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半导体测试技术复习图文精
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ρ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:
zThedeviceseriesresistance,capacitance,thresholdvoltage,hotcarrierdegradationofMOSdevices,andotherparameters.
zDiffusionandionimplantation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(
μμp)。
如下式,
§2.两探针和四探针法
•Two-pointprobe:
(图1a
易于实现和操作,结果准确性较差。
•four-pointprobe:
(图1b绝对测量手段,精确,无需校准。
可作为其他方法的测试标准。
deviceundertest(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(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
例如:
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
(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.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
¾10−3to103ohm-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:
•缺点:
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
•优点:
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:
•缺点:
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)
•优点:
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:
•缺点:
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。
。
。
•优点:
无损伤测量,快速mapping设备商业化
用于离子注入监控
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