0 引言
近年来，对于同质硅外延层电阻率的测试方法主要有：四探针测试法、汞探针CV 法、SRP 扩展电阻测量法。而这些方法均为接触性测试，因为接触性测试会导致硅片被沾污硅片不能进行后道工序加工，造成成本损失。为了即能够有效测试电阻率又能在测试过程中不引入沾污，Semilab 公司推出了空气电容电压无损电阻率测试仪AirgapCV 和表面电阻率测试仪QCS。Airgap CV 通常称作ACV，此测试方法的优点主要有将预处理集成到了系统中，电阻率能够与汞探针电阻率进行匹配，测量后无沾污的引入等优点。将硅外延厂通常用的汞CV 法和ACV 和QCS 进行比较。 落日牛仔表1 三种硅外延层电阻率测量方法的对比AirGap CV
Hg-Probe QCS 测量原理CV CV Ac-SPV 非接触测试是
否
是探头与硅片表
面距离0.5μm 0
100μm 纵向分布是是
路易斯安那州基于自由摆的平板控制系统否
电阻率区间 1.0～100Ωcm 0.05–100Ωcm 0.01-500Ωcm
最小测试深度～1µm ～2-3µm 2W dmax typically>0.5mm
表面处理集成非集成集成重复性1sigma
1%
0.5%
1%
因为QCS 设备只能测试硅片近表面电阻率，无法反映出
外延层载流子浓度纵向分布的情况，对于产品结构为肖特基或MOS 期间的厂商而言，ACV 不失为一种既可以测试电阻率又能识别载流子浓度分布的机台。下面主要对这个量测方法进行详细介绍。
1 设备结构
ACV 设备包含PTC 硅片预处理系统、颗粒检查系统和电容电压量测系统三大部分。
1.1 颗粒检测系统
因为测试过程中探头和硅片表面距离大约0.5μm，如果表面有颗粒或者凸起会直接撞到探头引起探头损坏，为了避免此情况的发生，在测量装置上增加了一个颗粒检测系统以避开颗粒区域。
高在成
颗粒检测的基本理论为小颗粒的Rayleigh 散射。散射光的强度I 可以为从一个小颗粒散射的波长为λ和I0进行表示：
22426
221cos 21()()()222n d I I R n θπλ+−=+ (1)
R 为距离颗粒的距离，
θ为散射角度，n 为颗粒的反射系数，d 为颗粒的直径。
颗粒的检测系统模型如图1所示。
持续改善
在测量位置检测出颗粒后，可以调换到另一个量测位置
capacitance voltage method has been gradually applied in the field of measuring silicon epitaxial resi
stivity. It plays an important role in monitoring the stability of silicon epitaxial wafer resistivity in the production process, monitoring epitaxial layer growth quality and reducing enterprise costs.
