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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：<
/p>
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 diff
erence
）
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
vibratin
g
fork
控制，所以根据公式（
1
）可以得出
V
CPD
< br>。
J=
?
Q
?
t
=V
CPD
?
C
?
t
（
1
）
V
CPD
=
?
ms
(
功函数
)
+V
SB
（空间电荷区电势差）
+V<
/p>
D
（介质层电势差）（
2
）
Φ
ms
< br>是常数，那么当
CPD
发生变化时有公式（
3
）：
Δ
V
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
=Δ
V
ill
(
光照
)-
ΔV
dark<
/p>
（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
< br>）（
4
）有：
ΔV
OX
=ΔV
ill
（
5
）
得出
ΔV
OX
+Δ
V
SB
值之后，
ΔQ
< br>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
。
|
?
Q
C
|
?
|
?
Q
SC
|
?
|
?
Q
it
|
（
6
）
C
OX
=
?
Q
C
（
7
）
?
V
OX
Q
SC
=
?
2
?
s
kT
qL
D
?
n
0
?
F
?
V
< br>,
?
SB
p
?
?
（
8
）
0
?
?
?
?
?
V
SB
?
2
?
n
0
?
V
SB
< br>n
0
?
?
?
V
SB
?
1
?
e
?
?<
/p>
V
SB
?
1
?
（
9
）
F
?
?
V
SB
,
p
?
?
=
?
?
e
p
0
?
?
0
?
?
?
?
?
?
1<
/p>
D
it
?
1
?
Q
it
（
10
）
<
/p>
?
V
SB
其中<
/p>
，
徳拜长度
L
D
=
?
?
s
qp
0
?
?
2
，
?
?
q
kT
。
以下所有
SPV
的可动电荷、
C-V
和
I-V
等应用，<
/p>
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<
/p>
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
3
0
分钟即可做完
SPV
测试。
表
1
SPV
测试获得的各项参数
Parameters and maps
V
CPD
V
OX
V
SB
Q
SC
D
it
N
it
V
FB
V
MID
C
OX
T
OX
Q
EFF
SD
V
CPD
map(
～
6200
sites
）
L
BEF
map(
～
830
sites
）
L
AFT
map(
～
830
sites
）
F
e
map(
～
830
sites
）
N
r
map(
～
830
sites
）
N
a
map(
～
6200
sites
）
QLK
map(
～
6200
sites
）
Term
Average measurement
Ｃ
ontact
－
p
otential-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
C
ontact
－
potential-
difference
map
﹣
0.104V
0.526V
13.87×
10
10
q/cm
2
1.388×
10
10
/cm
2<
/p>
eV
0×
10
10
/cm
2
﹣
0.459V
0.029V
173.2nF
199.5A
49
.65×
10
10
q/cm
2
2.892×
10<
/p>
15
/cm
3
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×
10
10
/cm
3<
/p>
7.560×
10
10
/cm
3
< br>1.463×
10
10
/cm<
/p>
2
5.817MV/cm
241.8×
10
10
q
/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＞
300
μ
m
，
将会提供铁
离子的密度在
10
9
/cm
3[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。
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