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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ECV背景介绍,ECV背景介绍,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，如扩展电阻法、电容-电压法(C-V )、二次离子质谱 (SIMS)、微分霍耳法、电化学电容-电压法(ECV) 等。这些技术各有其自身的优缺点。传统的C-V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
2、样品和具有一定深度分布的样品以及pn结；扩展电阻法可以测量pn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,ECV背景介绍,流子浓度及迁移率的深度分布，也可以测量pn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，尤其对于几十纳米结深的超浅结；SMIS法有较好的分辨率及精确度，也可以表征pn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
3、质浓度；ECV方法利用合适的电解液既可作为肖特基接触的电极测量C-V 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制，并可测量pn结，目前它在-V族化合物半导体中已有较多的应用，但ECV法对硅尤其是几十纳米结深和 以上掺杂浓度的超浅结的表征研究较少。,第二部分 ECV测试原理,ECV测试原理,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
4、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解液的作用下逐渐被氧化、腐蚀。电化学微分电容电压（Electrochemical capacitance-voltage profiler）简称ECV，它是利用电解液来形成势垒并对半导体加以正向偏压 (p型)或 反向偏压(n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“腐蚀-测量”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，但理论上它的测量深度是无限的，这种方法称之为ECV。,ECV测试原理,载流子的电荷密度为： （1） 式中， 是真空介电常数，
5、是半导体材料的介电常数，e 是电子电量，A 是电解液/半导体接触的面积 ， 是C-V 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： （2） 式中， 是耗尽层的深度，可由平板电容器公式求出，即 （3） 是腐蚀深度，由法拉第定律计算： （4） 式中，M 是所测半导体的分子量，F 是法拉第常数， 是所测半导体的密度，A 是电解液/半导体接触的面积 ，I 是即时溶解电流，z是溶解数(即每溶解一个半导体分子转移的电荷数）。,ECV测试原理,ECV测试分为两步：首先是测量电解液半导体界面形成的Schottky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的
6、样品。方程（1）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C和dC/dV，不停地重复“腐蚀一测量”循环就可以得到载流子浓度与深度的关系,从而实现测试目的。,第三部分 ECV测试常见问题及分析,ECV测试常见问题及分析,1.测试中Lamp、V-etch、Resln 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。p型材料有较多的空穴，通过半导体/电解液交界处施加正向偏压，溶解容易完成，所以对于P-type的电化学腐蚀，无需光照。而对于n型材料，其中电子是多数载流子，空穴是少子, 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/电解
7、液交界处，产生电子空穴对。对于N-type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Lamp的打开，给予硅片光照。 V-etch控制Ie的大小，通过调节V-etch可以调节 Etching current（Ie）的大小。但是如果V-etch 过大，会导致腐蚀不均匀，测试时容易出现乱点； Resln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Resln会对结果造成影 响。 测试时，可根据需要适当改变Lamp、V-etch、Resln， 但对于
