CN102590630A

CN102590630A - 半导体参数测试仪器的测试探针的电阻测试方法

Info

Publication number: CN102590630A
Application number: CN2012100520079A
Authority: CN
Inventors: 范象泉
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: CN102590630B

Abstract

一种半导体参数测试仪器的测试探针的电阻测试方法，参数测试仪器至少包括第一测试探针、第二测试探针、第三测试探针和第四测试探针，测试仪器可以通过测试探针提供设定值大小的电流、电压或测量测试点的电压、电流，所述方法为把四个测试探针共同放在同一测试金属块上，然后进行以下两个步骤：设置第一测试探针提供第一电流、第一电压，第二测试探针、第三测试探针和第四测试探针分别设定电压为零，同时测试电流；设置第一测试探针提供第二电流、第二电压，第二测试探针设定电流为零并测试电压，第三测试探针和第四测试探针提供设定电压为零，同时测试电流。通过该方法，能够较快且精准的测量出多个测试探针的电阻值。

Description

半导体参数测试仪器的测试探针的电阻测试方法

技术领域

本发明涉及半导体测试领域，尤其涉及一种半导体参数测试仪器的测试探针的电阻测试方法。

背景技术

参数测试的目的是确定半导体制程的特性，通常涉及电气参数测试和四种主要的半导体器件的特性表征，这四种器件包括电阻、二极管、晶体管和电容器。其它的测试结构都可以归入这四种器件或这些器件的组合。绝大多数参数测试都包括电流-电压(IV)测试或者电容-电压(CV)测试。

半导体参数测试的主要测量资源是源/监视单元，有时候也称为源/测量单元，缩写为SMU。SMU是一种非常精确的供电设备，它不仅可以提供测量分辨率小于5μV的电压源，还可以提供测量分辨率低于1fA(飞安，10^-15A)的电流源。SMU还提供了远端检测功能并拥有集成了双极型电压和吸收功率能力的四象限输出功能。最后，SMU可以提供线性扫描电压和扫描电流，能够获得仪器的IV特性曲线。如图1所示，为一个简化的SMU等效电路。

由于SMU测试的主要都是通过电流极小(可低至1fA)、内阻也较小(一般小于10Ω)的器件或者电路，所以，测试时候的除了被测试器件以外的电阻对测试精度的影响也是很大的。而无论是导线还是测试仪器的探针都是不完美的导体。用于连接仪器与被测器件的一切都存在一定的固有电阻(尽管电阻可能非常小)。如果，被测器件的电阻比0.1Ω大几个数量级，就可以忽略掉探针和导线的电阻以及探针和被测器件的接触电阻对测试的影响。但是，如果测量电阻不到10Ω的器件时，探针和导线的电阻以及探针和被测器件的接触电阻引入的误差就会严重影响测试结果的准确性。

因而，需要精确的测量出探针和导线的电阻以及探针和被测器件的接触电阻的总值，以便于除去其对于测试结果的影响。

发明内容

本发明的目的是精确的测量出测试探针的电阻(包括探针和导线的电阻以及探针和被测器件的接触电阻)。

为实现上述目的，本发明提供一种半导体参数测试仪器的测试探针的电阻测试方法，所述参数测试仪器至少包括四个测试探针，分别为第一测试探针、第二测试探针、第三测试探针和第四测试探针，所述参数测试仪器可以通过测试探针提供设定值大小的电流、电压或测量测试点的电压、电流；所述电阻测试方法包括：把四个测试探针共同放在同一测试金属块上，然后进行以下两个步骤：

