DE102009029906A1

DE102009029906A1 - Verfahren zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften elektronischer Bauelemente und Verfahren zur Kalibrierung der Messeinheit

Info

Publication number: DE102009029906A1
Application number: DE102009029906A
Authority: DE
Inventors: Andrej Rumiantsev; Victar Khutko; Stojan Dr. Kanev
Original assignee: SUSS MicroTec Test Systems GmbH
Current assignee: Cascade Microtech Dresden GmbH
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2009-12-31
Also published as: US20090314051A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kalibrierung einer Messeinheit zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften von elektronischen Bauelementen mittels zumindest eines planaren Kalibrierstandards angegeben, in welchem eine elektrische Messgröße bei zwei verschiedenen Temperaturen gemessen wird, wobei die elektrische Eigenschaft des Kalibrierstandards bei zumindest einer Temperatur bekannt oder rechnerisch zu ermitteln ist. Aus beiden Messgrößen wird ein Temperaturkoeffizient ermittelt, welcher die mit der Temperaturänderung einhergehende relative Änderung der elektrischen Eigenschaft des Kalibrierstandards beschreibt und mit dem die elektrische Eigenschaft des Kalibrierstandards bei einer Messtemperatur ermittelt wird. Aus der Änderung der elektrischen Eigenschaft wird ein Fehlerkoeffizient der Messeinheit ermittelt. Es wird auch ein Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Eigenschaft eines elektronischen Bauelements unter Verwendung des Kalibrierverfahrens angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Ermittlung elektrischer Eigenschaften von elektronischen Bauelementen mittels Prober. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur temperaturabhängigen Kalibrierung einer Messeinheit, die zur Ermittlung solcher Eigenschaften Teil eines solchen Probers ist, unter Verwendung planarer Kalibrierstandards für den Hochfrequenz und für den Niederfrequenzbereich, die mittels Prüfsprizten kontaktiert werden. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Ermittlung einer temperaturabhängigen elektrischen Eigenschaft unter Verwendung des Kalibrierverfahrens.
Für die Charakterisierung und Modellierung von elektronischen Bauelementen erfolgt deren Messung in geeigneten Prüfvorrichtungen, so genannten Prüfstationen oder Probern. Zur Messung werden die Kontaktinseln der zu messenden Bauelemente mittels Kontaktanordnungen in Form von Prüfspitzen kontaktiert und elektrische Signale eingespeist und/oder abgegriffen. An die Prüfvorrichtungen werden je nach zu messendem elektronischen Bauelement und insbesondere je nach dem für das Bauelement relevantem Frequenzbereich, d. h. dem Hoch- oder Niederfrequenzbereich, sehr verschiedene Anforderungen gestellt.
Im Hochfrequenz-(HF-)Bereich, dessen untere Grenze sich mit der Entwicklung der elektronischen Bauelemente stetig zu höheren Frequenzen verschiebt und die derzeit bei Frequenzen ab ca. 6 GHZ liegt, umfasst die Prüfvorrichtung einen vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) als Messeinheit. Vektorielle Netzwerkanalysatoren dienen der präzisen Vermessung von elektronischen Bauteilen und Komponenten sowie aktiven und passiven Hochfrequenzschaltungen und Hochfrequenzbaugruppen bis hin zu Antennen.
Die in der Hochfrequenztechnik übliche Beschreibungsform des elektrischen Verhaltens von elektronischen Bauteilen und Komponenten erfolgt über deren Streuparameter (auch S-Parameter). Sie verknüpfen nicht Ströme und Spannungen miteinander, sondern Wellengrößen. Diese Darstellung ist den physikalischen Gegebenheiten besonders angepasst. Eine so genannte Systemfehlerkorrektur sorgt dafür, dass präzise Messungen der Streuparameter der Bauteile und Komponenten mit vektoriellen Netzwerkanalysatoren überhaupt durchführbar sind. Diese Systemfehlerkorrektur setzt eine präzise Kalibriermessung von Standards voraus, deren elektronisches Verhalten bekannt oder im Rahmen der Systemfehlerkorrektur bestimmbar ist.
Zur Kalibrierung eines n Messtore aufweisenden Netzwerkanalysators, werden Reflexions- und Transmissionsparameter verschiedener zwischen den Messtoren in beliebiger Reihenfolge geschalteten n-Tor-Kalibrierstandards, die keine Transmission aufweisen, und verschiedener, zwischen den Messtoren in definierter Kombination und Reihenfolge geschalteten Zweitor-Kalibrierstandards, die alle einen Transmissionspfad aufweisen, gemessen. Unter Verwendung der gemessenen Kalibierstandards sowie durch rechnerische Ermittlung der fehlerkorrigierten Streumatrizen [Sx] der Kalibrierstandards aus den Fehlerkoeffizienten jedes Zweitor-Kalibierstandards werden die Fehlerkoeffizienten des Netzwerkanalysators mittels eines geeigneten Verfahrens rechnerisch ermittelt.
