ECV测试原理及相关分析.ppt
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1、ECV测试原理及相关分析工艺部 王永伟 ECV测试原理内 容 简 介 ECV背景介绍 ECV测试常见问题及分析 ECV测试曲线的理解第一部分第一部分ECVECV背景介绍背景介绍ECVECVECVECV背景介绍背景介绍背景介绍背景介绍l对于半导体器件的设计和制造而言,器件中载流子浓度、掺杂厚度以对于半导体器件的设计和制造而言,器件中载流子浓度、掺杂厚度以及杂质分布都是必须严格控制的参数,就要求对载流子的浓度及分布及杂质分布都是必须严格控制的参数,就要求对载流子的浓度及分布有更精确可靠的测量。目前,业界已有几种表征杂质浓度分布的方法,有更精确可靠的测量。目前,业界已有几种表征杂质浓度分布的方法,如
2、扩展电阻法、电容如扩展电阻法、电容-电压法电压法(C-V)(C-V)、二次离子质谱、二次离子质谱 (SIMS)(SIMS)、微分霍、微分霍耳法、电化学电容耳法、电化学电容-电压法电压法(ECV)(ECV)等。这些技术各有其自身的优缺点。等。这些技术各有其自身的优缺点。传统的传统的C-VC-V法尽管实验方法简单,有较好的分辨率及精确性,但它受法尽管实验方法简单,有较好的分辨率及精确性,但它受限于反偏电压下的击穿,不易表征高掺杂样品和具有一定深度分布的限于反偏电压下的击穿,不易表征高掺杂样品和具有一定深度分布的样品以及样品以及pnpn结;扩展电阻法可以测量结;扩展电阻法可以测量pnpn结且不受深度
3、的限制,但其要结且不受深度的限制,但其要求精细的样品准备、探针选择以及数据提取与校正,杂质浓度分布的求精细的样品准备、探针选择以及数据提取与校正,杂质浓度分布的表征依赖于校正因子和迁移率的选择,且由于磨角度数和探针半径的表征依赖于校正因子和迁移率的选择,且由于磨角度数和探针半径的限制,用它表征几十纳米结深的超浅结非常困难;微分霍耳法通过反限制,用它表征几十纳米结深的超浅结非常困难;微分霍耳法通过反复测试剥层前后薄层电阻和面霍耳系数的变化可以同时测量出载复测试剥层前后薄层电阻和面霍耳系数的变化可以同时测量出载ECVECVECVECV背景介绍背景介绍背景介绍背景介绍l流子浓度及迁移率的深度分布,也
4、可以测量流子浓度及迁移率的深度分布,也可以测量pnpn结,但精确控制超薄结,但精确控制超薄层的剥离和精确测量霍耳效应在技术上是巨大的挑战,尤其对于几层的剥离和精确测量霍耳效应在技术上是巨大的挑战,尤其对于几十纳米结深的超浅结;十纳米结深的超浅结;SMISSMIS法有较好的分辨率及精确度,也可以表法有较好的分辨率及精确度,也可以表征征pnpn结,但它需要复杂昂贵的设备,同时所测出的杂质浓度是原子结,但它需要复杂昂贵的设备,同时所测出的杂质浓度是原子浓度而不是电激活杂质浓度;浓度而不是电激活杂质浓度;ECVECV方法利用合适的电解液既可作为方法利用合适的电解液既可作为肖特基接触的电极测量肖特基接触
5、的电极测量C-V C-V 特性,又可进行电化学腐蚀,因此可以特性,又可进行电化学腐蚀,因此可以层层剥离测量电激活杂质的浓度分布,剖面深度不受反向击穿的限层层剥离测量电激活杂质的浓度分布,剖面深度不受反向击穿的限制,并可测量制,并可测量pnpn结,目前它在结,目前它在-V-V族化合物半导体中已有较多的应族化合物半导体中已有较多的应用,但用,但ECVECV法对硅尤其是几十纳米结深和法对硅尤其是几十纳米结深和 以上掺杂浓度的以上掺杂浓度的超浅结的表征研究较少。超浅结的表征研究较少。第二部分第二部分 ECV ECV测试原理测试原理ECVECV测试原理测试原理l半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电
6、解原理来实现的。固体物质半导体电化学腐蚀是根据电化学中阳极氧化及电解原理来实现的。固体物质在液体中消溶有两种方法:一种是湿法腐蚀,即在不加外电场的情况下,利在液体中消溶有两种方法:一种是湿法腐蚀,即在不加外电场的情况下,利用固体和液体之间的化学反应,使固体逐渐腐蚀;另一种是电化学腐蚀,即用固体和液体之间的化学反应,使固体逐渐腐蚀;另一种是电化学腐蚀,即将固体置于电解液中,外加直流电压,电压正极接需要被腐蚀的固体物质,将固体置于电解液中,外加直流电压,电压正极接需要被腐蚀的固体物质,电压负极接一不被溶解且导电性良好的电极,通电后,阳极物质在电场和电电压负极接一不被溶解且导电性良好的电极,通电后,
