TW202309527A - 一種用於測量高電阻測試樣本之方法 - Google Patents
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Abstract
為了使用一微觀多點探針測量一高電阻層之電阻面積乘積，該高電阻層夾在兩個導電層之間。複數個電極組態/位置用於執行三個電壓或電阻測量。一等效電路模型/三層模型用於確定該電阻面積乘積為該等三個測量之一函數。
Description
本發明關於測量/確定一多層測試樣本(如一半導體晶圓)之一電性能，諸如電阻面積乘積。具體而言，本發明包含測量/確定具有一高電阻(即，一不良導體)之一層之電阻面積乘積。
期望使用一微觀多點探針執行電性能測量。此係具有複數個接觸探針之一探針，用於接觸測試樣本，使得可將一電流注入測試樣本中，且接觸探針之間的一節距在微米範圍內。然而，在接觸探針與高電阻層之間建立一電連接可為困難的。亦不可能使用一宏觀探針，因為探針接觸點太大或可損壞樣本。
眾所周知，使用微觀多點探針測量穿隧接面，且藉由一等效電路模型確定穿隧接面之電特性，諸如US6927569。然而，此一測試樣本為一三層測試樣本。因此，其不係具有一底部導電層及一頂部絕緣/高電阻層之一測試樣本。此外，一穿隧接面測試樣本不係具有一高電阻層之一測試樣本，因為在穿隧障壁中沒有電子之歐姆傳輸。
為了實現使用一微觀多點探針測量一測試樣本之一高電阻層之該電阻面積乘積之該目的，在該高電阻層頂部上之測試樣本中添加一導電頂層，使得測試樣本具有包括夾在一頂部與底部導電層之間的該高電阻層之一三層結構。該電阻面積乘積使用一等效電路模型確定，該模型具有該注入電流值及測量電壓或電阻值作為輸入。
本發明之一第一態樣係一種用於確定一多層測試樣本之一電特性(諸如該電阻面積乘積)之方法。該多層測試樣本具有：一底層，其構成一第一導電或半導體層(例如，一晶圓基板)；一介面層；及一頂層，其構成該第二導電或半導體層。該介面層安置於該底層與該頂層之間，且具有比該底層及該頂層更小之一電導率，且具有一厚度使得該介面層實質上構成一歐姆導體，且藉由量子穿隧穿過該介面層之電子傳輸係忽略不計的(例如，電子穿過該介面層之該總傳輸不到1%)。穿過該介面層之此電子傳輸由測量雜訊遮罩。該方法包含提供該測試樣本，提供一種微觀多點探針，該探針具有一組用於接觸該頂層之接觸探針，將該頂層與該組接觸探針接觸，且測量複數個接觸探針間隔中之各者之複數個電壓或電阻。各電阻或電壓測量使用一對接觸探針。提供一種用於確定該介面層之該電阻面積乘積之一模型。該模型接收該複數個電壓或電阻作為輸入，且返回該電阻面積乘積作為輸出。藉由該模型確定該電阻面積乘積。
若尚未提供該頂層，則可藉由將其沈積於該介面層/高電阻層之頂部上來提供該頂層，使得該微觀多點探針可降落在該頂部導電層上，且可建立一電接觸。該頂層可為一金屬或一半導體層。該頂層亦可稱為一頂部電極。
例如，該介面層/高電阻層可為該晶圓頂部之一氧化物層或諸如高k、銦鎵鋅氧化物(IGZO)或一相變材料(PCM)之材料。其他材料係可能的。
對於一歐姆導體，穿過其之該電流與穿過其之該電壓成正比(即遵循歐姆定律)。一穿隧障壁不係一歐姆導體。然而，不能排除藉由量子力學穿隧之電子傳輸，但是藉由量子力學穿隧之電子傳輸對於要測量之該等材料而言將忽略不計，此意味著其將非常小，以至於測量雜訊會增加其。因此，不可測量，因為該測量中之一訊雜比太低。
一接觸探針亦稱為一接腳/電極。該接觸探針可使各探針尖端/探針端部沿在各尖端之間具有相等間隔/節距之一線定位(例如，一共線等距探針)。
具體而言，可使用三個不同接腳/接觸探針組態。例如，對於該第一次電流注入/測量，可使用該等兩個最外面接腳注入該電流，且可使用該等兩個最裡面接腳用於電壓測量。
對於該第二次電流注入，可使用該等兩個左外接腳注入該電流，且可使用該等兩個右外接腳測量該電壓。
對於該第三次電流注入，可使用該最外面接腳與該中心接腳以注入該電流(即，在兩者之間具有一電壓接腳)。