8、正常测试，Lamp、V-etch、Resln建议使用默 认值。,ECV测试常见问题及分析,2.测试过程中界面左上角动态曲线 产生的原因如图a所示，每个点的测试都可分为两个过程，首先要有脉冲电压，在表面形成氧化层，对应动态曲线的平线。然后溶液溶解这个区域，对应动态曲线的斜线。如图b、c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新测试。,图a 测试正常,图b 测试异常（线条平直）,图c 测试异常（线条趋平）,ECV测试常见问题及分析,3.引起ECV测试峰值偏高一个数量级或峰值超过 的原因理论计算载流子浓度的数量级
9、为 ，ECV测试浓度略微高于理论计算值，这一误差可能与腐蚀面积接触面积差异、测试频率以及串、并联模型的选择等有关。从图中还可以看出，这些 n型杂质浓度大部分都在 数量级，但个别峰值浓度超过 ，这与ECV测试浓度偏高有关，如果峰值浓度超过 ，需要重新测试。,峰值大于,峰值在 之间,ECV测试常见问题及分析,4.测试过程中可能会出现Contact Resistance显示红色现象 （对N-type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，绿色线条显示值小于100 Oh
10、ms 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。,ECV测试常见问题及分析,5.测试过程中引起红点出现的原因如右图a所示，在N-type的测试过程中出现最多的异常是红点的出现，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：（1）接触电阻过大。如右图b所示，一般来说接触面积(A
11、contact)可能比腐蚀面积(Aetch)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，尤其是上层为高浓度掺杂时，未腐蚀掉的上层半导体( )与电解液形成肖特基接触时会形成非常薄的耗尽层(由于是高浓度掺杂)，从而形成非常大的零偏电容，虽然其面积很小，而这个未腐蚀上层半导体( )电容与大面积深层半导体( )电容是并联的，因此ECV测试PN结腐蚀至 P 型衬底时其电容比单纯 P 型衬底的电容要大，从而使得衬底浓度偏高，而且由于接触面积与腐蚀面积偏差的不确定性，其偏高程度也不一致。所以顶层如果是高浓度掺杂，则它对深处杂质浓度测试有很大影响，会抬高深处杂质浓度，有时甚至会测出相反的杂质类
12、型。,图a 测试异常（红点的出现）,图b ECV测试时电解液与半 导体实际接触的示意图,ECV测试常见问题及分析,（2）测试点置于绒丝或晶界处。绒丝和晶界处是存在晶体缺陷较多的区域，晶格缺陷处的腐蚀速率大于无缺陷处的腐蚀速率，所以容易产生过腐蚀，从而对测量的精度和可重复性产生影响；（3）腐蚀液被污染、硅片未去PSG或硅片被污染。腐蚀液长时间置于输液管内可能会被污染，被污染的硅片表面在电解液中作阳极氧化时，生成一种氧化物，而这种氧化物很难被去除，金属杂质及表面有机物的污染是造成红点出现的主要因素。,测试原则：对与N-type的测试，方块电阻不宜过大，测试时，选择晶粒较大且无绒丝覆盖的靠近硅片中心
13、的区域；若有红点出现，建议检查溶液并更换测试区域。,ECV测试常见问题及分析,6.测试过程中引起散点出现的原因如右图所示，在测试过程中可能会在开始的几个点出现散点现象，导致散点出现的原因主要有：（1）硅片未放置平整导致腐蚀面积大小不一，则与面积相关的被测电容也不恒定，从而在测试表层有散点出现；（2）操作过程中出现漏液现象，这种情况会使散点面积更大。出现漏液情况，要清除漏液并更换测试区域。,测试异常（散点的出现）,ECV测试常见问题及分析,7.测试过程中引起断点出现的原因如右图所示，在测试过程中可能会出现断点现象，引起断点出现的原因主要有：（1）根据测试需要，可以通过计算机软件实现断点测试；（2
14、）在测试过程中机器出现停止测试情况，由于腐蚀液一直在腐蚀测试区域，所以当再次点击“Start ”时，会出现断点现象。,测试异常（断点的出现）,ECV测试常见问题及分析,8.测试过程中引起密点出现的原因如右图所示，在测试过程中可能会出现测试点过密现象，引起密点出现的原因主要有：（1）腐蚀液浓度过大。由于腐蚀液浓度过大，所以腐蚀速度较快，而此时相应的 V-etch、Resln与之不匹配导致测试点过密。腐蚀液浓度过大是密点出现的主要原因，此时需要重新配制腐蚀液。（2） Resln设置较小。腐蚀速度一定，而Resln设置较小时，单位时间测试速度加快，导致测试点过密。此时需要检查Resln的设置，建议使
