TW202208847A - 測量材料電氣特性的系統及方法 - Google Patents

Abstract

本文所揭示的例示性系統包括適於容納一定量的汞之導電探針，其中該導電探針包括具有出口的導電本體以及適於供應汞給該導電探針的汞控制系統。在此實例中，該系統另包括適於獲得位於材料表面上的汞滴影像之影像感測器，以及適於接收該汞滴影像並根據該汞滴影像計算該汞滴與該材料表面間的接觸面積之測量系統。

Description

測量材料電氣特性的系統及方法

一般而言，本發明係關於測量材料電氣特性的系統及方法之各種新穎具體實例。

當在半導體基板上製造積體電路產品時，確定各層材料和/或基板的各種電氣特性非常重要。進行這種電氣測試的一種技術涉及使用測量系統，該系統包括真空操作的汞探針以與受測材料形成導電接觸。IC產品製造商通常從第三方供應商購買這些類型的測量系統。

為了至少測量材料層的一些電氣特性，例如電容，準確測量汞滴（從汞探針分配）與材料層表面間的接觸面積非常重要。這種類型的系統依賴於接觸區域的校準以確保準確性，並且此類校準通常由第三方供應商完成。此類校準活動涉及一些成本，並可能導致延遲IC產品的製造。

本發明係關於測量材料電氣特性的系統及方法之各種新穎具體實例。

下面提供至少一個揭示具體實例的簡單總結，以便對本文所揭露主題的某些方面有基本瞭解。本發明內容不是本文所揭示所有主題的詳盡概述，並不旨在標識本文所揭示主題的關鍵或重要元件，或描繪涉及任何本文所揭示主題的任何請求項的範圍。其唯一目的在於以一種簡單方式呈現本發明某些概念，當成本申請案中稍後更詳細說明的前奏。

本發明一般係關於測量材料電氣特性的系統及方法之各種新穎具體實例。本文所揭示的例示性系統包括適於容納一定量汞的導電探針，其中該導電探針包括具有出口的導電本體以及適於將汞供應給該導電探針的汞控制系統。在此實例中，該系統另包括適於獲得位於材料表面上汞滴影像的影像感測器，以及適於接收該汞滴影像並根據該汞滴影像來計算該汞滴與該材料表面間的接觸面積之測量系統。

本文所揭示的例示性方法包括將該導電探針定位在材料表面上方，其中該導電探針包括導電本體，其具有一出口和位於該導電本體中一定量的汞，迫使該導電探針內一部分汞離開，以便在該材料表面形成汞滴。在此實例中，該方法另包括獲得位於該材料表面上的汞滴影像，以及根據該汞滴影像計算該汞滴與該材料表面間的接觸面積。

本發明的許多例示性具體實例描述如下。為了清楚起見，在本說明書中不描述實際上實施的所有特徵。當然，吾人將瞭解在任何這種實際上具體實例的發展當中，必須做出許多實施上特有的決策來達成開發者的特定目的，像是符合系統相關與商業相關限制，並且這些將隨實施而變。再者吾人將瞭解，這種開發努力可能複雜並且耗時，儘管對於熟悉該技術領域人士而言為例行作業但還是從本發明得到益處。

此後將參照附圖說明本發明。在該等圖式內圖解描述的許多結構、系統和裝置僅供解釋，如此不用熟悉該技術領域人士熟知的細節來掩蓋本發明。然而，包括附圖來說明與解釋本發明的例示性實例。本文使用的文字和短語應理解和解釋為具有與熟悉相關技術領域人士對這些文字和短語之理解一致的含義。­無術語或短語的特定定義，即不同於如熟悉該技術領域人士所理解的普通或習慣意義的定義，旨在通過本文中的術語或短語的一致使用來暗示。在術語或短語旨在具有特殊含義（即熟悉該技術領域人士所理解的意義以外）的程度上，這種特殊定義應以定義的方式，在說明書中以明確的方式表達，直接且明確地提供術語或短語的特殊定義。­­請參考附圖，現在將更詳細描述本文所揭示方法及裝置的各種例示性具體實例。可使用多種不同的材料並通過執行多種已知處理操作，例如化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）、熱生長處理、旋塗技術、掩膜、蝕刻等，來形成本文所描述的各種組件、結構和材料層。這些不同材料層的厚度也可根據特定應用而變化。

