半导体测试技术复习.docx

什么是半导体测试/表征技术:半导体测试技术是现代微电子和光电子器件不可缺少的“推进器”半导体表征 或更广泛的说材料表征是工艺开发和制造过程中不可缺少的有机组成部分，它被描 述成用来确定材料和器件的结构、组分、性质和性能以及它们之间相互关系的一系 列相互交叉的活动第一章电阻率（RESISTIVITY电阻率p对于从原材料到器件的每一步来说都非常重要对于硅晶体生长：z硅晶体生长过程中（单晶、多晶），分凝，生长条件的变化z外延硅片的外延层电阻率非常均匀对于器件：zThe device series resistance, capacitance, threshold voltage, hot carrier degradation of MOS devices, and other parameters.zDiffusion and ion implantation等工艺都将影响硅片的局部电阻率§1.简介•电阻率依赖于自由电子浓度n和空穴浓度p,电子和空穴的迁移率（艸p ）如下式,§2.两探针和四探针法•Two-point probe :（图 la易于实现和操作，结果准确性较差•four-point probe :（图lb绝对测量手段，精确，无需校准。

可作为其他方法的 测试标准device under test （DUT.电压测试单独利用另外两个接触探针由于电压计高电阻（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 p： ohm・cmV: 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30 - 500pm;间距0.5-1.5mm;随样品厚度和尺寸变化If: s=0.1588cm, 2ns=l,then p=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 pm,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p可以表示为：p=2nsF・V/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:Fl: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（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 0 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例如：薄半导体层四探针可测量高达1010-lOllohms/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（6）表面处理z 表面电荷层－钝化处理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(m odulated photoreflectance)；光密度仪(optical densitometry)§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lum,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⑺二830nm注入额外载流子z另一束探测激光(九二980nm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，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 (SRPcapacitance-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）测量膜录【J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-conducting bottomR山="仃|“刀十卩口J[f7^(x)|ii.x=-

町三 ! 三 吒⑴ 三一空巴_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§4.2 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（1012 -1021cm 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<30-40ymz 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0范围l-2ym结深适用倾角0范围1-5，〈0.5pm结深0<0. 5 z分辨率步进间距5 pm and 0 = 1 ,测量垂直方向分辨率达0.87 nm.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(CONTACTLESS METHODS) z无接触方法测量电阻常用于测量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。