MEMS片上絕緣性能測(cè)試高阻標(biāo)準(zhǔn)件研制

喬玉娥，劉 巖，丁 晨，翟玉衛(wèi)，梁法國(guó)，鄭世棋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

MEMS片上絕緣性能測(cè)試高阻標(biāo)準(zhǔn)件研制

喬玉娥，劉 巖，丁 晨，翟玉衛(wèi)，梁法國(guó)，鄭世棋

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

針對(duì)MEMS圓片測(cè)試系統(tǒng)中絕緣性能測(cè)試的準(zhǔn)確測(cè)量問(wèn)題，利用GaAs半導(dǎo)體材料硼離子注入后的高絕緣特性，研究制作片上高值電阻標(biāo)準(zhǔn)件的方案，研制出一種基于GaAs襯底的由2個(gè)金屬電極構(gòu)成的1GΩ片上高阻標(biāo)準(zhǔn)件。組建能有效溯源至國(guó)家最高標(biāo)準(zhǔn)的定標(biāo)裝置，使用與標(biāo)準(zhǔn)件探針壓點(diǎn)坐標(biāo)匹配的探針卡作為測(cè)試夾具，考核出年穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%的在片標(biāo)準(zhǔn)件。經(jīng)試驗(yàn)表明：該標(biāo)準(zhǔn)件攜帶方便、性能穩(wěn)定，對(duì)開(kāi)展MEMS片上絕緣性能測(cè)試提供有效的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方案，有效解決其溯源問(wèn)題。

MEMS片上測(cè)試系統(tǒng)；絕緣性能；片上高阻標(biāo)準(zhǔn)件；標(biāo)定

0 引 言

MEMS圓片測(cè)試環(huán)節(jié)位于MEMS生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和封裝測(cè)試之間，能夠有效剔除不合格芯片[1]，避免其進(jìn)入后期的封裝和測(cè)試環(huán)節(jié)，可降低MEMS量產(chǎn)成本，提高器件可靠性。

MEMS片上絕緣性能測(cè)試主要針對(duì)電學(xué)中的絕緣電阻參數(shù)，是分析晶圓級(jí)封裝的芯片內(nèi)部管腳之間的隔離狀態(tài)的重要手段，對(duì)正確判斷產(chǎn)品工藝缺陷有著重要意義。目前，行業(yè)公認(rèn)的絕緣電阻的典型判據(jù)為相對(duì)誤差±10%。如果此參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)，則會(huì)對(duì)前期工藝設(shè)計(jì)造成誤判導(dǎo)致資金的浪費(fèi)，甚至?xí)斐善骷^(guò)熱出現(xiàn)短路燒毀器件的現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)MEMS片上絕緣性能測(cè)試是否準(zhǔn)確問(wèn)題，主要采取單臺(tái)儀器校準(zhǔn)的方法，這種溯源方式存在一定的弊端。主要原因是單臺(tái)儀器的技術(shù)指標(biāo)僅僅是整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度的很小一部分，其他影響量如探針臺(tái)系統(tǒng)、矩陣開(kāi)關(guān)、線纜泄漏電流、光照、外界電磁干擾等才是影響晶圓級(jí)準(zhǔn)確測(cè)量的重要因素，也就是說(shuō)溯源工作并未至客戶所使用的探針端面。此外，國(guó)內(nèi)各計(jì)量機(jī)構(gòu)尚無(wú)滿足校準(zhǔn)要求的在片標(biāo)準(zhǔn)件。國(guó)際上，采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院[2-3]提出的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（RM8096和RM8097）完成MEMS圓片測(cè)試系統(tǒng)的驗(yàn)證。但是，這種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)并未針對(duì)單個(gè)參數(shù)，而是針對(duì)MEMS產(chǎn)品的終測(cè)環(huán)節(jié)，因此也無(wú)法將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)用于此類系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

在分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上[4]，本文提出一種通過(guò)研制片上高值電阻標(biāo)準(zhǔn)件的方案解決目前行業(yè)內(nèi)此類儀器的校準(zhǔn)問(wèn)題。這種標(biāo)準(zhǔn)件有2個(gè)優(yōu)勢(shì)：1）可在 4in 或 6in（1in=0.025m）圓片上制作，從形式上屬于在片范疇，可以滿足MEMS圓片測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試形式，能夠校準(zhǔn)到探針端面；2）采用不同于半導(dǎo)體行業(yè)常用的方塊電阻制作工藝，本文采用了“制作基于GaAs高絕緣襯底的金屬電極”的方案研制阻值高達(dá)1GΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻，以覆蓋行業(yè)內(nèi)對(duì)片上絕緣性能測(cè)試相對(duì)誤差±10%的量值需求。

1 方案設(shè)計(jì)

目前，半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)多采用方塊電阻（典型值50～100 Ω/塊）的制備工藝來(lái)制作在片電阻，其阻值范圍一般覆蓋1 Ω～10 MΩ。若采用此種技術(shù)，在4～6in晶圓片的有限區(qū)域內(nèi)，根本無(wú)法研制吉?dú)W姆量級(jí)的在片電阻，亦無(wú)法滿足MEMS晶圓片絕緣特性的測(cè)試要求。