圖1至圖6描述用於測量材料電氣特性的系統10及方法之各種新穎具體實例。在本文所描述的實例中，系統10將用於測量半導體基板12上所形成材料層14（具有上表面14S）的一或多個電氣特性。基板12定位在固定架16中，例如晶圓卡盤，並通過各種已知機械裝置中任何一種固定在其中。

基板12可具有多種配置，例如本文描述的體半導體基板，或者可採用絕緣體上半導體（SOI）基板的形式。這種SOI基板包括一基部半導體層、位於該基座半導體層上的嵌埋式絕緣層以及位於該嵌埋式絕緣層上方的主動半導體層。在一些應用中，基板12可由矽製成，或者可由除矽之外的半導體材料製成。因此，術語「基板」或「半導體基板」應理解為涵蓋所有半導體材料和此類材料的所有形式。此外，基板12可為任何物理尺寸。在一個實例中，該基板為300 mm晶圓。在其他情況下，基板12可只為這種晶圓的一部分。

系統10另包括具有出口18的導電探針16。代表性的汞柱20位於導電探針16內。導電探針16由導電材料構成，例如不銹鋼、鈦、含金屬材料、導電聚合物等。系統10另包括簡單描繪的汞控制系統22，其組件為熟悉該技術領域人士所熟知。汞控制系統22係操作連結到管線24，接著該管線又與導電探針16流體連通。如下文將更全面描述，汞控制系統22適於在汞柱20後面施加正氣壓（如箭頭線34所示），以迫使一些汞離開導電探針16的出口18並到達材料層14的表面14S上。在材料層14的電氣特性測試完成後，汞控制系統22另適於在汞柱20後面施加負氣壓（如箭頭線36所示），以從材料層14的表面14S去除汞，即將汞拉回到導電探針16中。

圖1中另描繪為簡單描繪的測量系統28、影像感測器26和AC/DC電壓源30。電壓源30電連結至導電探針16。在所描繪的實例中，測量系統28包括允許其控制經由電壓源30施加到導電探針16的電壓之電路。在其他具體實例中，系統10可包含單獨的電壓控制器。如下文更詳細描述，影像感測器26適於拍攝將位於材料層14的表面14S上之汞滴（圖1中未示出）的影像，並將該影像發送到測量系統28，如下文更充分描述，在此將進行計算以確定汞滴和材料層14的表面14S間之接觸面積。測量系統28連結至基板12的底表面上之導電接點（未示出）。其中，測量單元28適於測量材料14的至少電感(L)、電容(C)和電阻(R)。在一個實例中，允許這種測量的電路和結構可位於測量單元28內部。然而，在其他具體實例中，例如圖1中所示的具體實例，單獨的LCR單元（或量表）29可操作連結至測量單元28，但並非在所有情況下都如此。

熟悉該技術領域人士在完整閱讀本申請案後將理解，材料層14實際上可由任何材料組成，例如任何絕緣材料，例如二氧化矽、氮化矽、高k材料（k值等於或大於10的材料），例如氧化鉿、低k材料（k值等於或小於3.3的材料）、介電膜、金屬矽化物、聚合物膜、含金屬材料等。此外，這裡描述的材料層14在本質上為代表性，因為材料層14實際上可包括多個絕緣材料層，例如材料層的堆疊，以及材料堆疊內的所有材料層每一者都可由不同的材料製成，但並非在所有應用中都是如此。因此，此處使用的術語「材料層14」不應理解為意味著本文所揭示主題受限於涉及測量單層材料電氣特性之應用。此外，這裡描述的一層或多層材料14可通過任何已知技術形成。例如，在材料層14為二氧化矽的情況下，可通過執行熱生長處理或通過執行沉積處理來形成。一層或多層材料14可形成為任何期望的厚度。

