半導(dǎo)體晶片電阻率及半導(dǎo)體薄膜薄層電阻的測試 非接觸渦流法

1半導(dǎo)體晶片電阻率及半導(dǎo)體薄膜層電阻的測試非接觸渦流法本文件規(guī)定了用非接觸渦流法測試硅單晶、非本征導(dǎo)電的砷化鎵、低阻碳化硅單晶、氮化鎵單晶等半導(dǎo)體襯底材料的電阻率或在電阻率較高的襯底上制備硅或砷化鎵薄膜薄層中的方塊電阻的方法。本文件適用于測量直徑或邊長大于25mm、厚度為0.1mm～1mm的單晶片，其中可測試的單晶電阻率范圍為1×10-3Ω·cm～1.0×103Ω·cm，薄膜薄層電阻測試范圍為2×103Ω/□~3.0×103Ω/□。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T14264半導(dǎo)體材料術(shù)語GB/T25915.1潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境第1部分：空氣潔凈度等級(jí)3術(shù)語和定義GB/T14264界定的術(shù)語和定義適用于本文件。4試驗(yàn)條件環(huán)境溫度為23℃±3℃,相對(duì)濕度不大于70%，測量環(huán)境應(yīng)有電磁屏蔽，電源應(yīng)有濾波，環(huán)境區(qū)域應(yīng)符合GB/T25915.1中定義的7級(jí)潔凈室要求。5干擾因素5.1如果晶片表面被沾污或表面有損傷，會(huì)造成測試結(jié)果誤差。5.2如果測試環(huán)境的溫度、濕度和光照強(qiáng)度的不同會(huì)影響測試結(jié)果。5.3如果測試設(shè)備附近有高頻電源，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加載電流引起電阻率值誤差，所以必須提供屏蔽保護(hù)和電源濾波裝置。5.4渦流法和四探針測試法不同。渦流法必須把晶片放在有效區(qū)域內(nèi)（即被整個(gè)探頭覆蓋）。5.5如果測量時(shí)間大于1s，渦流在晶片上造成升溫。6原理2將晶片試樣平插入一對(duì)共軸渦流探頭（傳感器）之間的固定間隙內(nèi)，與振蕩回路相連接的兩個(gè)渦流探頭之間的交變磁場在晶片上感應(yīng)產(chǎn)生渦流，則激勵(lì)電流值的變化是晶片電導(dǎo)的函數(shù)。通過測量激勵(lì)電流的變化即可測得試樣的電導(dǎo)。當(dāng)試樣厚度已知時(shí)，便可計(jì)算出試樣的電阻率，見公式1。R===...........................................................................................(1)式中：ρ——試樣的電阻率，單位為歐姆厘米(Ω·cmG——試樣的薄層電導(dǎo)，單位為西門子(S)；R——試樣的薄層電阻，單位為方塊電阻歐姆(Ω/□);t——試樣中心的厚度（測薄膜時(shí)厚度取0.0508cm單位為厘米（cmδ——電導(dǎo)率，單位為西門子每厘米（S/cm）。7儀器設(shè)備7.1電學(xué)測量裝置7.1.1渦流傳感器組件由可供半導(dǎo)體晶片插入的具有固定間隙的一對(duì)共軸線探頭、放置晶片的支架（需保證晶片與探頭軸線垂直）、晶片對(duì)中裝置及激勵(lì)探頭的高頻振蕩器等組成。選擇一個(gè)能穿透5倍晶片或薄膜厚度能力的高頻振蕩器，該傳感器可提供與晶片電導(dǎo)成正比的輸出信號(hào)。渦流傳感器組件的結(jié)構(gòu)見圖1。圖1渦流傳感器組件示意圖7.1.2信號(hào)處理器用模擬電路或數(shù)字電路進(jìn)行電學(xué)轉(zhuǎn)換，把薄層電導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成薄層電阻值。當(dāng)被測試樣為晶片時(shí)，通過晶片的厚度再轉(zhuǎn)換為電阻率。處理器應(yīng)具有顯示薄層電阻或電阻率的功能。當(dāng)試樣未插入時(shí)應(yīng)具有電導(dǎo)清零的功能和具有用已知校準(zhǔn)樣片去校準(zhǔn)儀器的功能。7.2標(biāo)準(zhǔn)片和參考片7.2.1標(biāo)準(zhǔn)片電阻率標(biāo)準(zhǔn)片的標(biāo)稱值分別為0.01Ω·cm、0.1Ω·cm、1Ω·cm、10Ω·cm、25Ω·cm、100Ω·cm、500Ω·cm和1000Ω·cm。選擇合適的電阻率標(biāo)準(zhǔn)片用于校準(zhǔn)測量設(shè)備，并需定期檢定。電阻率標(biāo)準(zhǔn)片與待測片的厚度偏差應(yīng)小于25%。37.2.2參考片用于檢查測量儀器的線性。參考片電阻率的值與表1指定值之偏差應(yīng)小于25%。其厚度與晶片試樣的厚度偏差應(yīng)小于25%。表1檢查儀器線性的參考片的電阻率值37.2.3標(biāo)準(zhǔn)片和參考片的其他要求標(biāo)準(zhǔn)片和參考片至少應(yīng)各有5片，標(biāo)準(zhǔn)片數(shù)值范圍應(yīng)跨越儀器的全量程。7.3測厚儀與溫度計(jì)非接觸式碳化硅片厚度測量儀或其它測厚裝置。溫度計(jì)，最小分辨力為0.1°C。8樣品8.1樣品為硅單晶、非本征導(dǎo)電的砷化鎵及低阻碳化硅單晶材料或在電阻率較高的襯底上制備硅或砷化鎵薄膜薄層。