CN113049881A - 集成电路外延层扩展电阻测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电路外延层扩展电阻测试仪，属于半导体领域，包括底座，所述底座上设置有气浮减震台，所述气浮减震台上设置有产品调节台和探针调节台，所述产品调节台上设置有样品测量台，所述探针调节台上设置有探针，所述产品调节台包括第一水平滑台和第二水平滑台上，所述第一水平滑台使得所述样品测量台沿着x方向移动，所述第二水平滑台使得所述样品测量台沿着y方向移动，所述探针调节台包括垂直滑台，所述垂直滑台使得所述两个探针沿着z方向移动；所述探针连接有测量电路，所述测量电路包括电压源和电流表。本发明成本低，测量准确度高，测试数据一致性好。

Description

集成电路外延层扩展电阻测试仪

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别是指一种集成电路外延层扩展电阻测试仪。

背景技术

外延工艺是集成电路芯片制造过程中的极为重要的工艺之一，外延是指在一定条件下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，生长符合要求的新单晶层的过程。一般外延层的厚度为2μm～20μm，外延层的质量直接影响到器件的性能成品率和可靠性。

评价外延层质量的参数主要有：电阻率及均匀性、表面缺陷、厚度及厚度均匀性等，其中电阻率及其均匀性对集成电路性能的影响尤为明显，是外延片的重要特征参数之一，也是判断外延材料掺杂浓度的一个主要参数，直接影响到器件的隔离特性、击穿电压、反向漏电流和三极管的β值等。因此集成电路研制和生产单位对外延层的电阻率测量尤其重视。

目前测量外延层电阻率的常用方法包括四探针法、三探针法、C-V法(微分电容-电压法)和扩展电阻法四种测量方法。

三探针法是一种传统的测量方法，其通过测量外延层表面与探针形成的肖特基结的击穿电压来测量电阻率，因此探针压力、探针针尖状态、外延层厚度、电阻率纵向分布及表面状态等对测量结果影响很大。一旦表面漏电流大或者外延层厚度小于耗尽层宽度时，将无法获得测量结果，即使测出了击穿电压值，也是外延层穿通电压值，不能得到外延层的电阻率值，因此测量结果可信度差。

四探针法由于测量精度高，样品制备容易，被广泛用来测量有P-N结结构的外延片。其测量误差除受探针压力、针尖曲率半径、仪器恒流源等因素外，还包括1)外延层厚度测量误差的影响。由于外延层电阻率由公式ρ＝R_□×t计算，(式中，ρ是外延层电阻率值，R_□为外延层方块电阻值，t是外延层厚度)，因此其测量误差是R_□测量误差和t测量误差之合成，t值的测量误差一般在10％左右。2)外延层电阻率纵向分布的影响。由于四探针测量外延层电阻率值是外延层的平均值，因此相同的方块电阻值可以得到不同的结果。

电容-电压(C-V)法除受探针面积、水银与硅表面浸润程度等因素影响外，还有以下因素：1)系统杂散电容的影响。目前一些较先进的仪器和系统的杂散电容已降到1.2pF左右，此电容随外加偏压的增加对结果影响越来越大。一个电阻率纵向分布平坦的外延层，由于受杂散电容的影响而出现曲线倾斜，导致结果发生偏离。2)取值点的影响，由于电容--电压法测量获得的是一条纵向电阻率分布曲线，因此不同的取值部位其电阻率值是不一样的。尤其在纵向电阻率梯度大时，结果差别更为明显。3)表面状态的影响。硅外延片的表面沾污和微缺陷可能引起肖特基结耗尽层载流子浓度的变化，从而影响外延层纵向电阻率分布曲线的变化，导致测量结果发生偏差。

扩展电阻测量法由于排除了探针曲率半径等对测试结果的影响，因此仪器误差可控制在5％以内，并能在测量电阻率纵向分布的同时获得外延层的厚度值，因此要精准测量硅片外延层的电阻率、载流子浓度，最好的方法是扩展电阻法，其在集成电路材料测试和工艺监控与测试中得到广泛应用。

扩展电阻定义：金属探针与半导体上某一参考点之间的电压降同流过探针的电流之比值称为扩展电阻。

扩展电阻法是利用特殊的点接触探针，沿着样品的表面，以微小的步进，测出半导体材料或器件表面的每一点的扩展电阻值，由此得到电阻、电阻率和载流子浓度(掺杂杂质浓度)及其分布的一种测试技术。

扩展电阻法测量微区电阻率是利用专用的点接触探针，沿着样品的表面，以微小的距离步进，用金属探针与被测半导体材料点接触电压与电流曲线，测出样品表面每一点的扩展电阻值，通过公式计算，转换成电阻率的数值。

