在片電容測量系統(tǒng)溯源及測量方法研究

丁 晨, 喬玉娥, 劉 巖, 翟玉衛(wèi), 吳愛華

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

1 引 言

在片電容測量系統(tǒng)能夠進(jìn)行在片電容測量,常用于半導(dǎo)體、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等行業(yè)中,對晶圓級半導(dǎo)體或MEMS芯片的電容參數(shù)進(jìn)行測量,考察產(chǎn)品寄生電容、柵極電容、介質(zhì)厚度等,進(jìn)行缺陷篩查,考察是否滿足設(shè)計要求。

在片電容的測量,應(yīng)用于器件和工藝的特征分析、Wafer互連小電容測量以及雙端納米器件C-V曲線測量等方面。為了有效監(jiān)控柵氧厚度、柵氧電荷和雜質(zhì)濃度分布等工藝參數(shù),電容覆蓋pF量級[1,2]。這些參數(shù)是評判與電容制作相關(guān)工藝穩(wěn)定性的重要手段。

以PCM測量系統(tǒng)電容測量為例,其主要用于監(jiān)控工藝介質(zhì)厚度這一參數(shù),若PCM測量電容參數(shù)測量不準(zhǔn)確,則影響工藝生產(chǎn)線中介質(zhì)厚度的準(zhǔn)確度,造成損失。電容測量的準(zhǔn)確度是保證整套測量系統(tǒng)準(zhǔn)確的先決條件。因此,保障在片電容測量系統(tǒng)的電容測量準(zhǔn)確度尤其重要。

目前,國際上未見關(guān)于對在片電容測量系統(tǒng)溯源的相關(guān)報道。國內(nèi)針對在片電容測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)問題,丁晨、喬玉娥通過研制在片電容測量系統(tǒng)專用標(biāo)準(zhǔn)件的方法對其進(jìn)行校準(zhǔn),但對標(biāo)準(zhǔn)件如何溯源到常規(guī)四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器,即在片電容測量結(jié)果與現(xiàn)有溯源體系下的電容值測量結(jié)果之間相比較,沒有具體闡述[3,4]。在測量方法上,對于同軸形式的標(biāo)準(zhǔn)電容進(jìn)行測量前,都需要進(jìn)行開路操作,四端對標(biāo)準(zhǔn)電容配有專門的四端對開路器,而在片電容沒有專門配套通用的在片開路器,而且在片開路器性能缺少評價手段和依據(jù),導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測量在片電容值。并且探針系統(tǒng)及測試線纜等干擾回路極易對在片電容參數(shù)的測量結(jié)果產(chǎn)生影響,導(dǎo)致在片電容測量不準(zhǔn)確,無法滿足技術(shù)要求[5]。因此,有必要提出一種溯源及測量方法,將在片電容測量結(jié)果與成熟的四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器的量值聯(lián)系起來,實(shí)現(xiàn)在片電容參數(shù)的溯源,保障在片電容測量系統(tǒng)的電容測量準(zhǔn)確度,準(zhǔn)確測量在片電容值,使得在片電容測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性可驗證,不同系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)之間可比較。

2 溯源方法

2.1 溯源回路的搭建

目前在片電容測量系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,由電容測量儀器、探針系統(tǒng)以及線纜構(gòu)成。其中,探針臺具有用于承載被測的托盤和用以實(shí)現(xiàn)在片測量的探針系統(tǒng);電容測量儀器具有電容測量功能;線纜將電容測量儀器與探針臺連接起來。電容測量儀器通過同軸線纜連接至探針系統(tǒng),探針系統(tǒng)包含有4根探針,用于與在片形式的被測件相連。

圖1 典型的在片電容測量系統(tǒng)Fig.1 Typical on-wafer capacitance test system

為了實(shí)現(xiàn)在片電容參數(shù)到常規(guī)四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器的溯源,需要研制在片形式的直通對接線并在右側(cè)回路增加4根探針和相應(yīng)的線纜。其中在片形式的直通對接線[6,7],襯底材料采用Al2O3陶瓷[8],直通線采用金屬材料Au。通過在片直通線,可與常規(guī)同軸形式的標(biāo)準(zhǔn)電容連接,在片直通線如圖2所示。

圖2 在片直通線Fig.2 On wafer straight line

搭建如圖3所示的溯源回路。LCR測量儀經(jīng)由線纜連接至探卡,然后通過探針連接至在片直通對接線,之后通過左右對稱的另一側(cè)探針再次連接至探卡,最終通過線纜連接至四端對標(biāo)準(zhǔn)電容,從而建立起一套“同軸-在片-同軸”形式的測量回路[9],完成到常規(guī)四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器的溯源。

圖3 溯源回路Fig.3 Traceability circuit

使用LCR測量儀以及1、10、100 pF四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器,按照上述溯源方法進(jìn)行實(shí)驗,數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溯源數(shù)據(jù)Tab.1 Traceability data

以上數(shù)據(jù)是通過采用專用探卡和1 m長的屏蔽線纜組建的在片電容定標(biāo)裝置(計量級)進(jìn)行實(shí)驗,通過溯源數(shù)據(jù)表明,該定標(biāo)裝置與四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器最大測量誤差為0.16%。