设置第一测试探针提供第一电流、第一电压，第二测试探针、第三测试探针和第四测试探针分别设定电压为零，同时测试电流；

设置第一测试探针提供第二电流、第二电压，第二测试探针设定电流为零并测试电压，第三测试探针和第四测试探针提供设定电压为零，同时测试电流。

可选的，所述参数测试仪器的电流测试范围为1fA～0.1A，电压测试范围为2μV～100V。

可选的，所述参数测试仪器的电流测试分辨率小于等于10fA，电压测试分辨率小于等于5μV。

可选的，所述参数测试仪器内部设置有源/监测单元。

可选的，所述参数测试仪器内部设置有电压单元。

可选的，所述参数测试仪器内部设置有电压监测单元。

可选的，所述测试金属块的电阻值为n×10^-3Ω，n小于10。

可选的，所述测试探针的电阻值为0.2～5Ω。

与现有技术相比，本发明能够较快且精准的测量出四个测试探针的电阻值。本发明的测试方法，在测试的两个阶段，都保持四个被测探针都参与测试，所以在这两个测试阶段，四个探针各自与测试金属块的接触电阻对测试结果的影响效果基本上一致。与原来的测试方法相比，可以得到更精准的测试结果。

附图说明

图1是简化的SMU等效电路的示意图。

图2至图6为一种现有的测试探针的电阻测试方式的示意图。

图7至图11为另一种现有的测试探针的电阻测试方式的示意图。

图12至图19为本发明的测试探针的电阻测试方式的示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种新的测试半导体参数测试仪器的测试探针电阻的方法，所测的测试探针电阻值很小，每个测试探针的电阻值一般为0.2～5Ω。本发明其不仅能够快速精确的测出多个探针的电阻，还可以得到对同一个探针的多个结果，通过求平均值使得测试得到的电阻值更准确，并且其测试结果可以消除掉非仪器因素对测量得到的电阻值的影响。

本发明的测试方法主要包括：把参数测试仪器的四个测试探针共同放在同一测试金属块上，然后进行以下两个步骤：

全测步骤：设置第一测试探针提供第一电流、第一电压，第二测试探针、第三测试探针和第四测试探针分别设定电压为零，同时测试电流；

单测步骤：设置第一测试探针提供第二电流、第二电压，第二测试探针设定电流为零并测试电压，第三测试探针和第四测试探针提供设定电压为零，同时测试电流。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明的测试方法适用于电流测试范围为1fA～0.1A、电压测试范围为2μV～100V、电流测试的分辨率小于等于10fA、电压测试分辨率小于等于5μA的半导体参数测试仪。

本实施例以测试仪器精密半导体参数测试仪Agilent SMU4156为例来详细说明本发明的测试方法。

Agilent SMU4156其固定配置有4×SMU(源/监测单元)、2×VSU(电压单元)、2×VMU(电压监测单元)，电流测量分辨率为1fA，电压测量分辨率为0.2μV(使用VMU)。

具体的，其具有四个探针用于测试器件的参数。每个探针均可以按分析仪设置的值输出电流、电压，也可以测试测试点处的电流、电压。

其中，运用本发明的方法和规律并不仅限于测试四个探针电阻，同技术领域人员很容易可以推及到同时测其它数量的探针的电阻。

一般的测试探针的电阻的方式如图2所示，探针1、探针3和探针4一起放在测试金属块700上。所述测试金属块700其电阻值非常小，为n×10^-3Ω，n小于10。可以看做为一块理想的完美导体。

各个探针进行的设置分别为：

探针1设定输出电流为i1，检测到电压为v1；探针3检测到电压为vpad(即测试金属块处的电压)；

探针4设置输出电压v4＝0。

其中，探针1输出电流i1流到探针4，由于探针1具有电阻，会存在电压v1且大于零，则大于v4＝0。探针3检测到测试金属块700的电压为vpad。由于把测试金属块的电阻看做为零，把探针1、探针3和探针4的电阻(包括探针和导线的电阻以及探针和被测器件的接触电阻)分别看做为等效电阻R1、R3、R4。则图2的等效电路如图3所示，探针1的等效电阻R1和探针4的等效电阻R4串联，两端压降为(v1-v4)，其值为v1，通过电流i1，探针3检测点处检测到的电压为vpad。图3的等效电路如图4所示。由此可以计算出探针1和探针4的等效电阻R1和R4：

