半導(dǎo)體電阻率測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣控制及數(shù)據(jù)傳輸部分軟件設(shè)計與開發(fā)

半導(dǎo)體電阻率測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣控制及數(shù)據(jù)傳輸部分軟件設(shè)計與開發(fā)

一直以來半導(dǎo)體硅片或其它均勻薄層電阻的電學(xué)性質(zhì)在半導(dǎo)體器件產(chǎn)品中扮演重要角色，因為它直接影響晶片成品率以及影響器件特性和性能[1]。目前隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)進入了300cm/90nm的生產(chǎn)階段[2]，對晶體的完美性、電學(xué)特性提出更為嚴格的要求，特別是微區(qū)的電特性及其均勻性更是引起人們的關(guān)注。

在本論文中我們借鑒EIT的測試方法，采用等位線反投影法來計算微區(qū)電阻率。當(dāng)前利用等電位線反投影算法重建EIT圖像,具有重建速度快、能進行實時處理等特點,該方法是目前唯一應(yīng)用于臨床的重建算法。所以我們也采用該方法。在這一算法模型中,等電位線之間的電壓采用線性插值來逼近,兩條等電勢線可以將電阻抗元素分開，從而快速得到微區(qū)電阻率的分布。由于該方法是在硅片邊緣等間隔安放電極，不需要與硅片有大面積的接觸，避免了整個硅片被劃傷，破壞其完整性，故將該方法歸結(jié)為無接觸測試。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問題

目前在國內(nèi)中科院微電子中心、上海飛利浦半導(dǎo)體公司、上海測試技術(shù)研究所以及中美合資貝岺公司都開展了這方面的工作，并在利用探針分析檢測整個芯片表面薄層電阻均勻性，判斷離子注入片和注入工藝中存在的問題，顯示退火工藝中存在的問題，尋找外延生長最佳工藝條件，控制濺射鋁層質(zhì)量，以及及時準(zhǔn)確區(qū)分不同問題，為工藝和版圖改進提供依據(jù)方面取得較好的效果[3]。但是上述一些企業(yè)都采用的進口設(shè)備，不僅費用昂貴，而且探針磨損快，從國外進口的探針需幾千美元，成為應(yīng)用這項技術(shù)的攔路虎。芯片內(nèi)部探測技術(shù)今后會得到重視并在新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品質(zhì)量、成品率提高的工作中發(fā)揮更大的作用。

國外對芯片內(nèi)部的測試分析，常采用如分析探針臺、激光切割等設(shè)備，但價格十分昂貴，且性能較單一，測試精度不高。盡管目前CAD技術(shù)使設(shè)計技術(shù)日益完善，但不能保證一次設(shè)計達到百分百滿意，改進原設(shè)計的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來自對芯片的測試判斷[4]。鑒于國內(nèi)外對微區(qū)薄層電阻測試及芯片內(nèi)部探測儀器的需求，考慮到我國的基本國情，自行開發(fā)研制一種即可進行微區(qū)薄層電阻測試又可進行芯片內(nèi)部探測分析且測試精度較高的探針測試分析系統(tǒng)勢在必行。

1.3研究思路

目前半導(dǎo)體電阻率的測量可以采用三探針法、四探針法[5]和擴展電阻方法等，四探針法是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的測量半導(dǎo)體器件薄層電阻率的方法[6]。但四探針法也存在難以克服的缺點：1）耗時．因為測量的點數(shù)直接制約著測量的時間；

2）污染硅片．因為四探針技術(shù)為接觸測量，并且需要在整個硅片上取點，這就必然造成在測量時整個硅片被劃傷，破壞了硅片的完整性；

3）四探針對每個點的接觸質(zhì)量非常敏感，任何小的波動都會造成偏差．所以以上弊端直接制約著四探針的應(yīng)用前景.

針對四探針法的諸多缺點，我們開始研究新的電導(dǎo)率測量方法，將電阻抗成像引入到半導(dǎo)體測試中來。電阻抗斷層成像(ElectricalImpedancetomography,EIT)技術(shù)[7]是醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的一個新方向，它屬于功能成像,具有無損傷性、成本低廉、操作方便等優(yōu)點。

1.4研究內(nèi)容

1.1總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要包括：多路開關(guān)、恒流源、AD轉(zhuǎn)換、單片機控制等。系統(tǒng)工作過程為：單片機控制恒流源產(chǎn)生恒定電流，隨后單片機控制多路開關(guān)選擇電流注入和流出通道。電流穩(wěn)定后，單片機控制多路開關(guān)選擇電壓測量通道，啟動AD轉(zhuǎn)換并與ADC通信采集電壓值。經(jīng)過多輪電流注入與電壓的采集后，單片機將數(shù)據(jù)通過RS232總線傳給上位計算機，在計算機內(nèi)對數(shù)據(jù)進行后處理，實現(xiàn)圖像重建。

1.2多路選擇開關(guān)