扩展电阻采用的探针有单探针、二探针及三探针三种形式，目前扩展电阻测试仪都是采用二探针。二探针结构的测量原理是：两个探针之间加上一定电压V，测出通过探针的电I，由此得到扩展电阻R_s。扩展电阻测量示意图如图1所示。

测量前，被测样品要研磨成有一定倾斜角度的斜面，两探针在样片的斜面按一定的间距(Δx)移动，每移动一步，测试一次两探针间的电阻。每一个Δx所对应的深度Δz＝Δx sinα，其中α为斜面角度。通过测量斜面上的扩展电阻值，经过公式计算，可以得到在垂直方向不同深度的电阻率值。因此扩展电阻法可穿透多层结构进行测量，具有较宽的测量范围。为了减小接触电阻的影响，两针之间所加的电压一般为(5～10)mV之间，两探针之间的距离一般为(40～100)μm。

扩展电阻R_s与电阻率ρ_s的关系为公式(1)，通过测量斜面的扩展电阻值，可得到斜面的电阻率值，进而得到被测样品垂直方向的电阻率，从而可以得到样品纵向电阻率的分布。

公式(1)中，

ρ_s--电阻率，单位为欧姆厘米(Ωcm)；

a—探针有效接触半径，单位为厘米(cm)；

R_s--扩展电阻，单位为欧姆(Ω)。

目前的集成电路外延层扩展电阻测试仪价格昂贵，测量准确度不高，且测试数据一致性低，不能满足要求。

发明内容

本发明提供一种集成电路外延层扩展电阻测试仪，本发明成本低，测量准确度高，测试数据一致性好。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种集成电路外延层扩展电阻测试仪，包括底座，所述底座上设置有气浮减震台，所述气浮减震台上设置有产品调节台和探针调节台，所述产品调节台上设置有样品测量台，所述探针调节台上设置有探针，所述产品调节台包括第一水平滑台和第二水平滑台上，所述第一水平滑台使得所述样品测量台沿着x方向移动，所述第二水平滑台使得所述样品测量台沿着y方向移动，所述探针调节台包括垂直滑台，所述垂直滑台使得所述两个探针沿着z方向移动；所述探针连接有测量电路，所述测量电路包括电压源和电流表。

进一步的，所述样品测量台包括减震台，所述减震台上方设置有数显电子秤，所述数显电子秤上方设置有样品承片盘，所述样品承片盘上开设有若干吸附孔，所述减震台上设置有显微镜。

进一步的，所述样品承片盘下方设置有绝缘基板，所述绝缘基板中间设置有真空吸附盘，所述真空吸附盘下方设置有水平调节装置。

进一步的，所述样品承片盘的直径大于100mm，厚度为20mm，平整度小于3μm，绝缘电阻率大于1GΩ，所述吸附孔的直径为0.1mm。

进一步的，所述样品承片盘上设置有5个圆形刻度槽，各个圆形刻度槽的直径分别为50.8mm、76.2mm、100mm、125mm、150mm，所述绝缘基板的直径为200mm，厚度为20mm。

进一步的，所述水平调节装置为三个，沿圆周方向均匀分布，所述水平调节装置包括上部的外螺纹套和下部的内螺纹套。

进一步的，所述真空吸附盘连接有吸附系统，吸附系统包括吸附罩和负压控制器，所述吸附罩和负压控制器之间的管路上设置有负压表，所述负压控制器包括常闭型电磁泄压阀和可调式负压泵，所述常闭型电磁泄压阀通过继电器开关系统控制。

进一步的，所述探针设置在探针支架上，所述垂直滑台设置在探针和探针支架之间。

进一步的，所述第一水平滑台和第二水平滑台的行程大于100mm，误差为±3μm，所述垂直滑台的行程大于10mm，误差为±3μm；

所述探针的针尖采用耐磨导电材料制成，针尖的曲率半径不大于25μm，两探针的针距为40-100μm，两探针之间的直流绝缘电阻以及探针与探针支架之间的直流绝缘电阻大于1GΩ。

进一步的，所述电流表的测量范围为1nA～20mA，误差为±0.1％，所述电压源的电压范围为1mV～100mV，误差为±0.4％。

本发明具有以下有益效果：

本发明的集成电路外延层扩展电阻测试仪成本低，测量准确度高，测试数据一致性好。

附图说明

图1为扩展电阻测量原理示意图；

图2为恒压法电路原理图；

图3为恒流法电路原理图；

图4为对数比较法电路原理图；

图5为本发明的集成电路扩展电阻测试仪的结构示意图；

图6为产品调节台和样品测量台的结构示意图；

图7样品测量台的结构示意图；

图8为样品承片盘的结构示意图；

图9为水平调节装置的结构示意图；

图10为探针和探针支架的结构示意图；

图11为吸附系统的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种集成电路外延层扩展电阻测试仪，如图2-11所示，包括底座1，底座1上设置有气浮减震台2和控制面板15，气浮减震台2上设置有产品调节台3和探针调节台4，产品调节台3上设置有样品测量台5，探针调节台4上设置有探针6，产品调节台3包括第一水平滑台7和第二水平滑台8上，第一水平滑台7使得样品测量台沿着x方向移动，第二水平滑台8使得样品测量台沿着y方向移动，探针调节台4包括垂直滑台9，垂直滑台9使得两个探针6沿着z方向移动；探针6连接有测量电路，测量电路包括电压源和电流表。