為了使該三次測量在數學上獨立，可使用至少具有五個接腳之一探針。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2021年11月10日申請歐洲專利申請號21207513.9號及2021年5月24日申請美國申請號63/192102號之優先權，該等案之揭示內容以引用方式併入本文中。
下面將藉由實例更詳細地解釋本發明。然而，本發明可依不同於以下描述之形式體現，且不應被解釋為限於本文闡述之任何實例。相反，提供任何實例使得本發明將係徹底及完整的，且將向習知技術者充分傳達本發明之範疇。
圖1展示具有三層之一晶圓10。可為鎢之一頂層12沈積在作為待測量層之介面層14上。一晶圓基板16構成底層。
一般而言，頂層12應為易於接觸之金屬材料，諸如Ru、W或TiN。頂層12之片電阻可比底層或一底部電極之片電阻大三倍。此片電阻可提供所需之測量結果。
底層可為晶圓基板16或晶圓基板16頂部之一層。底層可由Ru、W、TiN或摻雜Si製成。
介面層14可具有大於1000 ohm*um^2之一電阻面積乘積。例如，介面層14之電阻面積乘積可大於10 megaohm*um^2、100 megaohm*um^2或1000 megaohm*um^2。
為了提供所需之測量結果，介面層14可具有大於2 nm之一厚度，且一電導率可比底層或頂層12之一電導率小10倍。其他電阻面積乘積、厚度及電導率係可能的。此等僅係實例。
在此材料堆上之一常規微觀四點測量提供一片電阻，在一三層模型中，該片電阻係頂層及底層之片電阻與介面層之電阻面積乘積(RA)之一組合。此等參數定義傳輸長度(指定為L或λ)，此係樣本中用於電流傳輸之一特徵橫向長度標度。
取決於探針節距與L之比率，四點探針測量之結果可實質上差異大。通常，小探針節距主要探測頂層，且大探針節距主要探測頂層及底層之平行電阻。
需要在λ周圍之一探針節距之一範圍內進行測量，以確定所有三層之特性。
在一實施例中，L之值範圍在100 um到300 um (微米)之間。若堆疊之頂層或底層具有比另一層高若干倍(例如＞5)之一電阻，則具有一1000 um節距之一測量對高電阻層之靈敏度較低。此外，此一測量對高電阻介面層之靈敏度亦較低。因此，除非所有層具有類似電阻，否則此等測量在監測多層堆疊中之過程變動時可為不可靠的。
圖2a至圖2c展示探針之電流及電壓接腳之三個不同組態。此處僅展示四個接腳。一電壓表展示為一單圈電路符號，且一電流源展示為一雙圈電路符號。個接觸探針/接腳展示為一矩形箭頭電路符號。雖然展示四個探針/接腳，但更多或更少探針/接腳係可能的。在一實例中，使用超過四個探針/接腳。
探針可在相鄰接觸探針之間具有至少4 um之一距離，儘管其他尺寸係可能的。在一實例中，探針具有在一兩個最外部接觸探針之間小於3 mm之一距離。
在下文中，假設介面層中沒有面內電流，此相當於具有一高電阻且與頂層及底層相比薄之介面層。底層之導電性應比介面層之導電性好100倍以上，以保持且能夠使用下文給出之模型。
當一探針接合在多層樣本上時，其將測量底層(Rb)及頂層(Rt)之電阻及介面電阻面積乘積(RA=rho*t)之一組合，其中rho及t分別係介面層之電阻及厚度。
在一實例中，接觸探針可落在導電或半導體層上，或落在連接至導電或半導體層之一接觸墊上。導電或半導體層可在頂層12中。
對於一共線等距探針(即所有電極在一條線上且具有一相等間隔之一探針)，在一A、B及C組態中測得之電阻由以下模型定義。
R
A係使用圖2a所展示之組態中之探針測量之電阻。R
B係在圖2b所展示之組態中使用探針測量之電阻。R
C係使用圖2c所展示之組態中之探針測量之電阻。
電阻面積乘積與片電阻之關係如下。
接著，可對模型進行數值求解以獲得介面層之電阻面積乘積(RA)。因此，將介面層之電阻面積乘積確定為電阻測量之一函數。替代地，可輸入注入電流及測量電壓之值，而非輸入測量之電阻，因為電阻係電壓除以電流。