Mit diesen Korrekturdaten und einer entsprechenden Korrekturrechnung bekommt man für jedes beliebige Messobjekt Messwerte, die von Systemfehlern des Netzwerkanalysators und der Zuleitungen, beispielsweise von Verkopplungen (Übersprecher) oder Fehlanpassungen (Reflexionen), befreit sind. Eine präzise Kalibrierung ist somit ausschlaggebend für die Messung, Charakterisierung und Modellierung von elektronischen Bauelementen.
Im NF-Frequenzbereich, in dem mit zunehmender Skalierung der Bau elemente und kleiner werdenden Leistungsaufnahme Signale bis in Bereiche von 3 GHz, derzeit maximal 6 GHz verwendet werden, kommen Messverfahren zur Anwendung, die auf Messungen von Kapazitäten, Spannungen und Induktionen in diesem Frequenzbereich beruhen. So werden zur Charakterisierung elektronischer Bauelemente z. B. deren Strom-Spannungs-Kennlinie mittels Impuls I/V-Messung oder Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (CV-Messungen) zur Bestimmung von Ladungsträgerprofilen ermittelt.
Bei diesen Messungen werden deutlich leistungsärmere Messsignale verwendet, als für die noch vor wenigen Jahren üblichen Messungen, da selbst eine kleine Leistung zur Zerstörung des Bauteils oder zu unbrauchbaren Messwerten führen kann. So erfolgen gepulste Widerstands- und gepulste I/V-Messungen mit Impulsen von nur 50 Mikrosekunden, sogar bei niedrigen Strömen, denn kurze Impulse bedeuten, dass weniger Leistung vom elektronischen Bauelement aufgenommen wird. Auch die Ermittlung des niederfrequenten Rauschverhaltens (Low Frequency Noise – LFN) z. B. mittels 1/f-Messung dient der Charakterisierung der Bauelemente und erfolgt bei kleinsten Messsignalen in dem oben genannten Frequenzband.
Aufgrund dieser Signalgrößen und Frequenzbereiche gewinnen parasitäre Einflüsse durch äußere und durch die Messung selbst erzeugte elektromagnetische Felder an Bedeutung. So sind z. B. DC-Offsets und Netzfrequenzstörungen bei den empfindlichen Impulsmessungen zu vermeiden. Zur Begrenzung dieser Einflüsse erfolgt die Messung in abgeschirmter Umgebung oder schirmenden Gehäusen.
Ebensolchen Einfluss auf die Messungen haben die Präzision der Kalibrierung und deren Übertragbarkeit auf die aktuelle Messumgebung. Die derzeit für die Bauelemente-Charakterisierung im genannten Frequenzbereich üblichen Kalibrierverfahren berücksichtigen jedoch nur die Messinstrumente. Auch hier ist es jedoch erforderlich, die Kalibrierebene wie aus der Streuparametermessung bekannt bis an die Ein- bzw. Ausgänge des Bauelements, d. h. bis einschließlich der das Bauelement kontaktierenden Prüfspitzen zu legen.
Aufgrund der bei den jeweiligen Frequenzsignalen auftretenden Verluste und der Beeinflussung der Messung durch Störsignale, die mitunter in der gleichen Größenordnung wie die Messsignale liegen, werden hinsichtlich der Messauflösung und der Messgenauigkeit nicht die erforderlichen Werte erreicht.
Darüber hinaus ist auch der Einfluss der klimatischen Bedingungen auf die Messung der Kalibrierstandards und der elektronischen Bauelemente zu berücksichtigen, insbesondere bei von Raumtemperatur abweichender Messtemperatur. Aufgrund die Temperaturabhängigkeit der komplexen Widerstände und der Verluste sowohl der Kalibrierstandards als auch der Bauelemente ist neben der Frequenzabhängigkeit deren elektrischer Eigenschaften auch der Temperaturabhängigkeit Rechnung zu tragen.
Gegenwärtige Kalibriermessungen werden sowohl im HF- als auch im NF-Bereich mit Kalibrierstandards durchgeführt, die unter Raumtemperatur vermessen werden. Damit können zwar Kalibrierstandards verwendet werden, deren elektrisches Verhalten bekannt ist, aber eine Berücksichtigung der tatsächlichen thermischen Verhältnisse am Bauelement ist nicht möglich. Häufig ist es erforderlich für die Charakterisierung der Bauelemente die mitunter auch extremen klimatischen Bedingungen einzustellen, unter denen die Bauelemente später zum Einsatz kommen. Um dennoch eine Kalibrierung vornehmen zu können, werden derzeit die Kalibrierstandards von dem im unmittelbar zeitlichen und räumlichen Zusammenhang zu messenden Bauelement thermisch entkoppelt. Eine solche thermische Entkopplung ist für die Haltevorrichtung gut realisierbar, jedoch nicht für die Prüfspitzen, die in diesem Fall als Wärmeträger zwischen Bauelement und Kalibrierstandard wirken und aufgrund der Größen- und Massenverhältnisse einen nicht zu vernachlässigenden thermischen Einfluss haben.