2.2 測量系統(tǒng)干擾回路的影響

為了保證在片電容測量準(zhǔn)確度,準(zhǔn)確測量在片電容,通過定量研究干擾回路對測量結(jié)果的影響,對探針系統(tǒng)及測試線纜的影響進(jìn)行修正[10,11]。因此先用開路器在LCR測量儀端口進(jìn)行開路,使用LCR測量儀直接測量四端對標(biāo)準(zhǔn)電容,得到測量值C1,測量過程如圖4所示。

圖4 C1測量過程Fig.4 Measurement of C1

按照圖3所示的溯源測量回路連接,得到測量值C2。該回路可以用圖5所示測量模型近似,其中CStd為被測標(biāo)準(zhǔn)電容器,左右兩側(cè)的線纜和探卡的影響用RL、LL、CPL、GL以及RR、LR、CPR、GR來表示,在片直通線的影響則用RT、LT、CT、GT表示。

圖5 溯源測量模型Fig.5 Measurement model of traceability

CStd的阻抗范圍與在片電容一致,因而左右兩側(cè)線纜和探卡的影響可以簡化為兩個并聯(lián)的電容CPL和CPR即探卡引入的雜散電容。對于在片直通線而言,其串聯(lián)電阻RT和電感LT可以忽略;其絕緣電阻經(jīng)實(shí)驗測量>1 TΩ,因而GT的影響也可以忽略,此時測量模型簡化為如圖6所示,即被測CStd與CPL、CPR、CT三個電容并聯(lián),CPL、CPR、CT為整個測量系統(tǒng)的干擾影響因素[12,13]。

圖6 簡化測量模型Fig.6 Simplified measurement model

根據(jù)電容并聯(lián)的測量模型,通過根據(jù)式(1)將上述兩者之差C3作為在片電容測量系統(tǒng)整個干擾回路的影響。

C3=C2-C1

(1)

式中:C1為直接測量標(biāo)準(zhǔn)電容值;C2為溯源回路測量值;C3為干擾回路的影響值。

使用LCR測量儀以及1、10、100 pF四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器,按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗,測量系統(tǒng)干擾回路的影響測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 干擾回路測量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of interference circuit

3 測量方法

3.1 在片電容測量模型分析

對在片電容進(jìn)行測量時,一般采用圖7所示的回路,LCR測量儀經(jīng)由同軸線纜連接至探卡,然后通過探針連接至在片電容[14]。

圖7 在片電容測量回路Fig.7 Measurement circuit of on-wafer capacitance

根據(jù)溯源回路模型分析可得知,該測量回路測量模型可以簡化為圖8所示,被測電容C并聯(lián)一個雜散電容CPL的形式。

圖8 在片電容測量模型Fig.8 Measurement model of on-wafer capacitance

3.2 在片電容準(zhǔn)確測量方法

為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量在片電容值C,需要消除雜散電容CPL的影響。通過左側(cè)回路測量在片電容CL,測量過程如圖9所示。LCR測量儀在儀器端鈕處開路,然后用線纜連接探卡左側(cè)端鈕,然后通過探針連接至在片電容,測量電容值,即為CL。

圖9 測量CL過程Fig.9 Measurement of CL

對應(yīng)的,通過右側(cè)測量在片電容CR測量過程如圖10所示。LCR測量儀在儀器端鈕處開路,連接探卡或探針座右側(cè),然后通過探針連接至在片電容,可以測得CR。

圖10 測量CR過程Fig.10 Measurement of CR

通過分別測量左右兩側(cè)的在片電容值CL和CR,以及式(1)得到的C3,根據(jù)式(2)對測得的在片電容值進(jìn)行修正[15],消除雜散電容的影響,即可得到更準(zhǔn)確的在片電容值C。

(2)

式中:CL為左側(cè)測量值;CR為右側(cè)測量值;C3為干擾回路的影響值;C為準(zhǔn)確的測量值。

使用LCR測量儀、四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器、標(biāo)稱值為1、10、100 pF在片電容,按照上述測量方法進(jìn)行實(shí)驗,數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測量數(shù)據(jù)Tab.3 Measurement data

以上數(shù)據(jù)表明,利用該系統(tǒng)通過本文方法測量C,比通過常規(guī)測量方法測量CL準(zhǔn)確度提高了0.08%。

在半導(dǎo)體行業(yè)等各相關(guān)單位,其在片電容測量系統(tǒng)采用的探針座、探卡、測試線纜的規(guī)格以及長度各不相同,會對在片電容測量系統(tǒng)產(chǎn)生不同影響。因該測量方法通過定量研究干擾回路對測量結(jié)果的影響,對探針系統(tǒng)及測試線纜的影響進(jìn)行修正,從而提供更準(zhǔn)確的在片電容的測量數(shù)據(jù),該影響量主要與測試探針及測試線纜的屏蔽性以及長短有關(guān)。因此影響越大,該測量方法和常規(guī)測量方法相比,其優(yōu)勢越明顯,越能提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種在片電容測量系統(tǒng)溯源及測量方法,能夠?qū)μ结樝到y(tǒng)及測試線纜的影響進(jìn)行修正,準(zhǔn)確測量在片電容值,測量結(jié)果能夠溯源至成熟的四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器,保障在片電容測量系統(tǒng)的電容測量準(zhǔn)確度,解決了在片電容測量不準(zhǔn)確及溯源問題,使得計量級在片電容測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度提高0.08%。依照本文提出的溯源及測量方法進(jìn)行溯源和測量后,在片電容測量系統(tǒng)可以提供更準(zhǔn)確且具有溯源性的在片電容測量數(shù)據(jù),使得在片電容測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性可驗證,不同系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)之間可比較。