汞探針CV測試在半導體材料研究中的典型應用

彭雯璐，龐學明，劉洪山（通訊作者）

（華南農業大學電子工程學院 廣東 廣州 510642）

1 引言

汞探針直接和半導體接觸形成肖特基勢壘，是測量材料厚度方向摻雜濃度分布的一種非破壞性檢驗手段，已成為國內外研究人員考核半導體晶圓質量的標準。汞探針可以簡便實現與多種儀表相配套，實行對硅及化合物半導體外延載流子濃度、CVD工藝和擴散工藝的監控等。其特點是重復性好、安全和方便，裝置內汞含量極少，汞保護措施完善。在實驗室利用汞探針測量技術，避免了其他測量方法中較為費時的金屬化處理，可以有效提高產品良率、提高工藝和器件的性能，監測工藝參數，分析失效機制。

2 汞探針經典結構及測試原理

2.1 汞探針的基本結構

圖1為某典型的汞探針臺基本結構，主要由測量平臺、閥門組件和真空源組成。

圖1 汞探針結構圖

如圖1（a）所示，測量平臺內部有兩個裝有汞的玻璃小瓶。使用真空控制，將汞導向觸點，真空由小型泵產生，泵頂部有一個黑色壓力調節器用于更改真空壓力。有兩條真空管路將測量平臺連接到控制真空的閥門組件，一根真空管連接到真空環，另一根連接到汞瓶。連接到真空環的真空管路通過降低樣品上的壓力使汞與測試樣品接觸。該平臺的表面加工成平面，并研磨成紋理，使表面和被測樣品之間存在真空吸附。

汞探針由三個觸點組成。兩個前觸點（汞點和汞環）由液態汞制成，見圖1（b），分別是一個內部的圓點（直徑一定）和一個位于圓點周圍外部幾乎封閉的環，開口的環可以用作返回觸點或保護環觸點。這兩個汞觸點都通過兩個不銹鋼毛細管連接到裝有汞的小瓶。中心孔是主要的汞接觸毛細管，開口的環是次要的汞接觸，最外面的環是真空環，形成了汞探針的有效區域。后觸點是通過將不銹鋼圓柱體推向晶體制成，使晶體背面能與汞實現電接觸。

探針底部還有兩個其他玻璃小瓶，位于平臺和閥門組件之間，這是汞阱。小瓶會在汞進入真空閥和真空系統之前捕獲汞，通常應將其排空。

2.2 基本原理

汞探針的工作原理是通過真空泵連接汞探針供應汞的兩個小瓶，吸入空氣在瓶子內外形成壓力差，從而降低晶片表面的壓力并使汞與樣品接觸。

汞的功函數為4.53 eV，重摻雜n型硅的有效功函數為4.0 eV，當汞與重摻雜n型硅放在一起時進行整流接觸，從而形成肖特基勢壘。若將高頻小信號電壓疊加在直流偏壓上，勢壘電容將隨施加電壓的變化而變化，可以充當電容器[1]。從兩個瓶子中頂出汞柱的面積一大一小，形成“背靠背”的肖特基二極管，可以認為是串聯的兩個可變電容器，即通過電容-電壓變化關系，可以得出硅外延層一側的金屬-半導體肖特基勢壘的摻雜濃度分布。可在金屬–半導體接觸面生長一層薄氧化層，以防止漏電導致測試不出結果。氧化層厚度必須很薄，以至于MOS電容Cox遠大于肖特基勢壘電容CD時，MOS電容可以忽略不計。

3 汞探針CV測試儀的典型應用

3.1 測量硅外延層載流子濃度

3.2 CVD工藝監控

汞探針可以與氧化的硅片一起用作柵極，以形成MOS測試結構，節省了制作MOS樣品的復雜流程。通過測量MOS電容高頻時的C–V曲線，見圖2，能夠分析出MOS結構處于積累、耗盡、反型區的特性，提取出氧化層厚度、平帶電壓、氧化層電荷、載流子產生壽命等重要的物理參數，從而實行CVD工藝監控。

圖2 MOS電容的電容–電壓曲線

3.2.1 氧化層厚度

3.2.2 平帶電壓

3.2.3 氧化層電荷

3.2.4 載流子產生壽命

圖3 Zerbst曲線

4 結語

通過上述分析，汞探針CV測試儀有兩種測量模式：肖特基和MOS。肖特基測量模式是測量硅外延層載流子濃度的有效方法，MOS測量模式采用汞柱形成MOS電容結構，通過測量獲取氧化層厚度等參數對CVD工藝進行監控，表征在硅上生長的薄外延層。汞探針是一種很好表征半導體的測量工具，其成熟的技術保證了測試的方便性、高精確性及重復性。