7、阳极物质在电场和电解液的作用下逐渐被氧化、腐蚀。解液的作用下逐渐被氧化、腐蚀。l电化学微分电容电压(电化学微分电容电压(Electrochemical capacitance-voltage profilerElectrochemical capacitance-voltage profiler)简称简称ECVECV,它是利用电解液来形成势垒并对半导体加以正向偏压,它是利用电解液来形成势垒并对半导体加以正向偏压 (p(p型型)或或 反反向偏压向偏压(n(n型并加以光照型并加以光照)进行表面腐蚀去除已电解的材料,通过自动装置重复进行表面腐蚀去除已电解的材料,通过自动装置重复“腐蚀腐蚀-测量测量”
8、循环得到测量曲线,然后应用法拉第定律,对腐蚀电流进行积循环得到测量曲线,然后应用法拉第定律,对腐蚀电流进行积分就可以连续得到腐蚀深度。尽管这种方法是破坏性的,但理论上它的测量分就可以连续得到腐蚀深度。尽管这种方法是破坏性的,但理论上它的测量深度是无限的,这种方法称之为深度是无限的,这种方法称之为ECVECV。ECVECV测试原理测试原理载流子的电荷密度为:载流子的电荷密度为:(1 1)式中,式中,是真空介电常数,是真空介电常数,是半导体材料的介电常数,是半导体材料的介电常数,e e 是电子电量,是电子电量,A A 是电解液是电解液/半导体接触的面积半导体接触的面积 ,是是C-V C-V 曲线在
9、耗尽层边缘的斜率。曲线在耗尽层边缘的斜率。该载流子浓度所对应的总深度为:该载流子浓度所对应的总深度为:(2 2)式中,式中,是耗尽层的深度,可由平板电容器公式求出,即是耗尽层的深度,可由平板电容器公式求出,即 (3 3)是腐蚀深度,由法拉第定律计算:是腐蚀深度,由法拉第定律计算:(4 4)式中,式中,M M 是所测半导体的分子量,是所测半导体的分子量,F F 是法拉第常数,是法拉第常数,是所测半导体的密是所测半导体的密度,度,A A 是电解液是电解液/半导体接触的面积半导体接触的面积 ,I I 是即时溶解电流,是即时溶解电流,z z是溶解数是溶解数(即每溶即每溶解一个半导体分子转移的电荷数)。
10、解一个半导体分子转移的电荷数)。ECVECVECVECV测试原理测试原理测试原理测试原理lECVECV测试分为两步:首先是测量电解液半导体界面形测试分为两步:首先是测量电解液半导体界面形成的成的SchottkySchottky势垒的微分电容来得到载流子浓度,然后势垒的微分电容来得到载流子浓度,然后利用阳极电化学溶解反应,按照设定的速率去除测量处利用阳极电化学溶解反应,按照设定的速率去除测量处的样品。方程(的样品。方程(1 1)提供了一种简易的载流子密度测定)提供了一种简易的载流子密度测定方法,通过使用可调制的高频电压来改变参数方法,通过使用可调制的高频电压来改变参数C C和和dC/dVdC/d
11、V,不停地重复,不停地重复“腐蚀一测量腐蚀一测量”循环就可以得到载流子浓循环就可以得到载流子浓度与深度的关系度与深度的关系,从而实现测试目的。从而实现测试目的。第三部分第三部分 ECV ECV测试常见问题及分析测试常见问题及分析ECVECV测试常见问题及分析测试常见问题及分析1.1.测试中测试中LampLamp、V-etchV-etch、Resln Resln 对测试结果的影响对测试结果的影响 半导体材料的电化学腐蚀依赖于空穴的存在。半导体材料的电化学腐蚀依赖于空穴的存在。p p型材料有较多的空穴,通过半导型材料有较多的空穴,通过半导体体/电解液交界处施加正向偏压,溶解容易完成,所以对于电解液
12、交界处施加正向偏压,溶解容易完成,所以对于P-typeP-type的电化学腐蚀,的电化学腐蚀,无需光照。而对于无需光照。而对于n n型材料,其中电子是多数载流子,空穴是少子型材料,其中电子是多数载流子,空穴是少子,由于空穴的由于空穴的形成才能引起电化学腐蚀的发生。所以需用波长足够短的的光照射半导体形成才能引起电化学腐蚀的发生。所以需用波长足够短的的光照射半导体/电解电解液交界处,产生电子空穴对。对于液交界处,产生电子空穴对。对于N-typeN-type的电化学腐蚀,半导体内部必须有透的电化学腐蚀,半导体内部必须有透入光以提供空穴电流,要求入射光相对测试材料是透明的,选择合适的腐蚀电入光以提供空
13、穴电流,要求入射光相对测试材料是透明的,选择合适的腐蚀电压和光照强度可以得到可重复、均匀、轮廓清晰的腐蚀面,所以在测试过程中压和光照强度可以得到可重复、均匀、轮廓清晰的腐蚀面,所以在测试过程中需要保持需要保持LampLamp的打开,给予硅片光照。的打开,给予硅片光照。V V-etch-etch控制控制IeIe的大小,通过调节的大小,通过调节V-etchV-etch可以调节可以调节 Etching current Etching current(IeIe)的大小。但是如果)的大小。但是如果V-etchV-etch 过大,会导致腐蚀不均匀,测试时容易出现乱点;过大,会导致腐蚀不均匀,测试时容易出现