Zu berücksichtigen ist sowohl für die HF- als auch für die NF-Messung darüber hinaus, dass die Messung elektronischer Bauelemente im Wafer-Verband (On-Wafer-Messungen) besonderen Randbedingungen unterliegt, insbesondere hinsichtlich der Realisierbarkeit der Kalibrierstandards. Denn im Halbleiterbereich ist es erwünscht, dass Anwender auf den Wafern selbst die Kalibrierstandards realisieren. Die geometrische Reproduzierbarkeit und Gleichheit von derartig selbst gefertigten Kalibrierstandards ist sehr hoch. Jedoch werden die elektrischen Eigenschaften nur in guter Näherung realisiert.
So variiert z. B. der Reflexionsstandard Leerlauf aus der Streuparametermessung hinsichtlich seiner Gleichstrom-Widerstandswerte sehr stark. Vorteilhaft ist dabei jedoch, dass sich die Kalibrierstandards auf dem gleichen Substratträger (Halbleiter) befinden wie auch die Messobjekte. Neben den Vorteilen der geringen Verfahrwege können außerdem parasitäre Elemente sowie Übergangseffekte von der Prüfspitze zum Wafer „herauskalibriert” werden.
Derzeit sind Kalibrierverfahren auf einem Wafer bekannt, die unter Verwendung von bekannten und teilweise auch unbekannten Kalibrierstandards und in letzterem Fall unter Verwendung einer so genannten Selbstkalibrierung der unbekannten Standards die Streuparameter mit hinreichender Genauigkeit bestimmen und dabei Unterschiede in der Messumgebung z. B. mittels so genanntem De-embedding und Unterschiede in der Kalibrierumgebung wie z. B. das Substrat, auf welchem die Kalibrierstandards und die Bauelemente realisiert sind, das Design der Bauelemente, die konkret verwendeten Materialien der Metallisierungen auf dem Wafer und andere mathematisch durch das Kalibrierverfahren selbst berücksichtigt werden. Als Deembedding ist ein Verfahren zur Fehlerkorrektur von Kalibriermessungen benannt, bei dem die nach einer ersten Kalibrierung erhaltenen und noch nicht ausreichend fehlerbereinigten Streuparameter einer zweiten Meßwertkorrektur unterzogen werden.
Die Kalibrierstandards zur niederfrequenten Bauelemente-Charakterisierung werden derzeit überwiegend auf separaten Kalibriersubstraten hergestellt, wodurch zwar ihre physikalische Reproduzierbarkeit gut zu kontrollieren ist, jedoch können Parameter einer sich ändernden Messumgebung häufig nicht in der erforderlichen zeitlichen Schrittweite berücksichtigt werden.
Mit dem vorgeschlagenen Kalibrierverfahren und dem das Kalibrierverfahren verwendende Messverfahren zur Ermittlung der elektrischen Eigenschaften von elektronischen Bauelementen, den so genannten Devices Under Test (DUTs) ist es möglich, die Eigenschaften unter den thermischen Bedingungen zu ermitteln, denen die DUTs im Anwendungsfall ausgesetzt sind. Die Kalibrierung erfolgt bei der jeweiligen thermischen Messumgebung, bei der auch die elektrischen Eigenschaften des DUT ermittelt werden. Damit sind alle mit einer Temperaturänderung einhergehenden Änderungen des Messsys tems, z. B. auch die sich ändernden elektrischen und magnetischen Eigenschaften der dielektrischen Substrate, die unmittelbar Einfluss auf die physikalischen Werte der darauf ausgebildeten Kalibrierstandards haben. In vergleichbarer Weise können auch weitere klimatische Änderungen der Messumgebung, wie z. B. Druck, Feuchtegehalt, Zusammensetzung der umgebenden Atmosphäre oder anderes berücksichtigt werden.
Als elektrische Eigenschaft sollen hier solche verstanden werden, die das Verhalten eines DUT in den verschiedenen Frequenzbereichen beschreiben. Wie oben dargelegt sind das im Hochfrequenzbereich die Streuparameter und im Niederfrequenzbereich insbesondere Impedanzen, Widerstände, Spannungen, Kapazitäten und/oder Induktionen zur Charakterisierung des Rauschverhaltens, zur Ermittlung der Strom-Spannungs-Kennlinie oder der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie. Um diese Eigenschaften zu ermitteln kennt der Fachmann die erforderlichen elektrischen Messgrößen, je nach der zu ermittelnden elektrischen Eigenschaft, wobei für den NF-Bereich die genannten Eigenschaften den Messgrößen entsprechen. Die elektrischen Messgrößen werden sowohl am Kalibrierstandard als auch am DUT gemessen.
Weiterhin können die bekannten Kalibrierverfahren sowohl im hochfrequenten als auch im niederfrequenten Bereich verwendet werden, so auch die Verwendung von unbekannten Kalibrierstandards unter Nutzung der bekannten Verfahrend zur Selbstkalibrierung für die Kalibrierung von vektoriellen Netzwerkanalysatoren (VNA).