15、用系统默认值。,测试异常（密点的出现）,第四部分ECV测试曲线的理解,ECV测试曲线的理解,1.PN结的形成和杂质分布在一块P型（或N型）半导体单晶上，用适当的方法把N型（或P型）杂质掺入其中，使这块单晶的不同区域分别具有P型和N型的导电类型，再二者的交界面就形成了PN结。PN结的形成主要有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等。a.突变结的形成和杂质分布如图a所示，在p型区中施主杂质浓度为Nd，而且均匀分布；在n型区中受主杂质浓度为Na，也是均匀分布。在交界处，杂质浓度由Na（n型）突变为Nd（p型），具有这种杂质分布的p-n结称为突变结。设p-n结 的位置在 ，则突变结的杂质分布可以表示为：
16、 突变结一般通过合金法制造，需要有较大的温度梯度 才能实现。,图a 突变结的杂质分布,ECV测试曲线的理解,b.线性缓变结的形成和杂质分布如图b所示，在p型硅片上面经扩散制得的p-n结。其杂质分布由扩散过程和杂质补偿决定，在这种结中，杂质浓度是由n区到p区逐渐变化的，称之为缓变结。p-n结的位置在 处，则结中的杂质分布可以表示为： 处切线的斜率 称之为杂质浓度梯度，它决定于扩散杂质的实际分布。 如图c所示，对于高表面浓度的浅扩散结， 处的斜率 很大，这时扩散结可以近似用突变结表示。,图b 线性缓变结的杂质分布,图c 近似突变结,ECV测试曲线的理解,如图d所示，对于恒定源扩散，杂质分布满足余误
17、差函数：,扩散时间越长，杂质扩散的越深。,如图e所示，对于有限源扩散，杂质分布满足高斯分布（正态分布）：,在 和 处，浓度梯度为零，在 处浓度梯度最大。,图d 余误差分布,图e 高斯分布,2.杂质分布函数,ECV测试曲线的理解,3.不同表面浓度的磷在硅中的扩散分布图f表示不同表面浓度的磷在硅中的扩散分布。当表面浓度较低时（对应于本征扩散区），扩散分布为余误差函数分布（曲线a）；表面浓度逐渐增加，杂质分布开始偏离简单的余误差函数（曲线b和c）；表面浓度很高时（曲线d），靠近表面的杂质分布和曲线b相似，但在浓度 处出现拐点，之后进入一个快速扩散区域。,图f 不同表面浓度的磷在硅中的扩散分布,ECV
18、测试曲线的理解,4.ECV测试曲线提供的信息a.测试曲线中拐点的意义一般扩散工艺的ECV测试曲线如图g所示，其杂质分布介与余误差分布和高斯分布之间。拐点1是最高点，一般位于10nm位置，其值表示掺杂的表面浓度，测试大小在 之间；拐点2是突变点，一般位于50nm位置，拐点1和拐点2之间形成突变曲线，近似图c所示情况，这段区域是烧结的重点区域，它的浓度梯度的大小直接影响到烧结的效果，浓度梯度较小，烧结易于进行，浓度梯度较大，烧结则难以进行；拐点3表示PN结位置，其大小由工艺设置决定，一般在0.30um-0.60um之间，其横坐标表示结区深度，纵坐标表示结区有效掺杂（净掺杂）的情况，有效掺杂量影响开
19、路电压和短路电流，有效掺杂较多，可以提高开路电压和短路电流。有效掺杂与材料本身的性质和工艺设置的情况有关。,图g ECV测试曲线,通过适当的工艺，可以改变拐点1、2、3对应的浓度或位置大小，从而获得理想的杂质分布曲线。,ECV测试曲线的理解,b.方块电阻与测试曲线的关系薄层电阻(Rs)与结深( )、载流子的迁移率 （它是整个杂质浓度的函数）和杂质分布C(x)相关，Rs可以表示为: （5）如图h所示，N1和N2分别是使用不同的扩散工艺所得到的测试曲线C(x)。从图中可以看出， N1的结深为0.40um， N2的结深为0.30um，测试曲线N1的表面浓度大于N2的表面浓度。对测试曲线N1 、N2的
20、杂质分布C1（x）、C2(x)从0- 积分可知C1（x）积分区域面积为：S绿+S红，C2(x)积分区域面积为： S蓝+S绿，从图中可以看出： S绿+S红=S蓝+S绿从而由（5）式可知， N1和N2的方块电阻值相同。,图h 方块电阻与测试曲线的关系,不同的工艺设置，可以获得不同的掺杂曲线，掺杂曲线的积分面积决定了方块电阻值的大小。,ECV测试曲线的理解,C.实例分析从图i中我们可以得到以下信息：（1）测试曲线N1的结深（0.40um）大于N2的结深（0.30um）；（2）测试曲线N1的表面浓度大于N2的表面浓度；（3）在0-50nm范围内测试曲线N1的浓度梯度大于N2的浓度梯度，因此，曲线N1对烧结温度的要求要高于N2；（4）测试曲线N1的结区有效掺杂量小于N2的结区有效掺杂量，所以一般N2的开路电压和短路电流要优于N1；（5）由前述分析知道： S绿+S红=S蓝+S绿 所以，N1和N2的方块电阻值相同；,图i 不同测试曲线对比,（6）扩散质量的好坏，不仅体现在方块电阻的均匀性，也体现在温度、气流等的均匀性。,谢 谢！,
