非接触晶圆测试原理及应用 - 图文

非接触晶圆测试原理及应用

张林海 张俊 赖海波 无锡华润华晶微电子有限公司五分厂

摘 要：本文介绍非接触晶圆测试系统的原理和在半导体生产中的主要应用，包括以表面光电压测试（SPV）为基础的介质层可动电荷测试、C-V测试和I-V测试，体硅表面掺杂以及扩散长度、载流子寿命等应用。 关键词：非接触、电荷、SPV

Abstract：This paper introducing non-contact electrical measurement system produce a medium application in the semi-conductor, mainly include the test principle, Surface photo voltage，Mobile charge, C-V and I-V, at the same time still some applications aiming at other equipmentses and materials in the semi-conductor. Key word: non-contact charge SPV

一、 引言

随着非接触测量技术的快速发展，在晶圆制造厂已经能够有效的控制金属、缺陷衍生以及材料等，尤其是在扩散工艺过程中。多点或整片扫描测试结果的图片已经整合了表面电压、不同接触以及对整片表面连续洒电荷等的应用，完全能够替代昂贵的、缓慢的电学测试设备，已经逐步得到广泛的应用。 二、 非接触晶圆测试原理

图1 CPD测量示意图

Non-Contact C-V measurement非接触式C-V测量原理与MOS C-V测试相同，但非接触式不需要表面有金属。它通过在表面喷洒电荷来给表面施加偏置电压。表面偏置电压通过原片表面的高速非接触开尔文探头监控。该系统名称叫做SDI FAaST 230，可以测量氧化层总电荷、平带电压、界面陷阱电荷、介质层可动电荷[1]。

图2 MOS电容及电荷分布示意图

接触电势差（Contact potential difference）CPD的测量可以由图1所示，在两端加交流电J可测量，?C?t由vibrating fork控制，所以根据公式（1）可以得出VCPD。

J=?Q?t=VCPD?C?t （1）

VCPD=?ms(功函数) +VSB（空间电荷区电势差）+VD（介质层电势差）（2） Φms是常数，那么当CPD发生变化时有公式（3）：

ΔVCPD=ΔVOX+ΔVSB （3）

当用光照射圆片表面时ΔVOX=0，所以根据图2所示，可以得到：

ΔVSB=ΔVill(光照)-ΔVdark（无光照） （4）

当光照很强的时候，有VSB≈0，即处于平带，代入公式（3）（4）有：

ΔVOX=ΔVill （5）

得出ΔVOX+ΔVSB值之后，ΔQC是可测量的，根据下面公式就可以计算出ΔQSC 、Dit和COX 。

|?QC|?|?QSC|?|?Qit| （6）

COX=

?QC （7） ?VOXQSC=?2?skTqLD?n0?F?V,?SBp?? （8）

0?????VSB?2?n0?VSBn0???VSB?1?e??VSB?1? （9） F??VSB,p??=??ep0??0??????1Dit?1?Qit （10） ?VSB其中，徳拜长度LD=??sqp0??2，??qkT。

以下所有SPV的可动电荷、C-V和I-V等应用，都是根据以上测量手段及计算公式为依据[2]。

三、 非接触晶圆测试应用 1、SPV（表面光电压）

经过工艺加工的硅片进行SPV测试时，不需要做任何特殊的准备，通过使用者对测量所定义好的序列，可以自动的获得一系列的参数，要较传统的C-V测试明显获得更多的数据（如：可动电荷、固定电荷、缺陷态密度、表面掺杂以及载流子寿命）。在这种情况下，这些数据都会被上传到一个图表制成系统进行编辑。

这种程度的数据从来没有这么快速的得到过，随着氧化层生长完成，在列表内的所有参数可以在3小时内测得。电介体各项性质，如VFB 和Vit能自动的获得，不需要制定相应的样品等。扩散炉需要控制的一些参数，如扩散长度、铁离子分布、表面或者其他复合中心分布，可动电荷密度，以及包括830到大于6000个测量点形成的整个晶圆扫描图像在内的各项测试，每项10到30分钟即可做完SPV测试。

表1 SPV测试获得的各项参数

Parameters and maps VCPD VOX VSB QSC Dit Nit VFB VMID COX TOX QEFF SD VCPD map(～6200 sites） LBEF map(～830 sites） LAFT map(～830 sites） Fe map(～830 sites） Nr map(～830 sites） Na map(～6200 sites） QLK map(～6200 sites） Term Average measurement Ｃontact－potential-difference 0.421V voltage Oxide voltage Surface barrier voltage Charge in surface space-charge region Interface trap density Number of interface traps Flatband voltage Mid-band voltage Oxide capacitance Oxide thickness Effective charge Near-surface doping Contact－potential-difference map ﹣0.104V 0.526V 13.87×1010q/cm2 1.388×1010/cm2 eV 0×1010/cm2 ﹣0.459V 0.029V 173.2nF 199.5A 49.65×1010q/cm2 2.892×1015/cm3 0.339V Diffusion length prior to optical 418.1μm activation Diffusion length after optical activation Iron concentration map Other recombination centers map Sodium concentration map Charge leakage 416.6μm 0.076×1010/cm3 7.560×1010/cm3 1.463×1010/cm2 5.817MV/cm 241.8×1010q/cm BDF map(～6200 sites） Soft breakdown field SPV是对晶圆实现监控的最小要求，重要的观点是铁离子密度测试[3]，用于

挑选晶圆的材料特性和材料的掺杂水平。图3描述了铁离子界限与晶圆少数载流子扩散长度之间的关系。举个例子，初始的扩散长度分布＞300μm，将会提供铁离子的密度在109/cm3[4]。因为铁离子在硅中积累，这一关系也被用来建立晶圆质量监测或铁离子沾污控制。

对于晶圆测试另外需要考虑的是SPV取决于表面空间电荷与潜在的表面缺陷，而这又依赖与晶圆的掺杂水平，P型电阻率约为10Ω·cm的材料适合用于SPV测试。

图3：晶圆扫描测试能以初始扩散长度为基础选择铁离子界限，扩散长度图像能够显示无法接受的晶圆片。（例如：小的扩散长度的环可能是由a）硅中的氧或b）引入的铁离子造成。

我们对这些方法的使用，主要列举以下事例（如图4），这些事例都是通过

SPV的监测能够反映出半导体生产线上部分工序的异常以及存在的问题，从一定程度提升了在线的质量控制能力。

图4：生产线在线SPV监控结果

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7ygv.html