14、乱点;ReslnResln是设定测试的步长,可根据自己的需要设定,是设定测试的步长,可根据自己的需要设定,但在实际测试时,过多改变但在实际测试时,过多改变ReslnResln会对结果造成影会对结果造成影 响。响。测试时,可根据需要适当改变测试时,可根据需要适当改变LampLamp、V-etchV-etch、ReslnResln,但对于正常测试,但对于正常测试,LampLamp、V-etchV-etch、ReslnResln建议使用默建议使用默 认值。认值。ECVECV测试常见问题及分析测试常见问题及分析l2.2.测试过程中界面左上角动态曲线测试过程中界面左上角动态曲线 产生的原因产生的原因l如
15、图如图a所示,每个点的测试都可分为两所示,每个点的测试都可分为两l个过程,首先要有脉冲电压,在表面形个过程,首先要有脉冲电压,在表面形l成氧化层,对应动态曲线的平线。然后成氧化层,对应动态曲线的平线。然后l溶液溶解这个区域,对应动态曲线的斜溶液溶解这个区域,对应动态曲线的斜l线。线。l如图如图b、c所示,测试中如果曲线完全平所示,测试中如果曲线完全平直或趋于平直,则表示这个点在测试时直或趋于平直,则表示这个点在测试时出现问题,则下一个出现的点还停留在出现问题,则下一个出现的点还停留在原来的位置上。出现这种情况时需要重原来的位置上。出现这种情况时需要重新测试。新测试。图a 测试正常图b 测试异常
16、(线条平直)图c 测试异常(线条趋平)ECVECV测试常见问题及分析测试常见问题及分析l3.3.引起引起ECVECV测试峰值偏高一个数测试峰值偏高一个数量级或峰值超过量级或峰值超过 的原因的原因l理论计算载流子浓度的数量级为理论计算载流子浓度的数量级为 l ,ECVECV测试浓度略微高于理测试浓度略微高于理论计算值,这一误差可能与腐蚀面论计算值,这一误差可能与腐蚀面积接触面积差异、测试频率以及积接触面积差异、测试频率以及串、并联模型的选择等有关。从图串、并联模型的选择等有关。从图中还可以看出,这些中还可以看出,这些 n n型杂质浓度型杂质浓度大部分都在大部分都在 数量级,数量级,但个别峰值浓度
17、超过但个别峰值浓度超过 ,这,这与与ECVECV测试浓度偏高有关,如果峰值测试浓度偏高有关,如果峰值浓度超过浓度超过 ,需要重新测试。,需要重新测试。峰值大于峰值在 之间ECVECV测试常见问题及分析测试常见问题及分析l4.4.测试过程中可能会出现测试过程中可能会出现Contact ResistanceContact Resistance显示红色现象显示红色现象 (对(对N-typeN-type正常显示为绿色)正常显示为绿色)当测试材料的接触电阻小于2000 Ohms时,Contact Resistance则正常显示为绿色,且两绿色线条显示值越小越接近越好。就目前产线的方块控制,绿色线条显示值
18、小于100 Ohms 较好,如果显示值或二值差异过大,可能会使测试结果不准确,此时需要数次点击Blast和Re-Measure直至数值减小并使二者接近;当测试材料接触电阻大于2000 Ohms时,Contact Resistance则异常显示为红色。原因是由于测试材料欧姆接触过大,实际测试中出现这种情况一般是由于PN面反置所致,只要取出并正确放置PN面重新测试即可。ECVECV测试常见问题及分析测试常见问题及分析l5.5.测试过程中引起红点出现的原因测试过程中引起红点出现的原因l如右图如右图a所示,在所示,在N-type的测试过程中出现最多的异的测试过程中出现最多的异常是红点的出现,红点的出现
19、一般在开始的几个点,常是红点的出现,红点的出现一般在开始的几个点,后面几乎不会有红点出现,原因主要是:后面几乎不会有红点出现,原因主要是:l(1)接触电阻过大。)接触电阻过大。如右图如右图b所示,所示,一般来说接触一般来说接触面积面积(A Acontactcontact)可能比腐蚀面积可能比腐蚀面积(A Aetchetch)稍大些,这意味稍大些,这意味着深层杂质浓度的测试可能会受到上层掺杂的影响,着深层杂质浓度的测试可能会受到上层掺杂的影响,尤其是上层为高浓度掺杂时,未腐蚀掉的上层半导尤其是上层为高浓度掺杂时,未腐蚀掉的上层半导体体()()与电解液形成肖特基接触时会形成非常薄的与电解液形成肖特
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- ECV 测试 原理 相关 分析
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