1.1 總體方案

本文選用“制作基于GaAs高絕緣襯底的金屬電極”的方案，利用GaAs襯底的高絕緣特性，將兩金屬電極間的電阻（體電阻和表面電阻合成）定義為目標(biāo)電阻值，從而實(shí)現(xiàn)片上高阻標(biāo)準(zhǔn)件的研制。

在方案設(shè)計(jì)中，襯底材料的選擇是關(guān)鍵所在，必須選擇具有高絕緣特性的襯底材料。陶瓷和GaAs是半導(dǎo)體行業(yè)中常用的絕緣襯底材料，具有較高的電阻率，其中陶瓷材料可以達(dá)到1010～1014Ω·cm，GaAs材料可以達(dá)到107～108Ω·cm。但是，陶瓷襯底相比GaAs而言，表面粗糙度較大，且加工工藝不如GaAs成熟，因此選用半導(dǎo)體工藝[5]中的離子注入工藝，對(duì)單晶GaAs材料表面全部區(qū)域進(jìn)行摻雜。離子注入的過(guò)程首先是產(chǎn)生雜質(zhì)離子（如硼），將這些離子加速到5 keV～1 MeV的高能狀態(tài)，接著把離子注入到GaAs內(nèi)，最后進(jìn)行退火以消除晶格損傷并激活摻雜雜質(zhì)。因此選用GaAs作為標(biāo)準(zhǔn)件的襯底材料[6]，采用離子注入工藝，注入一定濃度的硼離子，破壞原有晶格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)絕緣強(qiáng)度，減少泄漏電流，提高穩(wěn)定性。

在電極尺寸制作方面，不同的金屬電極尺寸對(duì)應(yīng)著不同的電阻值，本文選用的方案是：固定襯底的電阻率和金屬電極的間距，通過(guò)改變金屬電極尺寸的方式來(lái)控制阻值，從而得到1GΩ電阻對(duì)應(yīng)的電極尺寸，完成標(biāo)準(zhǔn)件的制作。

1.2 版圖設(shè)計(jì)

根據(jù)1.1中的方案，利用L-Edit工具設(shè)計(jì)了如圖1所示版圖。其中，灰色部分為探針壓點(diǎn)（pad），粉紅色部分設(shè)計(jì)為一系列等高變寬的金屬電極，深藍(lán)色部分為劃片道，白色部分為注入硼離子后的GaAs高絕緣襯底。

圖1 高值電阻標(biāo)準(zhǔn)件版圖設(shè)計(jì)

以電極寬度10μm為例將其放大，如圖2所示。Pad 尺寸為 100 μm×100 μm（超過(guò) 100 μm 后，與寬度d一致）；高度h為200 μm保持不變；間距Δ為4 μm保持不變；寬度d在10～400μm分布。這樣制作的目的一方面是為了保持垂直方向上尺寸的一致性，便于探卡對(duì)其進(jìn)行篩選；另一方面只有電極尺寸在微米量級(jí)做一系列的變化，才能獲得最貼近阻值1GΩ對(duì)應(yīng)的電極尺寸范圍?？傊凑丈鲜霭鎴D設(shè)計(jì)理念，當(dāng)襯底材料絕緣性能足夠高且足夠穩(wěn)定時(shí)，兩個(gè)金屬電極之間的電阻即為標(biāo)準(zhǔn)樣片的電阻值[7]。

2 工藝制作

2.1 工藝流程

半導(dǎo)體工藝加工的流程如圖3所示。

圖2 等高電極版圖放大（電極寬度=10μm）

圖3 工藝流程圖

首先對(duì)4in單晶GaAs襯底進(jìn)行清洗和烘干；離子注入是一個(gè)物理過(guò)程，摻雜的硼原子被離化、分離、加速形成離子束流，掃過(guò)晶圓，該環(huán)節(jié)根據(jù)所需要達(dá)到的絕緣強(qiáng)度要求對(duì)GaAs襯底大面積注入硼離子[8]；在離子注入后的襯底表面淀積一層氮化硅，因?yàn)镾i3N4比較硬，具有較高的絕緣強(qiáng)度和抗氧化能力，可以較好地保護(hù)硼離子注入層避免劃傷，同時(shí)也是一種較好的濕氣和鈉的阻擋層，以提高整體的穩(wěn)定性；通過(guò)光刻工藝將所需圖形（金屬電極）顯現(xiàn)出來(lái)；通過(guò)蒸發(fā)工藝將金屬Ag刻在所需的圖形上面；通過(guò)剝離的手段將晶圓片上不需要的結(jié)構(gòu)（如光刻膠）去除；最后在整個(gè)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行一層Si3N4的鈍化，以保證整個(gè)器件免受外界環(huán)境（如溫度、濕度、強(qiáng)氧化等）的影響。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)物