8.2樣品可以為P型或N型，可以是圓形或其他形狀，樣品表面應(yīng)無裂紋、孔隙或其他結(jié)構(gòu)不連續(xù)8.3樣品邊長或直徑不小于25mm，厚度為(0.1~1.0)mm。9試驗(yàn)步驟9.1儀器的校準(zhǔn)儀器應(yīng)按照以下要求進(jìn)行校準(zhǔn)：a)測量環(huán)境溫度T，溫度為（23±3）°C，溫度精確到±0.1℃。b)輸入一片電阻率標(biāo)準(zhǔn)片的厚度值。c)按公式（2）將電阻率標(biāo)準(zhǔn)片23°C時(shí)的標(biāo)定值ρ(23)換算成溫度T時(shí)的電阻率值ρ(T)。ρ(T)=ρ(23)［1+CT(T-23)］………（2）式中：T——環(huán)境溫度，單位為攝氏度(°C)；4CT——硅單晶電阻率溫度系數(shù)，單位為每攝氏度(/°C)，具體溫度系數(shù)見附錄A；ρ(23)——23°C時(shí)的電阻率，單位為歐姆厘米（Ω·cmρ(T)——環(huán)境溫度T時(shí)的電阻率，單位為歐姆厘米（Ω·cm）。d)將標(biāo)準(zhǔn)片正面向上放在支架上，插入上下兩探頭之間。硅片中心偏離探頭軸線不大于1.0mm。比較ρ(T)值與實(shí)際測量值，對(duì)儀器進(jìn)行校正。9.2儀器線性檢查9.2.1根據(jù)試樣電阻率的范圍選擇一組（5塊）電阻率參考片（見表1）。每塊參考片在輸入厚度后，由支架插入上下探頭之間，其中心偏離探頭軸線不大于1mm，依次測量每塊參考片在環(huán)境溫度下的電阻率值。9.2.2按式（3）將每塊參考片在環(huán)境溫度T時(shí)測得電阻率值ρ(T)換算成23℃的電阻率值ρ(23)。ρ(23)=ρ(T)［1-CT(T-23)］………（3）9.2.3選擇適當(dāng)?shù)谋壤鳛殡娮杪蕼y量值與標(biāo)定值的關(guān)系圖，在圖中標(biāo)上5個(gè)參考片的數(shù)據(jù)點(diǎn)，見圖9.2.4分別按式（4）、式（5）計(jì)算出各參考片的電阻率允許偏差范圍的最大值和最小值。在圖2中畫出2條直線分別對(duì)應(yīng)于各參考片電阻率的最大值和最小值。最大值=標(biāo)定值+5%標(biāo)定值+1數(shù)字 （4）最小值=標(biāo)定值-5%標(biāo)定值-1數(shù)字 9.2.5線性檢查步驟如下：9.2.5.1如果5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)全部位于兩條直線之間，那么儀器在全量程范圍內(nèi)達(dá)到線性要求，可進(jìn)行測量。9.2.5.2如果5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于兩條直線之間的數(shù)據(jù)不足3點(diǎn)，應(yīng)對(duì)設(shè)備重新調(diào)整和校正，并重復(fù)6.2步驟，以滿足測量的線性要求。209.2.5.3如果只有3個(gè)或4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于兩條直線之間，則在由這些相鄰的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)所限定的量程范圍內(nèi)，儀器可以使用。20-5%讀數(shù)-1個(gè)數(shù)字+5%讀數(shù)+1個(gè)數(shù)字-5%讀數(shù)-1個(gè)數(shù)字+5%讀數(shù)+1個(gè)數(shù)字圖2線性檢查圖59.3測量測量過程應(yīng)按以下要求進(jìn)行：a)用溫度計(jì)測量室內(nèi)溫度；b)開機(jī)預(yù)熱，待晶片溫度與環(huán)境溫度平衡后方可進(jìn)行測量；c)輸入晶片試樣的厚度值，如果測量薄膜的薄層電阻，可輸入薄膜加上襯底的總厚度；d)將晶片試樣正面向上放在支架上，插入上下探頭之間，晶片中心離探頭軸線偏差不大于1mm；e)如電阻率測試環(huán)境溫度為23°C，直接記錄電阻率顯示值ρ’(23)；如電阻率測試環(huán)境溫度不是23°C，則根據(jù)當(dāng)時(shí)測試環(huán)境測量值ρ(T)，將顯示值換算成23°C時(shí)的電阻率值ρ’(23)并記錄。10試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理被測晶片試樣所要求的電阻率值ρ’(23)，可由公式(6)計(jì)算得出。ρ’(23)=ρ’(T)［1-CT(T-23)］………（3）式中：T——環(huán)境溫度，單位為攝氏度(°C)；CT——硅單晶電阻率溫度系數(shù)，單位為每攝氏度(/°C)，具體溫度系數(shù)見附錄A；ρ’(23)——23°C時(shí)測試樣品的電阻率，單位為歐姆厘米（Ω·cmρ’(T)——環(huán)境溫度T時(shí)測試樣品的電阻率，單位為歐姆厘米（Ω·cm）。11精密度用非接觸渦流法對(duì)不同測試樣片進(jìn)行測試，每個(gè)樣品重復(fù)測10次，測試結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，具體如下：12試驗(yàn)報(bào)告試驗(yàn)報(bào)告