R1＝(v1-vpad)/i1

R4＝(vpad-0)/i1

一般情况下，采用设置多次不同的i1值，进行多次测试得到多个测试结果，从而尽量减小测试误差。

如图5、图6所示，设置10个不同的i1值进行多次测试得到的值。其中图5为i1-v1、vpad的图，图6为i1-R1、R4(图6中纵坐标显示的r1、r4分别对应R1、R4)的图。这样的方法，一次利用三根探针，却只能测试两个探针的等效电阻值。并且精度不够高。

另一种现有的测试探针电阻的测试方式如图7至图10所示，探针1、探针2、探针3和探针4一起放在测试金属块700上，每次测量使用两根探针。

各个探针进行的设置分别为：

探针1设定输出电压为v1′；

探针2设置输出电压v2′，检测电流，检测结果记为i12′；

记探针1和探针2之间的电压为v12′，其中，v12′＝v2′-v1′，电流为i12′，则有：

R1+R2＝v12′/i12′

探针1设定输出电压为v1′；探针3设置输出电压v3′，检测电流，检测结果记为i13′；

记探针1和探针3之间的电压为v13′，其中，v13′＝v3′-v1′，电流为i13′，则有：

R1+R3＝v13′/i13′

探针1设定输出电压为v1′；

探针4设置输出电压v4′，检测电流，检测结果记为i14′；

记探针1和探针4之间的电压为v14′，其中，v14′＝v4′-v1′，电流为i14′，则有：

R1+R4＝v14′/i14′

探针2设定输出电压为v2′；

探针3设置检测电压v3′，检测电流，检测结果记为i23′；

记探针2和探针3之间的电压为v23′，其中，v23′＝v3′-v2′，电流为i23′，则有：

R2+R3＝v23′/i23′

一般情况下，采用设置多次不同的电流值，进行多次测试得到多个测试结果，从而尽量减小测试误差。

如图11所示，设置10个不同的i1值进行多次测试得到的值。(图11中，Rprobe1为R1，Rprobe2为R2，Rprobe3为R3，Rprobe4为R4。)

这样的方法测试四个探针的等效电阻值需要测量4次，得到4个方程，才可以计算出4个探针电阻的等效电阻值。

本发明在这样的基础上，改进了测试探针的等效电阻的方法，其包括两个阶段。

如图12所示，四个探针：探针1(第一探针)、探针2(第二探针)、探针3(第三探针)和探针4(第四探针)摆放在测试金属块700上。

所述测试金属块700其电阻值非常小，为n×10^-3Ω，n小于10，可以看做为一块理想的完美导体。但是其电阻对测试的影响和测量方法有关系，如一个长方体，从长的两头量的电阻会比短的两头测量的电阻大，在本实施例中，测试金属块700的电阻值是指其在测试中表现出的串联电阻。一般的，本实施例中的探针的电阻值的范围为0.2～5Ω。

各个探针进行的设置分别为：

探针1设定输出电流I1(I1＞0)，检测到电压为V1；

探针2设置输出电压V2＝0，检测电流，检测结果记为I2；

探针3设置输出电压V3＝0，检测电流，检测结果记为I3；

探针4设置输出电压V4＝0，检测电流，检测结果记为I4。

由于探针1的电压V1＞0，而探针2、探针3和探针4的电压均为零(等效为接地)，即有，电流从探针1流出，分别分流到探针2、探针3和探针4。则这一步骤的等效的电路原理图为图13所示，表示为电流I1从探针1流出，分流到探针2、探针3和探针4所在的支路，分别为电流I2、I3、I4。再做图13的等效电路如图14所示，探针1和探针4之间的电压为V1(具体为V1-0)，电流I1流过探针1的等效电阻R1，然后分别流到探针2的等效电阻R2、探针3的等效电阻R3和探针4的等效电阻R4的所在的支路，其电流分别为I2、I3和I4。