按照?qǐng)D3的工藝流程和圖1的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行了制版（負(fù)膠），然后在4in GaAs襯底上進(jìn)行了1GΩ標(biāo)準(zhǔn)樣片流片。通過(guò)PCM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)：1V電壓下，加電2h，泄漏電流為1.016nA，穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)件在圓片上是以cell單元的形式進(jìn)行分布的，一個(gè)cell對(duì)應(yīng)圖1的一個(gè)版。那么在考核的過(guò)程中，不同的cell單元上都存在1只ISOTM-10芯片，如何區(qū)分不同cell單元中相同的芯片為后期的考核帶來(lái)困擾。在制版階段是無(wú)法解決此問(wèn)題的，因?yàn)橐坏ヽell單元進(jìn)行了分布便無(wú)從辨認(rèn)，為了對(duì)每個(gè)cell單元進(jìn)行區(qū)分，本文通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣片制作1∶1的接觸版，以列號(hào)/行號(hào)的方式標(biāo)記每一個(gè)cell單元。如圖4所示，某一cell單元的標(biāo)記為C10R31，表示此單元位于圓片的第10列/第31行的位置。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)件的唯一性標(biāo)記

3 考核標(biāo)定

為了對(duì)所研制的片上高值電阻標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)定，需要建立定標(biāo)裝置，其組成如圖5所示。

圖5 定標(biāo)裝置

本文采用的標(biāo)準(zhǔn)儀器為Keithley6430遠(yuǎn)端源表，工作模式為FVMI（加壓測(cè)流）[9]，即在被測(cè)件兩端施加1V電壓，通過(guò)測(cè)量流經(jīng)兩點(diǎn)間的泄漏電流從而計(jì)算得到電阻值[10]。探針臺(tái)為直流探針臺(tái)，屏蔽系統(tǒng)是最外圍的屏蔽箱，防泄漏模塊為高阻抗具有防泄漏功能的探針卡，探針卡的Pad結(jié)構(gòu)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件的電極尺寸制作的。組建的定標(biāo)裝置可溯源至中國(guó)計(jì)量院高值電阻標(biāo)準(zhǔn)，定標(biāo)裝置的測(cè)量不確定度優(yōu)于0.1%[11-12]。

對(duì)整個(gè)4in圓片進(jìn)行了數(shù)據(jù)考核，以±20%作為判據(jù)，初步考核的數(shù)據(jù)如表1所示，從數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)電極寬度在24～45μm之間時(shí)，合格的幾率最大。

表1 1GΩ標(biāo)準(zhǔn)樣片考核數(shù)據(jù)

表2 標(biāo)準(zhǔn)樣片C08R18考核數(shù)據(jù)

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣片中編號(hào)為C08R18（電極寬度26μm）的樣片進(jìn)行了重復(fù)性和年穩(wěn)定性篩選考核，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

按照MEMS晶圓片測(cè)試系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品相對(duì)誤差±10%的要求，標(biāo)準(zhǔn)件需要滿足1%的技術(shù)指標(biāo)。從表中考核結(jié)果可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)樣片的短期測(cè)量重復(fù)性優(yōu)于0.02%，年穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%，均優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)1%的1/10，因此滿足作為標(biāo)準(zhǔn)件的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研制出的1GΩ標(biāo)準(zhǔn)件使用情況表明，本文所設(shè)計(jì)的片上高阻標(biāo)準(zhǔn)件的研究方案可行，所組建的定標(biāo)裝置能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)件的考核要求，可以作為便攜式標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)MEMS片上絕緣性能開(kāi)展校準(zhǔn)工作，從而解決系統(tǒng)的隔離特性的校準(zhǔn)難題。

此外，應(yīng)用本文提及的研制方案同樣可擴(kuò)展至0.1GΩ和10GΩ標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作，未來(lái)可將標(biāo)準(zhǔn)樣片劃片后選擇3個(gè)阻值制作在一個(gè)載體上，作為一套標(biāo)準(zhǔn)件使用。亦滿足其他0.1～10 GΩ高值電阻在片形式的測(cè)量系統(tǒng)（如：半導(dǎo)體PCM測(cè)試系統(tǒng)、AW-SEP310、RI-EG PCM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等）的絕緣特性校準(zhǔn)需求。

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（編輯：李妮）

Development of high resistance standard for the MEMS on-wafer insulation test

QIAO Yu'e， LIU Yan， DING Chen， ZHAI Yuwei， LIANG Faguo， ZHENG Shiqi
（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050051，China）

In order to solve the accurate measurement problem of isolation test about MEMS wafer test system， prepared a plan of manufacturing on-wafer high resistance standard parts and developed a kind of 1GΩ on-wafer high resistance standard parts that were composed of 2 metal poles based on GaAs substrate according to the high insulation properties of GaAs semiconductor materials after boron ions were injected，and also developed a calibrated equipment that can effectively trace back to the highest national standard.By using the probe card matched with pad coordinates of standard parts，assessed the wafer standard parts with annual stability superior to 0.1%.The test indicates that the standard part is portable with stable performance， which provides effective field calibration plan and can effectively solve the source tracing problem.

MEMS on-wafer test system； insulation performance； on-wafer high resistance standard；evaluation

A

：1674-5124（2017）07-0088-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.017

2016-11-29；

：2016-12-12

喬玉娥（1980-），女，河北石家莊市人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)殡姶艃x器計(jì)量技術(shù)研究。