本发明采用二探针法测量扩展电阻。二探针测量扩展电阻可采用恒压法，恒流法和对数比较器法三种方法，电路图分别见图2、图3、图4，具体计算公式分别见式(2)、式(3)和式(4)。

(1)恒压法

R_S＝V/I (2)

式(2)中，

V—施加电压，单位为毫伏(mV)；

I—电流表测得的电流，单位为毫安(mA)。

恒压法电路原理图参见图2。

(2)恒流法

R_s＝V/I (3)

式(3)中，

V—电压表测得电压，单位为毫伏(mV)；

I—施加电流，单位为毫安(mA)。

恒流法电路原理图参见图3。

(3)对数比较器法

式(4)中，

R₀—精密电阻阻值，单位为欧姆(Ω)；

—对数比较器输出。

对数比较法电路原理图参见图4。

根据文献的论述和试验的结果，比较针尖在测量时对硅片造成的损伤，三种方法中，恒流测压明显比恒压测流大。另外对同一批样品重复性检测表明，恒压测流法对低阻和高阻材料测量时其数据一致性都很好，而恒流测压法随着样片电阻率的增大，重复性逐渐变坏。在低阻时两者对同一样片的重复性测量值是一致的，在高阻时恒流测压法的重复性是恒压测流法的四分之一，因此恒压法的测量更精确。所以本发明选用恒压法实现集成电路扩展电阻测试仪。

本发明的集成电路外延层扩展电阻测试仪成本低，测量准确度高，测试数据一致性好。

本发明中，样品测量台5包括减震台10，减震台10上方设置有数显电子秤11，数显电子秤11上方设置有样品承片盘12，样品承片盘12上开设有若干吸附孔13，吸附孔位于样品承片中间，减震台10上设置有显微镜14。

样品承片盘12下方设置有绝缘基板16，绝缘基板16中间设置有真空吸附盘17，真空吸附盘17下方设置有水平调节装置18。

样品承片盘下表面设有真空吸附盘的安装凹槽及其固定螺丝孔，样样品承片盘侧面还设有温度传感器的安装插孔。

样品承片盘12的材质为铝合金，直径大于100mm，厚度为20mm，平整度小于3μm，绝缘电阻率大于1GΩ。

吸附孔具体数量及直径大小，可以根据实验具体数据进行确定，在一个示例中，吸附孔13的直径为0.1mm。

样品承片盘12上设置有5个圆形刻度槽19，各个圆形刻度槽的直径分别为50.8mm、76.2mm、100mm、125mm、150mm，方便放置测量的样品进行对位。

绝缘基板使用高绝缘度的材料制作而成，直径约200mm，厚度约20mm。该绝缘基板主要起屏蔽了滑台以及机箱等等部件对样品承片盘底电极的电气干扰的作用。保证了测量结果的准确性。绝缘基板中间圆槽部分放置真空吸附盘以及导出真空吸附气管、电极线等等，主要起引导电线与气管的作用。

水平调节装置18为三个，沿圆周方向均匀分布，水平调节装置18包括上部的外螺纹套20和下部的内螺纹套21。

水平调节装置可用于水平调节和连接操作，通过三点确定一个平面的方法，通过三个水平调节装置120°同一个圆周均匀分布，分别调节三个水平调节装置的高度，达到一定程度时，固定在水平调节装置上的部件就可以与探针下表面平行。水平调节装置还可用作高度限制器，以限制最大高度。

真空吸附盘17连接有吸附系统，吸附系统包括吸附罩22和负压控制器23，吸附罩22和负压控制器23之间的管路上设置有负压表24，负压控制器23包括常闭型电磁泄压阀25和可调式负压泵26，常闭型电磁泄压阀25通过继电器开关系统27控制。

整个吸附系统的真空度＜100mbar，并且真空度可以调节，吸附区域对SiC晶片的吸附均匀性优于1％，可充分避免测量晶片的碎裂。其中:

负压控制器包含了负压泵、控制电路、电磁阀、控制开关、消声器、负压表等，实现对负压真空度大小的可控调节，减少了噪声和振动。

探针6设置在探针支架28上，垂直滑台9设置在探针支架28和探针7之间。

在测量扩展电阻时，将待测样品放置在样品测量台上，探针的探针固定在探针支架上，在运动控制系统的控制下自动移动到待测位置。探针支架用作支撑探针，使其以相同的重复速度和预定的压力将探针尖下降至样品表面，并可调节探针的接触点位置。