圖1描繪在對材料層14進行任何測量之前的系統10。在圖1所示的位置中，汞控制系統22在汞柱20後面施加負壓（如箭頭線36所示），以將汞柱20保持在導電探針16內。

圖2描繪汞控制系統22在汞柱20後面施加正壓（如箭頭線34所示）之後的系統10，以迫使一些汞離開導電探針16的出口18，並在材料層14的表面14S上形成汞滴20D。請注意，在一個例示性具體實例中，導電探針16在本文所述的整個電氣測試期間保持與汞滴20D導電接觸。圖3為系統10的部分放大圖，其中汞滴20D位於材料層14的表面14S上。在所描繪的實例中，將影像感測器26定位成使得影像感測器26的透鏡之成像軸線26A基本上水平定向，從而允許影像感測器26捕捉汞滴20D的真實側視圖。然而，在其他具體實例中，影像感測器26可相對於水平線夾一角度定位。在這種情況下，可對用於計算接觸面積的公式進行調整，來說明以這種方式定位的影像感測器26所拍攝汞滴20D之傾斜影像。

圖3描繪由影像感測器26拍攝，並傳輸到測量系統28的汞滴20D和一部分導電探針16之影像。為了測量材料層14的至少一些電氣特性，準確測量汞滴20D和材料層14的表面14S間之接觸面積42就非常重要。測量系統28包含允許其在汞滴20D與材料層14的表面14S間之介面處，確定汞滴20D的半徑44（相對於穿過汞滴20D中心的垂直線40）之軟體。由於半徑44現在已知，所以可直觀計算出接觸面積42（A = πr² ）。

請注意，基本上此為接觸面積42的即時測量。另請注意，通過控制施加到導電探針16的電壓，可控制汞滴20D的物理尺寸，從而控制其接觸面積42的尺寸。這是系統10的即時能力，並且這種即時能力可能由於若干原因而重要。首先，基於汞滴20D的基本上即時影像，系統允許系統使用者通過控制施加到導電探針16的電壓，來控制汞滴20D的接觸面積42。因此，在一個實例中，可使用大致相同的接觸面積42進行幾種材料特性的所有測量，從而可能導致更一致的測試結果。如果汞滴20D的初始影像顯示接觸面積42小於或大於接觸面積42的目標值，則可調整施加到導電探針16的電壓，以實現接觸面積42所需的尺寸變化。

另外，基於汞滴20D的基本上即時影像，可通過改變導電探針16的出口18與材料層的上表面14S間之物理距離，來控制汞滴20D的物理尺寸。如果汞滴20D的初始影像顯示接觸面積42小於或大於接觸面積42的目標值，則可調整導電探針16的出口18與材料層的上表面14S間之距離，以實現接觸面積42所需的尺寸變化。出口18與上表面14S間的期望間距可通過使用熟悉該技術領域人士已知的各種機械系統和裝置（未示出），物理上移動基板12或導電探針16之一或兩者來實現。在一個具體實例中，測量單元28可控制用於移動基板12和/或導電探針16之一或兩者之機械系統和裝置。在其他具體實例中，測量單元28可簡單將一或多個命令發送到單獨的控制器（未示出），其控制這樣的機械系統，以實現基板12和/或導電探針16的期望移動。

在一些具體實例中，可通過控制施加到導電探針16的電壓，以及通過改變導電探針16的出口18與材料層14的上表面14S間之的物理距離，來調整接觸面積42的尺寸。此外，使用本文所揭示系統和方法，將避免必須定期由外部供應商校準先前技術測量系統的接觸面積。

在確定接觸面積42之後，測量系統28通過電壓源30將所需電壓供應給導電探針16，然後確定材料層14的多種不同電氣特性中任一者，例如電容、介電常數、崩潰電壓、能障高度、漏電流、時間相依介電崩潰（TDDB）、摻雜濃度、介面電荷密度、表面電荷密度等。

