半导体测试技术复习图文精文档格式.docx

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由于电压计

高电阻（around1012ohmsorhigher，分路电流极

小，RW和RC对电压测试的影响可忽略。

asKelvinmeasurements

afterLordKelvin.

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ρ：

ohm·

cmV:

voltsI：

amperess:

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30－500μm;

间距0.5-1.5mm;

随样品厚度和尺寸变化

If:

s=0.1588cm,2πs=1,

thenρ=V/I

A.小的探针间距可容忍探针接近WAFERB边沿－WAFERmapping

B.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1.5μm,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ρ可以表示为：

ρ=2πsF·

V/I（1.11

F称为修正因子（correctionfactors

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

Fornon-conductingbottomwafer:

Forconductingbottomwafer

:

F1:

样品厚度因子

对于非常薄样品，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（sheetresistance,Rsh表征它的电阻率单位:

ohmspersquare

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任意形状样品电阻率

•不规则样品的测量方法由VanDerPauw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10mV.

（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（sheetresistanceuniformitiesbetterthan1%）引入修正因子

FS≈1+1.082（1−s2/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

四探针可测量高达1010–1011ohms/square的方块电阻,采用测量电流10－12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.Wafermapping

•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wafermapping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（modulatedphotoreflectance）；

光密度仪（opticaldensitometry）

3.2ModulatedPhotoreflectance

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1μm,可以做非均匀表面的MAPPINGz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

3.3CarrierIllumination（CI）

z类似于ModulatedPhotoreflectance，两束激光

z1束聚焦激光（λ＝830nm注入额外载流子

z另一束探测激光（λ＝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，

zOpticalDensitometry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MAPPING

z无需退火，测试在注入后几分钟内可完成

3.4OpticalDensitometry

z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RESISTIVITYPROFILING或者进一步dopantdensityprofiles技术有：

DifferentialHallEffect（DHE

SpreadingResistanceProfiling（SRP

capacitance-voltage

secondaryionmassspectrometry.

4RESISTIVITYPROFILING

各种Mapping测量技术比较

4.1DifferentialHallEffect（DHE

z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（t

−x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-conductingbottom

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。

4.2SpreadingResistanceProfiling（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（1012–1021cm−3

z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‹30-40μm

z测量

对于亚微米的注入或外延层，测100－150点

对亚100nm样品，测量20－25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θ范围

1-2μm结深适用倾角θ范围1–5，‹0.5μm结深θ≤0.5z分辨率

步进间距5μmandθ＝1,测量垂直方向分辨率达0.87nm.

z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（CONTACTLESSMETHODS）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

5.1EddyCurrent

z线圈磁场感应使导体中产生涡旋电流（eddycurrentz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（一般沿<

110>

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

¾

利用温度梯度产生的热电势

10−3to103ohm-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：

μn>

μp

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+VD1≈VbV32≈VA≈Vb•p型半导体：

V32≈VA≈0

STRENGTHSANDWEAKNESSES

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

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

DifferentialHallEffect:

•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（metallayersonsemiconductor）

•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