為保證測量精度，我們采用32電極測量[9]。測量時每次需要選擇一對探針作為電流的輸入輸出通道，然后測量所有相鄰兩探針的電壓差。此部分設(shè)計需要考慮的主要因素：通道切換靈活、導(dǎo)通電阻小、通道間串?dāng)_小。我們選擇8片MAX306作為通道模擬開關(guān)。MAX306是MAXIM公司生產(chǎn)的CMOS十六通道線性模擬多路開關(guān)。它的導(dǎo)通電阻小于100，通道間的電阻匹配誤差小于5，開關(guān)時間小于400ns，通道間串?dāng)_小于－92dB，導(dǎo)通時對地泄漏電流小于25nA，導(dǎo)通時的對地等效電容小于140pF[10]，性能能夠滿足設(shè)計要求。

我們將8片MAX306分成兩組分別對應(yīng)電流通道和電壓通道，單片機控制輸出5位地址信號，使用4片鎖存器74LS373進行鎖存。

1.3壓控恒流源的設(shè)計

測量過程需要注入恒定電流，因此恒流源的設(shè)計是本系統(tǒng)的一個關(guān)鍵。為使恒流源電流可調(diào)，我們采用壓控恒流源方式。壓控恒流源由DA轉(zhuǎn)換電路和VI轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。DA轉(zhuǎn)換部分我們選用TLC5618芯片，該芯片是美國TexasInstruments公司生產(chǎn)的帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的可編程雙路12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器[11]，采用單電源工作，具有3線串行接口，低功耗（慢速方式為3mW，快速方式為8mW），1.21MHz輸入數(shù)據(jù)更新速率，高阻抗基準(zhǔn)輸入。

TLC5618使用由運放緩沖的電阻網(wǎng)絡(luò)把12位數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓電平，其輸出極性與基準(zhǔn)電壓輸入相同。輸出電壓范圍是參考電壓的2倍，當(dāng)VREFIN＝2.5V時，輸出的電壓范圍是0～5V。輸出電壓由下式給出：Vout＝2（VREFIN）CODE/4096。

AD620和另一個運算放大器（如AD705）以及兩個電阻（R1和RG）構(gòu)成一個精確恒流源，另一個運放起到緩沖參考引腳電壓的作用以保證好的CMR(共模抑制)[12]。AD620的輸出電壓VX出現(xiàn)在R1的兩端，R1將電壓轉(zhuǎn)換成電流IL。這個電流只有很少流入運算放大器，其余流出至負載。恒流IL的公式：。其中G是AD620的增益，AD620的增益是通過連接在1、8引腳間的電阻來控制的，計算公式:，當(dāng)RG的兩引腳斷路時（），G=1。

1.4電壓數(shù)據(jù)采集電路

A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能直接影響整個系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過比較，我選用美國ADI公司的采用和差轉(zhuǎn)換技術(shù)[13]（Σ-Δ）AD轉(zhuǎn)換器AD7715。Σ-Δ也稱為增量調(diào)制型轉(zhuǎn)換技術(shù)，和普通的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理不同，它本身就采用了數(shù)字技術(shù)，因此它具備數(shù)字系統(tǒng)所普遍具備的高可靠性、高穩(wěn)定性的優(yōu)點。

AD7715具有如下參數(shù)：16位無誤碼輸出，0.0015%非線性度，可直接測量微小信號；三線制串行接口；前段增益可編程為1、2、32、128；內(nèi)設(shè)自校準(zhǔn)電路[14]，可有效去除零點漂移和增益誤差；內(nèi)設(shè)模擬輸入緩沖器，可直接對高阻信號進行轉(zhuǎn)換；帶輸出速率可編程的低通濾波器，可根據(jù)需要選用不同轉(zhuǎn)換速率。

1.5采集系統(tǒng)與上位機通信電路

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以51單片機為核心，將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232串行異步通信傳送給上位機。使用芯片MAX232實現(xiàn)RS232與TTL電平間的相互轉(zhuǎn)換。

2Keil工程文件的建立、設(shè)置與目標(biāo)文件的獲得

本課題采用了KEILuVISION2軟件作為開發(fā)環(huán)境。KEILuVISION2是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的MCS51架構(gòu)的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持，PLM，匯編C語言的程序設(shè)計，它的界面和常用的微軟VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。

2.1Keil工程的建立

首先啟動Keil軟件的集成開發(fā)環(huán)境，程序窗口的左邊有一個工程管理窗口，該窗口有3個標(biāo)簽，分別是Files、Regs、和Books這三個標(biāo)簽頁分別顯示當(dāng)前項目的文件結(jié)構(gòu)、CPU的寄存器及部份特殊功能寄存器的值（調(diào)試時才出現(xiàn)）和所選CPU的附加說明文件，如果是第一次啟動Keil，那么這三個標(biāo)簽頁全是空的。

2.2源文件的建立

使用菜單“File->New”或者點擊工具欄的新建文件按鈕，即可在項目窗口的右側(cè)打開一個新的文本編緝窗口。

2.3建立工程文件

在項目開發(fā)中，并不是僅有一個源程序就行了，還要為這個項目選擇CPU（Keil支持數(shù)百種CPU，而這些CPU的特性并不完全相同），確定編譯、匯編、連接的參數(shù)，指定調(diào)試的方式，有一些項目還會有多個文件組成等.