如圖4所示，在所有測量都已採取之後，汞控制系統22在汞柱20後面施加負壓（如箭頭線36所示），以從材料層14的表面14S去除汞滴20D，即將汞拉回到導電探針16中。

如上所述，本文所揭示系統10可用於獲得材料堆疊的電氣特性即時測量。圖5描繪一個實例，其中堆疊包括三材料層50、52和54。圖6描繪一個實例，其中系統10可用於確定基板12的電氣特性。

本發明的部分和相應的詳細描述，以軟體或演算法和測量系統28、汞控制系統22和/或影像感測器26之一或多者或者可能是單機電腦的電腦記憶體之內資料位元的符號表示之形式來呈現。這些說明與代表為熟悉該技術領域人士用來將其工作內容灌輸給其他熟悉該技術領域人士的方式之一。演算法，正如這裡所使用的術語和一般使用的那樣，被認為是導致期望結果的自洽（self-consistent）步驟順序。這些步驟為所需的物理量之物理操縱。通常，雖然非必要，不過這些量採用可以儲存、傳輸、結合、比較以及操縱的光、電或磁性信號形式。­為了時間上方便起見，原則上因為常用，所以這些信號代表位元、數值、元件、符號、字元、詞彙、數字等。

除非特別說明，或從討論中顯而易見的，像是「處理」、「運算」、「計算」、「決定」或「顯示」等詞表示電腦系統或類似電子運算裝置的動作以及處理，其操縱以及轉換代表電腦系統暫存器以及記憶體內物理(電子)量的資料成為類似代表電腦系統記憶體、暫存器或其他這種資訊儲存、傳輸或顯示裝置內物理量的其他資料。­

上面公開的特定具體實例僅為例示性，因為本發明可以對受益於本文教導的熟悉該技術領域人士顯而易見之不同但等同的方式進行修改和實踐。例如，上面揭示的該處理步驟可用不同順序執行。更進一步，除了如以下申請專利範圍所述之外，本文所示的結構或設計細節不受任何限制。因此顯而易見的是，上述公開的特定具體實例可以改變或修改，並且所有這些變化都認定在本發明的範圍和精神內。­­請注意，使用諸如「第一」、「第二」、「第三」或「第四」的術語來描述本說明書和所附申請專利範圍中的許多處理或結構僅用作這些步驟/結構的簡寫參考，並不意味著這樣的步驟/結構以所列順序執行/形成。當然，根據確切的請求項語言，可能需要或可能不需要這種處理的所列順序。因此，本文尋求的保護如下面申請專利範圍所述。

10:系統 12:半導體基板 14,50,52,54:材料層 14S:上表面 16:固定架 16:導電探針 18:出口 20:汞柱 20D:汞滴 22:汞控制系統 24:管線 26:影像感測器 26A:成像軸線 28:測量系統 29:LCR單元 30:電壓源 42:接觸面積 44:半徑

參考以下說明並結合附圖就可了解本發明，其中相同參考符號代表相同元件，並且其中：

圖1至圖6描述用於測量材料電氣特性的系統及方法之各種新穎具體實例。圖式並未依照比例繪製。

本文所揭示主題可接受許多修改以及其他形式，其特定具體實例已藉由圖式內實例來顯示並在本文做詳細說明。不過應了解，本文對特定具體實例的詳細說明並非旨在將本發明限制在所揭示的特定形式，相反地，本發明旨在涵蓋如所附申請專利範圍定義之本發明的精神與範圍內的所有修改、等同以及替代。

10:系統

12:半導體基板

14:材料層

14S:上表面

16:固定架

16:導電探針

18:出口

20:汞柱

20D:汞滴

22:汞控制系統

24:管線

26:影像感測器

26A:成像軸線

28:測量系統

29:LCR單元

30:電壓源

Claims (20)