Dies unterstützt zum einen die Verwendung von Kalibriersubstraten mit absolut oder relativ präzise einstellbaren, bekannten oder unbekannten elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards. Zum anderen ist auch die Verwendung von Kalibrierstandards möglich, die vom Anwender selbst auf dem Substrat hergestellt sind, welches auch das DUT trägt, z. B. den Wafer oder andere, auch dielektrische Trägersubstrate. Diese so genannten Wafer-embedded Kalibrierstandards sind im Gegensatz zum Stand der Technik auch für alle Standards aus dem NF-Bereich verwendbar, z. B. für Kapazitäts- oder Widerstandsstrukturen.
Die Kalibrierung erfolgt mit dem beschriebenen Verfahren sowohl für den HF- als auch für den NF-Bereich bis zum Ende der Prüfspit ze, so dass die Messebene bis an die Ein- und Ausgänge des DUT gelegt ist.
Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen erläutert werden, wobei die Erläuterungen nur als beispielhafte Erläuterung und nicht als beschränkend anzusehen sind.
Zunächst soll die Erfindung anhand der Beschreibung der Kalibrierung eines Netzwerkanalysators und der Ermittlung von Streuparametern eines HF-Bauelements erläutert werden.
Zur temperaturabhängigen Kalibrierung eines Netwerkanalysators werden zunächst die Streuparameter S_ij der für das verwendete Kalibrierverfahren zu messenden bekannten und gegebenenfalls auch unbekannten Kalibrierstandards bei einer ersten Temperatur T₁ ermittelt. Welche Kalibrierstandards, welche Anzahl und welche davon tatsächlich bekannt sein müssen, hängt vom verwendeten Kalibrierverfahren ab und dieses wiederum unter anderem von der Realisierbarkeit bekannter Kalibrierstandards. Diese erste Messung soll auch als Bezugsmessung bezeichnet sein. Die erste Temperatur T₁ wird meist die Raumtemperatur sein, da hier die elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards bekannt sind oder zumindest durch Selbstkalibrierung rechnerisch ermittelt werden können.
In einem zweiten Schritt werden die Streuparameter S_ij' derselben Kalibrierstandards bei zumindest einer zweiten Temperatur T₂ mit möglichst großem Temperaturunterschied zwischen T₁ und T₂ relativ zu den Streuparametern S_ij der Bezugsmessung ermittelt. Dies erfolgt, indem die Abweichung der Streuparameter |S_ij – S_ij'] bei der zweiten Messung im Vergleich zur ersten Messung bestimmt wird, wobei, ij ein Element der Menge {11, 12, 13, 21, 22, ..., nn} ist, für Reflexion und Transmission einer auf das n-Tor-Messobjekt hinlaufenden und einer rücklaufenden Welle.
Aus den ermittelten Abweichungen wird ein Temperaturkoeffizient berechnet. Mittels des Temperaturkoeffizienten werden die bei einer weiteren, als Messtemperatur bezeichneten Temperatur zur Kalibrierung des VNA ermittelten Streuparameter auf jene Temperatur umgerechnet, bei der ein elektronisches Bauelement zu messen ist. Mit Hilfe dieser korrigierten Streuparameter werden unter Verwendung des mit dem ausgewählten Kalibrierverfahren verknüpften Methode, z. B. 7- oder 10-Term-Verfahren, die Fehlerkoeffizienten des Netzwerkanalysators rechnerisch ermittelt.
Da für die Ermittlung des Temperaturkoeffizienten und daraus folgernd des Fehlerkoeffizienten der Messeinheit nur die relativen Änderungen der Streuparameter und nicht die Streuparameter selbst ermittelt werden, gestattet diese Methode eine Anwendung sowohl auf bekannte als auch auf unbekannte Kalibrierstandards und somit auch auf Standards, die auf dem Wafer hergestellt sind. Das für die Kalibrierstandards einmal ermittelte Temperaturmodell ist auf jedes der bekannten Kalibrierverfahren anwendbar, z. B. sowohl auf SOLI oder TRL und ebenso auf LRM, RRMT oder andere, wobei bekanntermaßen die Buchstabenkombination der Verfahrensbezeichnung die verwendeten Kalibrierstandards angeben.
Darüber hinaus ist eine Fehlerkorrektur des Temperaturmodells mittels De-embedding nicht erforderlich. Eine Berücksichtigung der Temperaturdrift der Messanordnung kann mittels des bekannten, in „Porposed procedures for verifying probe station integrity and onwafer measurement accuracy” NIST/Industrial MMIC Consortium beschriebenen Verfahrens einbezogen werden.