Key words : Depletion layer; Capacitance; Voltage
图2 硅片表面悬挂键
图3 硅片表面态
O 3的方式进行钝化，在测量之前自动对硅片表面创建一个带负氧化层的表面，对于刚从外延炉中这个过程起到钝化的作用，对于从外延炉中出来一段时间的硅片，这个过程提高了表面负的氧化层。
用卤素灯对硅片进行加热，经携带水汽的空气吹向硅片，
图4 PTC 结构图 图5 PTC 处理工艺
2 测试原理
2.1 探头技术
一片多孔陶瓷通过不锈钢波纹管连接到固定支架上，测量电极由多孔陶瓷制成。随着波纹管内压力增加多孔陶瓷电极靠近硅片表面，电极和硅片间的电容增加， 波纹管的收缩力增加。在探头下降过程中一个LED 激光激发引起硅片导通，此时C total =C air 。
在LED 激光持续的照射下探头继续下降，直到C air 为11.5pf，此时探头距离硅片表面大约为0.5μm。
图6 探头装置
图7 设备装置图
图8 测试原理图
在测量过程中，电极上施加以一个小的步进电压，正弦波形。在每一个步进电压下，机台会测量电极和吸盘间的电容C total 。
等效电路图如图9所示。图9 等效电路图
total wafer-to-chuck sc air
1111C C C C =++ 因为硅片的面积远大于电极的面积，硅片和硅片下面吸盘为欧姆接触，两者间的电容可以被忽略。
C wafer-to-chuck >> C sc or C air
wafer-to-chuck
1
0C →
（3）
图10 等效电路图形成耗尽层时像一个电容器
ACV 实际上测量的电容为耗尽区的电容串联了空气电容，随着波纹管中的压力逐渐变大，促使缓探头逐渐降低，直到电极和硅片表面之间的距离为0.5μm，形成空气垫。当探头降低到0.5μm 的高度，波纹管中的压力保持不变，此时探
头上的LED 发射的激光照射在硅片测量区域。由于光的照射
dQ dQsc dQs =+
(9)
dQs 为硅片表面电荷的变化。
因此dQs 并不等于零，方程（8）不正确。正确的方程如下： ()dQsc
N W sc q A dW
=
∗∗
(10)
因为dQs 不能被直接测试出来，考虑到电极上电压的变化引起了空气垫电压和硅片表面电势Y 的变化。
air dV dV d ψ=+
(11)
这些方程可以用电容和电荷的方式展示出来： dQ dQsc
dV C C air sc =+ (12)即： Csc()dQ
dQsc dV C air =−
(13)同时， dQ Idt = (14)
I 为测量时的电流，将方程(13)、（14）代入方程式（10）
中，可以得到正确的Nsc
Csc()
()Idt dV Cair N W sc q A dW
−=
∗∗ （15）定义：C total =在每一个步进电压下所测量的电容；C air =在耗尽层为accumulation 下所测得的空间电荷区电容；d Q =测量电极的电荷改变量；V=给电极所加电压；d V =步进电压；K effective =用于矫正电极有效的面积的系数；
A=电极的几何面积；A effective =有效的电极面积；W=每个步进电压下的耗尽区宽度耗尽区宽度；d W =耗尽区宽度的变化量；I=测量电极中的电流；d t =测量样品时时间的变化量；A=电极面积；K s =硅相对介电常数；
e 0=真空介电常数；q=电荷量；Nsc=因为测试不同参数电阻率不一致时，耗尽层的深度会有差异，为使得电容电压法能够与汞探针测试方法匹配，对二者在所有量测区间进行比对，根据偏差比例设定不同的测试程序，通过调整探头的面积系数以与汞探针所测电阻率匹配。
4 结论
空气电容电压测试法自从进入硅外延行业以来备受瞩目，在不断改进的情况下，集成了预处理系统和表面分析系统，实现了硅外延片真正意义上的无损测试。此方法在满足电阻率准确测试的情况下还不会引入沾污，做到了量测后即可出货的标准。通过空气电容电压法和汞探针法在不同测试范围内建立对应程序，使得电容电压法和汞探针测试方法能够匹配，二者的测量结果测试偏离小于1%，完全可以实现硅外延过程中的生产控制。此方法对于电阻率的稳定测试、成品率提升、测试成本的降低起到了重要的作用，随着此测量设备的不断改进，此方法逐渐将成为硅外延领域的标准方法。
参考文献
[1]ASTM F525-8,Standard Test Methods for Measuring
Resistivity Profiles Perpendicular to the surface of a Silicon Wafer Using a Spreading Resistance Probe[S].Annual Book of ASTM Standards,vol .10.05 1977.[2]Germer,T.A.,Proc .SPIE 3275 in press (1998).[3]Germer,T.A.,Opt.36,8798-8805 (1997).
[4]G.Gruber,J.Heddleson ,R.Hillard and S.Weinzierl,SSM
Internal Note on Rapid Interface State Density Measurements for MOS Production Control,Ref. 11087,Pittsburgh,PA (1996).
聚合硫酸铝铁
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