1. 一種系統，包含： 一導電探針，其適於容納一定量的汞，該導電探針包括具有一出口的一導電本體； 一汞控制系統，其適於供應汞給該導電探針； 一影像感測器，其適於獲得位於一材料表面上的一汞滴影像；以及 一測量系統，其適於接收該汞滴影像，並且根據該汞滴影像計算該汞滴與該材料表面間之一接觸面積。
2. 如請求項1之系統，其中該材料包括位於一半導體基板上方的至少一材料層，並且其中該表面為該至少一材料層的上表面。
3. 如請求項1之系統，其中該材料包括一半導體基板，並且其中該表面為該半導體基板的上表面。
4. 如請求項1之系統，其中該材料包括二氧化矽、氮化矽、高k材料、介電膜、金屬矽化物、聚合物膜、含金屬材料或半導體材料之一者。
5. 如請求項1之系統，其中該影像感測器包括一透鏡，該透鏡的成像軸線基本上平行於該材料表面定向。
6. 如請求項1之系統，其中該測量系統另適於使用至少已計算的該接觸面積計算電容、介電常數、崩潰電壓、能障高度、漏電流、時間相依介電崩潰（TDDB）、摻雜濃度、介面電荷密度或材料表面電荷密度之至少一者。
7. 如請求項1之系統，另包括一電壓源，其導電連結至該導電探針。
8. 如請求項1之系統，另包括一操作連結至該測量單元的LCR（電感(L)、電容(C)和電阻(R)）單元。
9. 一種系統，包含： 一半導體基板； 至少一材料層，其位於該半導體基板的上表面上方； 一導電探針，其適於容納一定量的汞，該導電探針包括具有一出口的一導電本體； 一汞控制系統，其適於供應汞給該導電探針並迫使該導電探針內一部分的汞離開該出口，從而形成位於該至少一材料層的上表面上之一汞滴； 一影像感測器，其適於獲得已定位的一汞滴影像；以及 一測量系統，其適於接收該汞滴影像，並且根據該汞滴影像計算該汞滴與該至少一材料層的上表面間之一接觸面積。
10. 如請求項9之系統，其中該影像感測器包括一透鏡，該透鏡的成像軸線基本上平行於該材料表面定向。
11. 如請求項9之系統，另包括一電壓源，其導電連結至該導電探針。
12. 如請求項9之系統，另包括一操作連結至該測量單元的LCR單元。
13. 一種方法，包括： 將一導電探針放置在一材料表面上方，該導電探針包括一定量的汞位於其中，並且其中該導電探針包括具有一出口的一導電本體； 迫使該導電探針內一部分的汞離開該出口，從而形成在該材料表面上的一汞滴； 獲得位於該材料表面的一汞滴影像；以及 根據該汞滴影像計算該汞滴與該材料表面間之一接觸面積。
14. 如請求項13之方法，其中該材料包括位於一半導體基板上方的至少一材料層，並且其中該表面為該至少一材料層的上表面；或其中該材料包括一半導體基板，並且其中該表面為該半導體基板的上表面。
15. 如請求項13之方法，其中獲得該汞滴影像包括獲得該汞滴的基本上即時影像，以提供反饋機制來調整或維持該接觸面積的尺寸。
16. 如請求項13之方法，其中獲得該汞滴影像包括定位一影像感測器，使得該影像感測器的透鏡之成像軸線基本上平行於該材料表面定向。
17. 如請求項13之方法，另包括使用至少已計算的該接觸面積計算電容、介電常數、崩潰電壓、能障高度、漏電流、時間相依介電崩潰（TDDB）、摻雜濃度、介面電荷密度或材料表面電荷密度之至少一者。
18. 如請求項13之方法，另包括根據該汞滴影像，將電壓供應給該導電探針。
19. 如請求項13之方法，另包括根據該汞滴影像，供應電壓給該導電探針，以改變該汞滴與該材料表面間的該接觸面積。
20. 如請求項13之方法，另包括根據該汞滴影像，改變該導電探針的該出口與該材料表面間的垂直間距，以改變該汞滴與該材料表面間的該接觸面積。

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