块电阻无法表征掺杂浓度的厚度分布z测量RESISTIVITY PROFILING或者进一步dopant densityprofiles 技术有：Differential Hall Effect （DHESpreading Resistance Profiling （SRPcapaci

10、tance-voltagesecondary ion mass spectrometry.4 RESISTIVITY PROFILING各种Mapping 测量技术比较4.1 Differential Hall Effect （DHEz非均匀掺杂样品深度电阻率（掺杂浓度）测量膜剥离手段（removing measuring-removing-measuringz对于厚度为（tx 的样品，方块电阻可表示为（参考1.19）：z（1.29）测量时需注意保证non-conducting bottom不同测量手段得到的掺杂浓度随深度变化图测量时需注意几点表面电荷效应GaAs 。重掺杂样品采用化学腐蚀难以

11、控制逐层剥离，可采用电化学的阳极氧化法恒电压法，恒电流法不同的电解液采用自动控制的腐蚀和原位测量设备是比较好的选择。4.2 Spreading Resistance Profiling （SRP一. 简介：z扩展电阻测量技术始于1960S用于测量侧向电阻率变化z现代SRP 主要用于电阻和掺杂浓度深度分析z测量范围宽（10121021cm 3z分辨率高，可以表征窄结的浓度分布（nm 级别）z测量过程标准化从样品制备，探针准备，测量过程，数据收集，校准。二. SRP原理：如图：双探针在样品斜面上步进（每走一步测量一次, 探针间电阻为：R = 2+ 2+ 2（1.41）探针电阻接触电阻扩展电阻z样品

12、的准备高质量的金刚石研磨料，光滑的研磨平台z放置正确的位置和方向，准确尖锐的倾角，避光，表面绝缘钝化如果无钝化层，步进要提早10-20点，准确开始点由显微照片确定，开始点误差小于3个点。探针留下的测点须可见，以确定开始点。探针间距30-40mz测量对于亚微米的注入或外延层，测100150点对亚100nm 样品，测量2025点三. 测量过程：zSRP 是一种相对的测量技术，需要校正曲线。校正曲线的确定采用特定的探针系列，特定电阻率样品，特定测量时间。z倾角范围1-2m 结深适用倾角范围1 5 ，0.5m 结深0. 5 z分辨率步进间距5 m and 1 , 测量垂直方向分辨率达0.87 nm.z

13、双探针方式较常见，此外还有三探针方法5 无接触测量方法（CONTACTLESS METHODS）z无接触方法测量电阻常用于在线测量。z可分为电学和非电学测量两类z电学测量又可分为微波回路耦合电容耦合耦合5.1 Eddy Currentz线圈磁场感应使导体中产生涡旋电流（eddy currentz涡旋电流正比电导率和厚度，反比方块电阻z固定电压，测电流z测定电阻率还必须知道厚度，可采用电容法，超声法。5.2 导电类型z多种方法可以用来测量WAFER 导电类型硅片形状，热电势，整流效应，光学方法，HALL 效应。 标准硅片形状确定导电类型标准的硅片为圆形，有一些特征定位边，规定如下主要参考边（一般

14、沿方向）结合次要参考边规定导电类型和晶面朝向对于150mm直径硅片：对于大直径硅片：无特征平面，会有特征槽热探针方法利用温度梯度产生的热电势103to 103ohm-cm 电阻率范围有效.对高阻样品弱P 型可能会被测为n 型空穴或电子的迁移率不一样：n p整流探针方法利用半导体整流极性效应示例：热探针法（a 与整流探针法（b 。（c为（b的等效电路，（d 为一实测数据n 型半导体：VA = Vb + VD 1 Vb V 32 VA Vb p 型半导体：V32 VA 0STRENGTHS AND WEAKNESSES四探针:z缺点：对WAFER 表面的破坏金属沉积探针接触面积大造成测量分辨率下降

15、z优点：绝对测量，无需校正原理清楚，使用方便Mapping 的强大工具Differential Hall Effect:缺点：制样慢，数据量有限优点：无损测量设备便宜扩展电阻:需要熟练的测量技术，系统需要周期性校准，探针需要周期性回复 针对硅、锗，对其他半导体不太适合样品准备要求细致，测量是损伤性的设备昂贵高阻样品测量和解释要小心可测量复杂结构样品，高分辨率，不受深度，掺杂浓度限制无接触测量:无法测量薄层的方块电阻（需要膜层方块电阻值100倍小于衬底，只有金属层在半导体衬底或重掺层在绝缘衬底的样品能够测量）无接触，无损伤设备商业化用于测量半导体电阻率和膜层厚度（metal layers on semiconductor）光测量:定性测量，定量需要校准只能获得平均值，无法做轮廓扫描测量 激光偏移，损伤驰豫。无损伤测量，快速mapping 设备商业化用于离子注入监控