非接触晶圆测试原理及应用

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，t C ∆∆由vibrating fork 控制，所以根据公式（1）可以得出V CPD 。 J=t Q ∆∆=V CPD t C ∆∆ （1）

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

ΔV CPD =ΔV OX +ΔV SB （3）

当用光照射圆片表面时ΔV OX =0，所以根据图2所示，可以得到：

ΔV SB =ΔV ill (光照)-ΔV dark （无光照） （4）

当光照很强的时候，有V SB ≈0，即处于平带，代入公式（3）（4）有：

ΔV OX =ΔV ill （5）

得出ΔV OX +ΔV SB 值之后，ΔQ C 是可测量的，根据下面公式就可以计算出ΔQ SC 、D it 和C OX 。

||||||it SC C Q Q Q ∆+∆=∆ （6）

C OX =OX

C V Q ∆∆ （7） Q SC =⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛±00,2p n V F qL kT

SB D s ε （8）

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00,p n V F SB =()()21

0011⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+-+±-SB V SB V V e p n V e SB SB ββββ （9） SB it V Q ∆∆=

it D （10） 其中，徳拜长度L D =[]210βεqp s ，kT q =β。

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V FB 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。