MEMS片上絕緣性能測試高阻標準件研制

喬玉娥，劉 巖，丁 晨，翟玉衛，梁法國，鄭世棋

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

MEMS片上絕緣性能測試高阻標準件研制

喬玉娥，劉 巖，丁 晨，翟玉衛，梁法國，鄭世棋

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

針對MEMS圓片測試系統中絕緣性能測試的準確測量問題，利用GaAs半導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準件的方案，研制出一種基于GaAs襯底的由2個金屬電極構成的1GΩ片上高阻標準件。組建能有效溯源至國家最高標準的定標裝置，使用與標準件探針壓點坐標匹配的探針卡作為測試夾具，考核出年穩定性優于0.1%的在片標準件。經試驗表明：該標準件攜帶方便、性能穩定，對開展MEMS片上絕緣性能測試提供有效的現場校準方案，有效解決其溯源問題。

MEMS片上測試系統；絕緣性能；片上高阻標準件；標定

0 引 言

MEMS圓片測試環節位于MEMS生產線的設計和封裝測試之間，能夠有效剔除不合格芯片[1]，避免其進入后期的封裝和測試環節，可降低MEMS量產成本，提高器件可靠性。

MEMS片上絕緣性能測試主要針對電學中的絕緣電阻參數，是分析晶圓級封裝的芯片內部管腳之間的隔離狀態的重要手段，對正確判斷產品工藝缺陷有著重要意義。目前，行業公認的絕緣電阻的典型判據為相對誤差±10%。如果此參數測量不準，則會對前期工藝設計造成誤判導致資金的浪費，甚至會造成器件過熱出現短路燒毀器件的現象。

國內目前對MEMS片上絕緣性能測試是否準確問題，主要采取單臺儀器校準的方法，這種溯源方式存在一定的弊端。主要原因是單臺儀器的技術指標僅僅是整個系統的準確度的很小一部分，其他影響量如探針臺系統、矩陣開關、線纜泄漏電流、光照、外界電磁干擾等才是影響晶圓級準確測量的重要因素，也就是說溯源工作并未至客戶所使用的探針端面。此外，國內各計量機構尚無滿足校準要求的在片標準件。國際上，采用美國國家標準技術研究院[2-3]提出的標準物質（RM8096和RM8097）完成MEMS圓片測試系統的驗證。但是，這種標準物質并未針對單個參數，而是針對MEMS產品的終測環節，因此也無法將標準物質應用于此類系統的校準。

在分析國內外研究現狀的基礎之上[4]，本文提出一種通過研制片上高值電阻標準件的方案解決目前行業內此類儀器的校準問題。這種標準件有2個優勢：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圓片測試系統的測試形式，能夠校準到探針端面；2）采用不同于半導體行業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1GΩ的標準電阻，以覆蓋行業內對片上絕緣性能測試相對誤差±10%的量值需求。

1 方案設計

目前，半導體行業內多采用方塊電阻（典型值50～100 Ω/塊）的制備工藝來制作在片電阻，其阻值范圍一般覆蓋1 Ω～10 MΩ。若采用此種技術，在4～6in晶圓片的有限區域內，根本無法研制吉歐姆量級的在片電阻，亦無法滿足MEMS晶圓片絕緣特性的測試要求。

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）定義為目標電阻值，從而實現片上高阻標準件的研制。

在方案設計中，襯底材料的選擇是關鍵所在，必須選擇具有高絕緣特性的襯底材料。陶瓷和GaAs是半導體行業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到1010～1014Ω·cm，GaAs材料可以達到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，因此選用半導體工藝[5]中的離子注入工藝，對單晶GaAs材料表面全部區域進行摻雜。離子注入的過程首先是產生雜質離子（如硼），將這些離子加速到5 keV～1 MeV的高能狀態，接著把離子注入到GaAs內，最后進行退火以消除晶格損傷并激活摻雜雜質。因此選用GaAs作為標準件的襯底材料[6]，采用離子注入工藝，注入一定濃度的硼離子，破壞原有晶格結構，增強絕緣強度，減少泄漏電流，提高穩定性。

在電極尺寸制作方面，不同的金屬電極尺寸對應著不同的電阻值，本文選用的方案是：固定襯底的電阻率和金屬電極的間距，通過改變金屬電極尺寸的方式來控制阻值，從而得到1GΩ電阻對應的電極尺寸，完成標準件的制作。