则有，

R2＝Vpad/I2

R3＝V pad/I3

R4＝V pad/I4

V pad＝V1-R1×I1

图15所示为10次测量对应的V1和I1、I2、I3、I4关系曲线。

如图16所示，四个探针：探针1(第一探针)、探针2(第二探针)、探针3(第三探针)和探针4(第四探针)摆放在测试金属块700上。

所述测试金属块700其电阻值非常小，大约为几μΩ，可以看做为一块理想的完美导体。

各个探针进行的设置分别为：

探针1设定输出电流I1′，测量电压为V1′；

探针2设置输出电流I2′，其中I2′＝0，检测电压为V2′；

探针3设置输出电压V3′＝0，检测电流，检测到电流为I3′；

探针4设置输出电压V4′＝0，检测电流，检测到电流为I4′。

则这一步骤的等效的电路原理图为图17所示，表示为电流I1′从探针1流出，分流到探针3和探针4所在的支路，分别为电流I3′、I4′。探针检测各支路交点处的电压Vpad(V2′)。再做图17的等效电路如图18所示，探针1和探针3或探针1和探针4之间的电压为V1′(具体为V1′-0)，电流I1′流过探针1的等效电阻R1，然后分别流到探针3的等效电阻R3和探针4的等效电阻R4的所在的支路，其电流分别为I3′和I4′。

则有，

R1′＝(V1′-V2′)/I1′

设置I1′＝I1，则R1＝R1′，然后将这次测量得到的R1值代入上次测量的最后一个公式中就可以计算出Vpad，最后求出R2，R3，R4。

其中，探针电阻和电流有关，这是跟探针的导电机制有关系，比如1毫安电流测量的电阻为0.2欧姆，10毫安电流测量的电阻0.206～0.21欧姆。但是探针电阻和电流的相关度不会太大，所以测量的过程中可以直接设置I1和I1′相等，不需要通过调节V1′而使得I1′和I1相同。

在单测步骤阶段，还有Vpad/I3′＝R3′和Vpad/I4′＝R4′。

最后还可以根据全测步骤和单测步骤得到的探针3的电阻R3和R3′、探针4的电阻R4和R4′来互相验证，以及求平均值来更好的消除误差。

图19所示为设置10个不同的I1′值进行多次测试得到的不同的探针1、探针2、探针3和探针4的等效电阻R1、R2、R3和R4(图中Rprobe1等的示意同图11)。本发明的测试方法，在全测步骤和单测步骤两个阶段，都保持探针1、探针2、探针3和探针4这四个被测探针都参与测试，所以在这两个测试阶段，四个探针各自的电阻与测试金属块700的接触电阻对测试结果的影响效果基本上一致。与原来的测试方法相比，可以得到更精准的测试结果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种半导体参数测试仪器的测试探针的电阻测试方法，所述参数测试仪器至少包括四个测试探针，分别为第一测试探针、第二测试探针、第三测试探针和第四测试探针，所述参数测试仪器可以通过测试探针提供设定值大小的电流、电压，并可以通过测试探针测量测试点的电压、电流，其特征在于，所述电阻测试方法包括：把四个测试探针共同放在同一测试金属块上，然后进行以下两个步骤：

2.如权利要求1所述的电阻测试方法，其特征在于，所述参数测试仪器的电流测试范围为1fA～0.1A，电压测试范围为2μV～100V。

3.如权利要求1所述的电阻测试方法，其特征在于，所述参数测试仪器的电流测试分辨率小于等于10fA，电压测试分辨率小于等于5μV。

4.如权利要求1所述的电阻测试方法，其特征在于，所述参数测试仪器内部设置有源/监测单元。

5.如权利要求1所述的电阻测试方法，其特征在于，所述参数测试仪器内部设置有电压单元。

6.如权利要求1所述的电阻测试方法，其特征在于，所述参数测试仪器内部设置有电压监测单元。

7.如权利要求1所述的电阻测试方法，其特征在于，所述测试金属块的电阻值为n×10^-3Ω，n小于10。

8.如权利要求1所述的电阻测试方法，其特征在于，所述四个测试探针中的每个测试探针的电阻值为0.2～5Ω。