在一實施例中，藉由該接觸探針組之一第一對接觸探針將一第一電流注入該測試樣本。一第二電流藉由該接觸探針組之一第二對接觸探針注入該測試樣本。一第三電流藉由該接觸探針組之一第三對接觸探針注入該測試樣本。第一對接觸探針、第二對接觸探針及第三對接觸探針之間具有一段距離。此等距離可為相同的，或不同的，取決於組成該對之探針。
一控制器可耦合至探針且與探針電子通信。控制器通常包括一可程式化處理器，該可程式化處理器在軟體及/或韌體中經程式化以執行本文描述之功能，及用於連接至系統之其他元件之適當數位及/或類比介面。另外或替代地，控制器包括硬接線及/或可程式化硬體邏輯電路，其執行控制器之至少一些功能。在實踐中，控制器可包括多個互連之控制單元，具有用於接收及輸出本文描述之信號之適當介面。用於控制器以實施本文揭示之各種方法及功能之程式碼或指令可儲存在可讀儲存媒體中，諸如控制器中之記憶體或其他記憶體。
儘管已針對一個或多個特定實施例描述本發明，但應暸解，可在不背離本發明之範疇之情況下製作本發明之其他實施例。因此，本發明被認為僅受隨附申請專利範圍及其合理解釋之限制。
10:晶圓
12:頂層
14:介面層
16:晶圓基板
為了更充分地理解本發明之性質及目的，應參考以下結合附圖之詳細描述，其中：
圖1展示具有三層之一例示性晶圓；及
圖2a至圖2c展示探針之電流及電壓接腳之組態。
Claims (15)
- 一種用於確定一多層測試樣本之一電性能之方法，其包括： 提供該多層測試樣本，其中該多層測試樣本包含： 一底層，其構成一第一導電或半導體層； 一介面層； 一頂層，其構成一第二導電或半導體層，其中該介面層安置於該底層與該頂層之間，其中該介面層具有比該底層及該頂層更小之一電導率；且其中該介面層具有一厚度使得該介面層實質上構成一歐姆導體，且使得與穿過該介面層之電子總傳輸相比，藉由量子穿隧穿過該介面層之電子傳輸可忽略不計； 提供一微觀多點探針，該微觀多點探針具有用於接觸該頂層之一接觸探針組； 將該頂層與該接觸探針組接觸； 測量接觸探針之複數個間隔之各者之複數個電壓或電阻，其中一對接觸探針用於各電阻或電壓測量； 提供用於確定該介面層之一電阻面積乘積之一模型，其中該模型接收該複數個電壓或電阻作為輸入，且返回該電阻面積乘積作為輸出；及 藉由該模型確定該電阻面積乘積。
- 如請求項1之方法，其中藉由量子穿隧穿過該介面層之該電子傳輸由測量雜訊遮罩。
- 如請求項1之方法，其中藉由量子穿隧穿過該介面層之該電子傳輸小於穿過該介面層之該電子總傳輸之1%。
- 如請求項1之方法，其進一步包括： 使用該接觸探針組之一第一對接觸探針將一第一電流注入到該測試樣本，該第一對接觸探針之間具有一第一距離； 使用該接觸探針組之一第二對接觸探針將一第二電流注入到該測試樣本，該第二對接觸探針之間具有一第二距離；及 使用該接觸探針組之一第三對接觸探針將一第三電流注入到該測試樣本，該第三對接觸探針之間具有一第三距離。
- 如請求項1之方法，其進一步包括將該接觸探針組降落在該第二導電或半導體層上，或降落在連接至該第二導電或半導體層之一接觸墊上。
- 如請求項1之方法，其中該接觸探針組包括四個以上之接觸探針。
- 如請求項1之方法，其中該第一導電或半導體層構成一晶圓基板。
- 如請求項1之方法，其中該底層中之該半導體層係一晶圓基板。
- 如請求項1之方法，其中該介面層具有大於1000 ohm*um^2之一電阻面積乘積。
- 如請求項9之方法，其中該電阻面積乘積大於10 megaohm * um^2。
- 如請求項1之方法，其中該微觀多點探針在相鄰接觸探針之間具有至少為4 um之一距離。
- 如請求項11之方法，其中該微觀多點探針在該等接觸探針之一兩個最外部之間具有小於3 mm之一距離。
- 如請求項1之方法，其中該介面層具有大於2 nm之一厚度。
- 如請求項1之方法，其中該介面層具有比該底層或該頂層之一電導率小10倍之一電導率。
- 如請求項1之方法，其中該模型構成該第一導電或半導體層、該介面層及該第二導電或半導體層之一電等效電路。
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