Werden in einer Ausgestaltung des Verfahrens die zwei Kalibriermessungen, die Bezugs-Kalibrierung und die geprüfte Kalibrierung zu Beginn und am Ende eines Experiments unter sich verändernden klimatischen Verhältnissen durchgeführt, kann die Systemdrift unter diesen Änderungen quantitativ bestimmt werden. Im Idealfall können beide Messungen zu gleichen Ergebnissen führen, so dass die Abweichung Null ist.
Der Temperaturkoeffizient kann in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens auch mittels mehr als zwei Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. Des Weiteren können auch geringe Temperaturdifferenzen zwischen T₁ und T₂ verwendet werden. Entsprechend der gewählten Messpunkte und Anzahl der Messungen kann der Temperaturkoeffizient entweder ein konstanter Wert sein, eine Funktion oder eine konkrete Datenmenge von temperaturbezogenen Werten.
Um Einflüsse des Substrats oder der verwendeten HF-Messspitzen feststellen zu können, sind die temperaturabhängigen Messungen und die relativen Änderungen auch für Standards auf unterschiedlichen Substraten und mit voneinander in Struktur und Material abweichenden Messspitzen zu ermitteln.
Da, wie oben dargelegt, die elektrischen Eigenschaften der Kalibrierstandards und der DUTs frequenzabhängig sind, können in noch weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens die Messungen bei verschiedenen Frequenzen durchgeführt werden, um einen frequenzabhängigen Temperaturkoeffizienten zu ermitteln. Es wurde festgestellt, dass mit zunehmender Frequenz die Abweichungen, die bei einer bestimmten Temperaturänderung auftreten, steigen. Auf der Grundlage des frequenzabhängigen Temperaturkoeffizienten sind auch die elektrischen Eigenschaften eines elektronischen Bauelements frequenzabhängig zu bestimmen.
Die vorstehenden Beschreibungen des Kalibrierverfahrens und dessen verschiedene Ausgestaltungen beziehen sich zunächst auf Messungen im HF-Bereich.
Jedoch sind auch die Temperaturkoeffizienten im NF-Bereich in vergleichbarer Weise zu ermitteln, um die oben beschriebenen verschiedenen Kennlinien zur Charakterisierung von NF-Bauelementen und Baugruppen vorzunehmen. Der oben dargelegte grundsätzliche Verfahrensablauf für die Kalibrierung trifft insofern auch für die Kalibrierung im NF-Bereich zu, wie die zu ermittelnden elektrischen Eigenschaften und zugehörigen elektrischen Messgrößen dem NF-Bereich zuzuordnen sind und dafür die erforderlichen Kalibrierstandards gemessen werden. Das Kalibrierverfahren in diesem Frequenzbereich unterscheidet sich lediglich dadurch vom oben beschriebenen Kalibrierverfahren im HF-Bereich, dass nur bekannte, d. h. bei der ersten Temperatur bekannte Kalibrierstandards verwendet werden. Aus diesem Grund sind andere, geeignete Methoden zur Ermittlung des Fehlerkoeffizienten der Messeinheit aus der temperaturkorrigierten elektrischen Eigenschaft verwendbar und bekannt.
Die Art der verwendbaren Kalibrierstandards hängt insbesondere von den Messverfahren ab. Für CV-Messungen beispielsweise werden Impedanzen mit verschiedenen Abschlüssen, einen Wellenabschluss von 50 Ω oder einem Kurzschluss oder Leerlauf ähnelnd, verwendet. Darüber hinaus wird ein verlustarmer Kondensator verwendet. Letzterer kann z. B. durch einen langen koplanaren Wellenleiter gebildet sein oder komplexere Strukturen aufweisen, z. B. zwei sich gegenüber liegende Kammstrukturen um eine höhere Präzision in der eingestellten Kapazität des Kalibrierstandards zu erzielen.
Für die I/V-Messungen sind verschiedene Widerstände als Kalibrierstandards erforderlich. Zur Kalibrierung für LFN-Messungen werden häufig Kalibrierstandards, wie die oben zur CV-Messung beschriebenen Impedanzen oder aus der Ermittlung der Streuparameter von elektronischen Bauelementen bekannte Standards oder Dünn-Film-Widerstände verwendet.
Aufgrund der grundsätzlichen Gleichartigkeit der Kalibrierverfahren im HF- und im NF-Bereich sind auch die beschriebenen Ausgestaltungen auf die Kalibrierung im NF-Bereich entsprechend anwendbar. Beide können auch in einer Prüfanordnung miteinander kombiniert werden. So können zur I/V-Charakterisierung von Kalibrierstandards und DUTs so genannte Source Monitor Units (SMUs), auch als Source Measurement Units bezeichnet, verwendet werden, die programmierbar sein können. Eine SMU ist ein präzises Netzteil, das Spannungsversorgung und -messung mit einer Auflösung von 1 mV oder weniger sowie Stromversorgung und -messung mit einer Auflösung von 1 μA oder weniger gestattet. So ist mittels der SMU eine präzise Widerstandsmessung laufend möglich sowie eine Kombination mit einer Prüfanordnung, die einen vektoriellen Netzwerkanalysator aufweist. In letzterem Fall können mit einer Prüfanordnung Kalibrierungen und Messungen von DUTs über dem gesamten Frequenzbereich und den interessierenden Temperaturbereich durchgeführt werden, wenn die HF- und NF-Kalibrierstandards z. B. auf einem Kalibriersubstrat bereitgestellt werden.