1.2 版圖設計

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

圖1 高值電阻標準件版圖設計

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 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，便于探卡對其進行篩選；另一方面只有電極尺寸在微米量級做一系列的變化，才能獲得最貼近阻值1GΩ對應的電極尺寸范圍。總之，按照上述版圖設計理念，當襯底材料絕緣性能足夠高且足夠穩定時，兩個金屬電極之間的電阻即為標準樣片的電阻值[7]。

2 工藝制作

2.1 工藝流程

半導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4in單晶GaAs襯底進行清洗和烘干；離子注入是一個物理過程，摻雜的硼原子被離化、分離、加速形成離子束流，掃過晶圓，該環節根據所需要達到的絕緣強度要求對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，因為Si3N4比較硬，具有較高的絕緣強度和抗氧化能力，可以較好地保護硼離子注入層避免劃傷，同時也是一種較好的濕氣和鈉的阻擋層，以提高整體的穩定性；通過光刻工藝將所需圖形（金屬電極）顯現出來；通過蒸發工藝將金屬Ag刻在所需的圖形上面；通過剝離的手段將晶圓片上不需要的結構（如光刻膠）去除；最后在整個結構表面進行一層Si3N4的鈍化，以保證整個器件免受外界環境（如溫度、濕度、強氧化等）的影響。

2.2 標準件實物

按照圖3的工藝流程和圖1的設計理念，進行了制版（負膠），然后在4in GaAs襯底上進行了1GΩ標準樣片流片。通過PCM自動測試系統對其進行了初步實驗：1V電壓下，加電2h，泄漏電流為1.016nA，穩定性優于0.1%。

因為標準件在圓片上是以cell單元的形式進行分布的，一個cell對應圖1的一個版。那么在考核的過程中，不同的cell單元上都存在1只ISOTM-10芯片，如何區分不同cell單元中相同的芯片為后期的考核帶來困擾。在制版階段是無法解決此問題的，因為一旦cell單元進行了分布便無從辨認，為了對每個cell單元進行區分，本文通過對標準樣片制作1∶1的接觸版，以列號/行號的方式標記每一個cell單元。如圖4所示，某一cell單元的標記為C10R31，表示此單元位于圓片的第10列/第31行的位置。

圖4 標準件的唯一性標記

3 考核標定

為了對所研制的片上高值電阻標準件標定，需要建立定標裝置，其組成如圖5所示。

圖5 定標裝置

本文采用的標準儀器為Keithley6430遠端源表，工作模式為FVMI（加壓測流）[9]，即在被測件兩端施加1V電壓，通過測量流經兩點間的泄漏電流從而計算得到電阻值[10]。探針臺為直流探針臺，屏蔽系統是最外圍的屏蔽箱，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結構是根據標準件的電極尺寸制作的。組建的定標裝置可溯源至中國計量院高值電阻標準，定標裝置的測量不確定度優于0.1%[11-12]。

對整個4in圓片進行了數據考核，以±20%作為判據，初步考核的數據如表1所示，從數據可見，當電極寬度在24～45μm之間時，合格的幾率最大。

表1 1GΩ標準樣片考核數據

表2 標準樣片C08R18考核數據

對標準樣片中編號為C08R18（電極寬度26μm）的樣片進行了重復性和年穩定性篩選考核，測試數據如表2所示。

按照MEMS晶圓片測試系統對產品相對誤差±10%的要求，標準件需要滿足1%的技術指標。從表中考核結果可見，標準樣片的短期測量重復性優于0.02%，年穩定性優于0.1%，均優于技術指標1%的1/10，因此滿足作為標準件的要求。

4 結束語

通過研制出的1GΩ標準件使用情況表明，本文所設計的片上高阻標準件的研究方案可行，所組建的定標裝置能夠滿足標準件的考核要求，可以作為便攜式標準件對MEMS片上絕緣性能開展校準工作，從而解決系統的隔離特性的校準難題。

此外，應用本文提及的研制方案同樣可擴展至0.1GΩ和10GΩ標準樣片的制作，未來可將標準樣片劃片后選擇3個阻值制作在一個載體上，作為一套標準件使用。亦滿足其他0.1～10 GΩ高值電阻在片形式的測量系統（如：半導體PCM測試系統、AW-SEP310、RI-EG PCM自動測試系統等）的絕緣特性校準需求。

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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，高級工程師，碩士，研究方向為電磁儀器計量技術研究。