圖1選擇目標(biāo)CPU

點擊“Project->NewProject…”菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立的工程起一個名字，你可以在編緝框中輸入一個名字（設(shè)為exam1），不需要擴展名。點擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個對話框，如圖1。

2.4工程的詳細設(shè)置

工程建立好以后，還要對工程進行進一步的設(shè)置，以滿足要求。首先點擊左邊Project窗口的Target1，然后使用菜單“Project->Optionfortarget‘target1’”即出現(xiàn)對工程設(shè)置的對話框，這個對話框可謂非常復(fù)雜，共有8個頁面，要全部搞清可不容易，好在絕大部份設(shè)置項取默認值就行了。

圖2對目標(biāo)進行設(shè)置

設(shè)置對話框中的Target頁面，如圖2所示，Xtal后面的數(shù)值是晶振頻率值，默認值是所選目標(biāo)CPU的最高可用頻率值，對于我們所選的AT89C51而言是24M，該數(shù)值與最終產(chǎn)生的目標(biāo)代碼無關(guān)，僅用于軟件模擬調(diào)試時顯示程序執(zhí)行時間。正確設(shè)置該數(shù)值可使顯示時間與實際所用時間一致，一般將其設(shè)置成與你的硬件所用晶振頻率相同，如果沒必要了解程序執(zhí)行的時間，也可以不設(shè)，這里設(shè)置為12。MemoryModel用于設(shè)置RAM使用情況，有三個選擇項，Small是所有變量都在單片機的內(nèi)部RAM中；Compact是可以使用一頁外部擴展RAM，而Larget則是可以使用全部外部的擴展RAM。CodeModel用于設(shè)置ROM空間的使用，同樣也有三個選擇項，即Small模式，只用低于2K的程序空間；Compact模式，單個函數(shù)的代碼量不能超過2K，整個程序可以使用64K程序空間；Larget模式，可用全部64K空間。Useon-chipROM選擇項，確認是否僅使用片內(nèi)ROM（注意：選中該項并不會影響最終生成的目標(biāo)代碼量）；Operating項是操作系統(tǒng)選擇，Keil提供了兩種操作系統(tǒng)：Rtxtiny和Rtxfull，關(guān)于操作系統(tǒng)是另外一個很大的話題了，通常我們不使用任何操作系統(tǒng)，即使用該項的默認值：None（不使用任何操作系統(tǒng)）；OffChipCodememory用以確定系統(tǒng)擴展ROM的地址范圍，OffChipxDatamemory組用于確定系統(tǒng)擴展RAM的地址范圍，這些選擇項必須根據(jù)所用硬件來決定，由于該例是單片應(yīng)用，未進行任何擴展，所以均不重新選擇，按默認值設(shè)置。

設(shè)置對話框中的OutPut頁面，如圖所示，這里面也有多個選擇項，其中CreatHexfile用于生成可執(zhí)行代碼文件（可以用編程器寫入單片機芯片的HEX格式文件，文件的擴展名為.HEX），默認情況下該項未被選中，如果要寫片做硬件實驗，就必須選中該項，這一點是初學(xué)者易疏忽的，在此特別提醒注意。選中Debuginformation將會產(chǎn)生調(diào)試信息，這些信息用于調(diào)試，如果需要對程序進行調(diào)試，應(yīng)當(dāng)選中該項。Browseinformation是產(chǎn)生瀏覽信息，該信息可以用菜單view->Browse來查看，這里取默認值。按鈕“SelectFolderforobjects”是用來選擇最終的目標(biāo)文件所在的文件夾，默認是與工程文件在同一個文件夾中。NameofExecutable用于指定最終生成的目標(biāo)文件的名字，默認與工程的名字相同，這兩項一般不需要更改。

工程設(shè)置對話框中的其它各頁面與C51編譯選項、A51的匯編選項、BL51連接器的連接選項等用法有關(guān)，這里均取默認值，不作任何修改。

2.5編譯、連接

圖3有關(guān)編譯、連接、項目設(shè)置的工具條

在設(shè)置好工程后，即可進行編譯、連接。選擇菜單Project->Buildtarget，對當(dāng)前工程進行連接，如果當(dāng)前文件已修改，軟件會先對該文件進行編譯，然后再連接以產(chǎn)生目標(biāo)代碼；如果選擇RebuildAlltargetfiles將會對當(dāng)前工程中的所有文件重新進行編譯然后再連接，確保最終生產(chǎn)的目標(biāo)代碼是最新的，