Die Kalibrierstandards für HF- und NF-Messungen sind planare Leitungen auf einem Trägersubstrat ausgebildet, wobei deren exakte physikalische Ausführung für reproduzierbare elektrische Eigenschaften, insbesondere mit bekannter oder präzise bestimmbarer Impedanz, möglich ist. Über die Änderung von physikalischen Parametern, wie z. B. der Länge können die Kalibrierstandards auch trimmbar gestaltet sein, d. h. so auf einen bestimmten elektrischen Eigenschaftswert einstellbar. Als planare Leitungen werden allgemein verschiedene Ausgestaltungen der Anordnung von Ground- und Signalleitungen beschrieben. Eine Ausgestaltung planarer Leitungen sind die koplanaren Leitungen. Bei diesen liegen die Ground- und Signalleitungen in der Ebene. Hingegen liegen bei so genannten Microstrip- oder Mixed Anordnungen die Ground- und Signalleitungen in zwei elektrisch voneinander isolierten Ebenen übereinander.
Als Kalibriersubstrat kommen verschiedene dielektrische, z. B. keramische oder auch halbleitende Substrate zur Anwendung, wobei aufgrund des Einflusses des Substrats auf verschiedene Messungen das Substrat dem Trägersubstrat des elektronischen Bauelements angepasst sein kann oder der Wafer mit dem Bauelementen selbst als Trägersubstrats dient.
Das Kalibriersubstrat wird meist in der Umgebung des zu messenden elektronischen Bauelements angeordnet, um zum einen den Einfluss der Messumgebung zu vermindern und zum anderen bis zu den Kontaktfingern dieselbe Messanordnung zur Kalibrierung und zur Messung zu verwenden und so die weitestgehend zum Bauelement verlagerte Kalibrierebene realisieren zu können.
Zur Ermittlung einer elektrischen Eigenschaft eines DUTs werden in einer geeigneten Prüfvorrichtung zunächst eine Kalibrierung unter Ermittlung eines, gegebenenfalls frequenzabhängigen, Temperaturkoeffizienten nach einem der oben beschriebenen Verfahren durchgeführt.
Dazu werden ein oder mehrere DUTs, die sich im Waferverbund befinden oder auf einem Trägersubstrat angeordnet sind, sowie ein oder mehrere Kalibrierstandards auf einer Haltevorrichtung angeordnet. Die Kalibrierstandards können auf dem Wafer ausgebildet oder auf dem Trägersubstrats angeordnet sein. Alternativ weist ein separates, ebenfalls von der Haltevorrichtung gehaltenes Kalibriersubstrat die Kalibrierstandards auf.
Von einer Sondenhalterung werden die zumeist mehreren Prüfspitzen in einer Relativposition zueinander gehalten, so dass mehrere Kontaktflächen gleichzeitig kontaktierbar sind. Der besseren Übersicht wegen wird der folgende Ablauf am Beispiel eines einzelnen Kalibrierstandards und nur eines DUTs dargelegt werden. Die Kontaktierung und Messung weiterer Kalibrierstandards nacheinander oder gleichzeitig mit einer entsprechenden Anordnung einer Mehr zahl von Prüfspitzen oder das Scanning aller DUTs eines Wafers erfolgt in analoger Weise.
Mittels einer geeigneten Positionierungsvorrichtung werden zunächst das Kalibriersubstrat und die Prüfspitzen relativ zueinander positioniert, beide werden einander zugestellt bis zur Herstellung eines sicheren elektrischen Kontakts und anschließend erfolgt die Kalibriermessung. Dazu wird der Kalibrierstandard mit einem Signal beaufschlagt und das dadurch erzeugte oder das durch den Kalibrierstandard veränderte Signal wird mittels der Prüfspitzen abgegriffen und der Messeinheit zur Verarbeitung zugeführt.
Diese erste Messung erfolgt bei der Temperatur T₁ _, beispielsweise bei Raumtemperatur. Nach der Einstellung einer zweiten Temperatur T₂, beispielsweise 100°C, erfolgt eine weitere Messung des Kalibrierstandards. In gleicher Weise können weitere Messungen bei den Temperaturen T₃ und T₄, beispielsweise 50°C und 200°C erfolgen. Aus diesen Messungen wird ein Temperaturkoeffizient wie oben beschrieben ermittelt.