第一水平滑台和第二水平滑台整体为XY向整体移动测量平台，控制平台在水平方向移动；垂直滑台为Z轴可升降探针平台，控制探针在垂直方向移动。

在测量时，样品测量台是水平移动，探针是垂直移动，把待测的样品放置在样品测量台上，样品测量台放置在由电机驱动的XY方向滑台上。

由于扩展电阻技术是测量金属—半导体接触的总接触电阻，因此有关接触参数的任何改变，特别是接触面积的改变，影响测量的重复性和可靠性。所以在扩展电阻装置必须严格控制的因素是点接触半径、点接触所在表面状况、点接触负载与表面接触时的碰撞速度和触点定位。因此运动控制系统要保证探针能以恒定压力、恒定冲击速度和最小的滑移接触到样品表面，使其接触区稳定，接触半径尽量保持不变，重复性好。

在测量时两探针针尖的间隔一般为100μm，由于针尖半径为5μm左右，针尖面积很小，产生的压力很大，所以探针要尽可能轻缓地放在被测样品表面，以免造成对被测样品的损伤，同时控制两探针要并排步进。

第一水平滑台和第二水平滑台的行程大于100mm，误差为±3μm，垂直滑台的行程大于10mm，误差为±3μm。

运动控制系统包括一是XY向整体移动测量平台部分；二是Z轴可升降探头平台部分。该方案可解决调节样品台的水平度问题，实现防止探头下降时的与样品发生碰撞的功能。

为了能与硅基材料形成良好的欧姆接触，探针的针尖采用耐磨导电材料制成，如锇钨合金、碳化钨合金等坚硬耐磨的良好导电材料。

针尖的曲率半径不大于25μm，两探针的针距为40-100μm，两探针之间的直流绝缘电阻以及探针与探针支架之间的直流绝缘电阻大于1GΩ。

电流表的测量范围为1nA～20mA，误差为±0.1％，电压源的电压范围为1mV～100mV，误差为±0.4％。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，包括底座，所述底座上设置有气浮减震台和控制面板，所述气浮减震台上设置有产品调节台和探针调节台，所述产品调节台上设置有样品测量台，所述探针调节台上设置有探针，所述产品调节台包括第一水平滑台和第二水平滑台上，所述第一水平滑台使得所述样品测量台沿着x方向移动，所述第二水平滑台使得所述样品测量台沿着y方向移动，所述探针调节台包括垂直滑台，所述垂直滑台使得所述两个探针沿着z方向移动；所述探针连接有测量电路，所述测量电路包括电压源和电流表。

2.根据权利要求1所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述样品测量台包括减震台，所述减震台上方设置有数显电子秤，所述数显电子秤上方设置有样品承片盘，所述样品承片盘上开设有若干吸附孔，所述减震台上设置有显微镜。

3.根据权利要求2所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述样品承片盘下方设置有绝缘基板，所述绝缘基板中间设置有真空吸附盘，所述真空吸附盘下方设置有水平调节装置。

4.根据权利要求3所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述样品承片盘的直径大于100mm，厚度为20mm，平整度小于3μm，绝缘电阻率大于1GΩ，所述吸附孔的直径为0.1mm。

5.根据权利要求4所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述样品承片盘上设置有5个圆形刻度槽，各个圆形刻度槽的直径分别为50.8mm、76.2mm、100mm、125mm、150mm，所述绝缘基板的直径为200mm，厚度为20mm。

6.根据权利要求3所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述水平调节装置为三个，沿圆周方向均匀分布，所述水平调节装置包括上部的外螺纹套和下部的内螺纹套。

7.根据权利要求3所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述真空吸附盘连接有吸附系统，吸附系统包括吸附罩和负压控制器，所述吸附罩和负压控制器之间的管路上设置有负压表，所述负压控制器包括常闭型电磁泄压阀和可调式负压泵，所述常闭型电磁泄压阀通过继电器开关系统控制。

8.根据权利要求6所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述探针设置在探针支架上，所述垂直滑台设置在探针和探针支架之间。

9.根据权利要求8所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述第一水平滑台和第二水平滑台的行程大于100mm，误差为±3μm，所述垂直滑台的行程大于10mm，误差为±3μm；

所述探针的针尖采用耐磨导电材料制成，针尖的曲率半径不大于25μm，两探针的针距为40-100μm，两探针之间的直流绝缘电阻以及探针与探针支架之间的直流绝缘电阻大于1GΩ。

10.根据权利要求9所述的集成电路外延层扩展电阻测试仪，其特征在于，所述电流表的测量范围为1nA～20mA，误差为±0.1％，所述电压源的电压范围为1mV～100mV，误差为±0.4％。

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