Nachfolgend wird die Temperatur auf jene Messtemperatur T_M eingestellt, bei der ein DUT gemessen werden soll, beispielsweise 150°C oder 250°C und die Messung des Kalibrierstandards wird wiederholt. Anhand der Messwerte bei T₁ und T₂ können durch Anwendung des Temperaturkoeffizienten Messwerte oder davon abgeleitete elektrische Eigenschaften prognostiziert werden, die mit den gemessenen Werten oder abgeleiteten Eigenschaften verglichen werden, um aus diesem Vergleich einen Fehlerkoeffizienten zu ermitteln. Dieser Fehlerkoeffizient dient dem Abgleich der Messgröße oder elektrischen Eigenschaft eines DUTs, um diese von den Systemfehlern zu bereinigen.
Die gewünschte Messgröße oder elektrische Eigenschaft des DUTs wird durch eine weitere Messung bei der Messtemperatur T_M ermittelt, indem diese mit der bestehenden Prüfanordnung nach der Herstellung eines elektrischen Kontakts der Prüfspitzen mit dem DUT wie oben zur Kalibrierung beschrieben ausgeführt wird. Bezüglich der Ausführung der Messung wird auf die Darlegungen zur Kalibriermessung verwiesen. Die nachfolgende Bereinigung der Messgröße durch Anwendung des Fehlerkoeffizienten erfolgt nach bekannten Methoden. Häufig ist dies bereits in der Messeinheit, z. B. dem vektoriellen Netzwerkanalysator implementiert.
Sofern die aktuell herrschende Messumgebung reproduzierbar ist oder eine Änderung oder Drift bekannt ist, so dass die Kalibrierwerte wieder verwendbar sind, können diese in einer Datenbank hinterlegt sein, um für weitere, spätere Messungen zur Verfügung zu stehen. Selbst elektronische Bauelemente aus deren Entwicklung, die für Testzwecke hergestellt wurden und deren elektrische Eigenschaften sehr präzise ermittelt wurden, können für Kalibriermessungen verwendet werden. Die späteren Messungen können bei beliebigen Messtemperaturen und, sofern der Temperaturkoeffizient frequenzabhängig ermittelt wurde, auch bei beliebigen Frequenzen erfolgen. Die zuvor ermittelten, auch frequenzabhängigen Abweichungen der elektrischen Eigenschaften werden als Fehlerkoeffizienten in Form konkreter Werte oder als Funktion in einer Messeinheit, z. B. einem vektoriellen Netzwerkanalysator hinterlegt und während des Kalibrierverfahrens auf die Berechnung elektrischen Eigenschaften direkt angewendet.
Entsprechend verschiedener Ausgestaltungen des Verfahrens können die Kalibrierstandards entweder auf Prüfsubstrat angeordnet sein, auf dem auch ein zu prüfender DUT angeordnet ist oder auf einem separiertem Kalibriersubstrat.
Separate Kalibriersubstrate sind von Vorteil, wenn sehr präzise getrimmte Standards gewünscht sind oder wenn die Substrate z. B. für weitere Messungen von DUTs wieder verwendet werden können. Dabei kann das Material des Kalibriersubstrats auch von dem des Prüfsubstrats abweichen, wenn der Einfluss des Substrats auf den in der Kalibrierung zu ermittelnden Fehlerkoeffizienten zuvor wie oben beschrieben anhand verschiedener Substrate ermittelt wurde.
Sind die Kalibrierstandards auf dem Prüfsubstrat, z. B. durch den Hersteller der elektronischen Bauelemente selbst ausgebildet, weisen die Standards, im Vergleich zu Standards auf Kalibriersubstraten, häufig größere Abweichungen von der einzustellenden elektrischen Eigenschaft auf. Wie oben dargelegt ist diese Abweichung unschädlich, da sie durch das Kalibrierverfahren herauskalibriert wird. Eine solche Anordnung stellt eine nahezu übereinstimmende Messumgebung für den Kalibrierstandard und den DUT zur Verfügung. Auch sind die elektrischen Eigenschaften des Kalibrierstandards im Verlauf der Messung mehrerer DUTs aktuell, so genannt on-the-fly zu bestimmen, z. B. mittels einer oben beschriebenen SMU.
Derartige On-the-fly-Kalibriermessungen, die zur laufenden Implementierung verschiedener Änderungen in der Messumgebung erforderlich wären und als Zwischenschritt zwischen zwei aufeinanderfolgende Messungen zur Nachführung der Kalibrierung durchgeführt werden, sind selbstverständlich auch mit Kalibriersubstraten möglich. Für diesen Fall wird ein Kalibriersubstrat auf der Haltevorrichtung, die auch das Prüfsubstrat hält und gegebenenfalls eine für das Kalibriersubstrat konfigurierte separate Komponente aufweist, neben dem Prüfsubstrat bereitgehalten, so dass ein zügiger und ungehinderter Wechsel der Kontaktierungen der Prüfspitzenanordnung zwischen dem DUT und dem Kalibrierstandard möglich ist.

Claims

Verfahren zur Kalibrierung einer Messeinheit zur Ermittlung elektrischer Eigenschaften von elektronischen Bauelementen, folgende Schritte umfassend: – Bereitstellen zumindest eines planaren Kalibrierstandards; – Herstellung eines Signalpfades auf besagtem Kalibrierstandard durch dessen elektrische Kontaktierung; – erste Messung einer elektrischen Messgröße des Kalibrierstandards bei einer ersten Temperatur, bei welcher die elektrische Eigenschaft des Kalibrierstandards bekannt oder rechnerisch zu ermitteln ist, zur Ermittlung einer elektrischen Eigenschaft des Kalibrierstandards; – zweite Messung der gleichen elektrischen Messgröße des Kalibrierstandards bei einer zweiten Temperatur und Ermittlung der Änderung der zugehörigen elektrischen Eigenschaft bezogen auf die erste Messung; – Ermittlung eines Temperaturkoeffizienten, welcher die relative Änderung der aus der zweiten Messung ermittelten elektrischen Eigenschaft des Kalibrierstandards bezogen auf jene aus der ersten Messung ermittelten beschreibt; – Ermittlung einer korrigierten, elektrischen Eigenschaft des Kalibrierstandards bei einer Messtemperatur durch Anwendung des für die Messtemperatur geltenden Wertes des Temperaturkoeffizienten auf die bei der ersten Temperatur ermittelte elektrische Eigenschaft des Kalibrierstandards; und – Ermittlung zumindest eines Fehlerkoeffizienten der Messeinheit aus besagter korrigierter, elektrischer Eigenschaft des Kalibrierstandards, welcher die relative Änderung der korrigierten, elektrischen Eigenschaft des Kalibrierstandards bezogen auf die bei Messtemperatur gemessene beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Temperaturkoeffizient frequenzabhängig ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Kalibrierstandard für eine Messung von niederfrequentem Rauschen oder für eine gepulste I/V-Messung oder für eine CV-Messung oder für eine HF-Messung von Streuparametern gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Messung von niederfrequentem Rauschen oder eine gepulste I/V-Messung oder eine CV-Messung mittels einer Source-Monitor-Unit durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere Kalibrierungen durchgeführt werden, in denen ein Kalibrierstandard jeweils auf einem anderen Kalibriersubstrat ausgebildet ist.
Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Eigenschaft eines elektronischen Bauelements, folgende Schritte umfassend: – Kalibrierung einer Messeinheit, welche der Messung einer elektrischen Eigenschaft des elektronischen Bauelements dient, nach Anspruch 1; – Messung einer elektrischen Messgröße des elektronischen Bauelements mittels besagter Messeinheit bei besagter Messtemperatur; – Bereinigung der Messgröße durch Anwendung des durch die Ka librierung für die Messtemperatur ermittelten Fehlerkoeffizienten; und – Ermittlung der elektrischen Eigenschaft aus der korrigierten Messgröße.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Kalibrierung und die Messung des elektronischen Bauelements frequenzabhängig erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Messung eines Kalibrierstandards erfolgt, welcher gemeinsam mit dem elektronischen Bauelement auf einem Prüfsubstrat angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Messung eines Kalibrierstandards erfolgt, welcher auf einem vom Substrat des elektronischen Bauelements separiertem Kalibriersubstrat angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das elektronisches Bauelement und das Kalibriersubstrat auf zwei separaten Aufnahmeflächen einer Prüfvorrichtung gehalten und mittels Temperiervorrichtungen auf dieselbe Messtemperatur temperiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das elektronisches Bauelement und das Kalibriersubstrat auf zwei separaten Aufnahmeflächen einer Prüfvorrichtung gehalten werden und die Kalibrierung anstelle bei Messtemperatur bei einer davon abweichenden Kalibriertemperatur erfolgt, folgende weitere Schritte umfassend: – Temperierung des elektronischen Bauelements und des Kalibriersubstrats mittels zumindest einer Temperiervorrichtung auf zwei voneinander abweichende Temperaturen, wobei die Temperatur des elektronischen Bauelements die Messtemperatur und die Temperatur des Kalibriersubstrats die Kalibriertemperatur ist; – Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen Kalibriertemperatur und Messtemperatur; und – Anpassung der für die Kalibriertemperatur ermittelten korrigierten, elektrischen Eigenschaft des Kalibrierstandards auf die Messtemperatur durch Anwendung des für die Kalibriertemperatur geltenden Wertes des Temperaturkoeffizienten auf die bei der ersten Temperatur ermittelte elektrische Eigenschaft des Kalibrierstandards.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Temperaturkoeffizient in einer Datenbank hinterlegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Kalibrierstandard für die Messung mehrerer elektronischer Bauelemente unter verschiedenen Messumgebungen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei der Temperaturkoeffizient im Verlauf der Messung mehrerer elektronischer Bauelemente zumindest ein weiteres Mal ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei auch der Fehlerkoeffizient im Verlauf der Messung mehrerer elektronischer Bauelemente zumindest ein weiteres Mal ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei eine Messung von niederfrequentem Rauschen oder eine gepulste I/V-Messung oder eine CV-Messung mittels einer Source-Monitor-Unit durchgeführt wird.