用于测量浅层半导体注入物的片电阻和漏电流密度的方法
专利汇可以提供用于测量浅层半导体注入物的片电阻和漏电流密度的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于精确确定 半导体 表面(520)中浅层注入物的片 电阻 和漏 电流 密度 的方法，该方法包括使用多个 电极 间隔集合对半导体表面(520)进行感应电流低于100μA的一个或多个四点电阻测量，至少一个集合的平均间隔低于100μm。通过将所测量的数据在预定误差范围内拟合到理论数据来确定片电阻和注入物 泄漏 。，下面是用于测量浅层半导体注入物的片电阻和漏电流密度的方法专利的具体信息内容。
1、一种用于确定浅层注入物的电性能的方法，其包括以下步骤：
提供具有四个导电电极的多点探针，所述导电电极中的两个具有小于 100μm的电极间隔，
将所述多点探针中的所述四个电接触点定位到与所述浅层注入物的 区域接触，
经由所述多点探针通过在所述测试样本中感应少于100μA的电流来 进行四点测量，
基于所述四点电阻测量值和所述四个导电电极之间的电极间隔的数 学关系，提取所述电性能。
2、一种用于确定半导体衬底的表面中浅注入层的片电阻和漏电流密 度的方法，该方法包括：
a.在多个电极间隔集合处对所述半导体表面进行一个或多个四点电阻 测量，所述四点电阻测量中的感应电流低于100μA，而且用于所述多个电 极间隔集合中至少一个平均电极间距低于100μm的集合；
b.基于所述一个或多个四点电阻测量值和所述多个电极间隔集合之 间的数学关系，提取所述半导体表面中所述浅层注入物的片电阻。
3、依据权利要求1或2所述的方法，进一步包括使用所述一个或多个 四点电阻测量值和所述多个电极间隔集合之间的数学关系来提取所述半 导体表面中所述浅层注入物的饱和漏电流密度。
4、依据权利要求1-3中任何一个所述的方法，其中所述多个电极间 隔集合中至少有一个集合的间隔在300μm以上。
5、依据权利要求1-4中任何一个所述的方法，其中所述多个电极间 隔集合中至少有一个集合的平均间隔低于20μm，而且使用理论数据的极限 行为来确定所述浅层注入物的片电阻，极限理论行为由下式给出：
其中R为所测量的四点电阻，s为四点探针电极间隔，以及Rt为所述浅层注 入物的片电阻。
6、依据权利要求1-5中任何一个所述的方法，其中通过调整多个变 量直至理论数据在预定误差范围内拟合所测量的数据来确定所述浅层注 入物的片电阻和饱和漏电流密度，该理论和测量数据通过使用下式来拟 合：
其中λ＝kT/(Jsq(Rt+Rb)))；Ra和Rb分别为所述浅层注入物和所述半导体 衬底的片电阻，K0为第二类零阶的变型贝塞尔函数，s为四点探针电极间隔， k为玻尔兹曼常数，T为温度，Js为饱和漏电流密度，以及q为基本电荷。
7、依据权利要求1-6中任何一个所述的方法，其中在实验上由次级 离子质谱法或任意其他方法来测量所述半导体衬底的电阻率ρ，而且由关 系式Rb＝ρ/t来确定衬底的片电阻，t为所述半导体衬底的厚度。
8、一种用于测量半导体衬底中浅层注入物上的片电阻和饱和漏电流 的系统，所述系统包括：
带有第一数目电极的探针，这些电极用于建立与所述半导体衬底的表 面的电接触；
压控电流源，用于在第一对电极之间感应电流；
高阻抗电位计，用于测量第二对所述电极之间的电压差；
多路器，其包括第二数目电连接线，其中两根线连接到所述电流源上 而且另两根线连接到所述电位计上；
锁相放大器，用于生成控制所述压控电流源的周期参考信号，并用于 检测所述高阻抗电位计的同相输出；以及
带有中央处理单元和存储器的计算机系统，其包括对依据权利要求1-7 中任何一个所述的方法的计算机实现。
9、依据权利要求8所述的系统，其中所述第一对电极和所述第二对电 极不包括公共电极。
10、依据权利要求8或9所述的系统，其中所述第一数目为四个。
11、依据权利要求8-10中任何一个所述的系统，其中所述系统适合用 来执行依据权利要求1-7中任何一个所述的方法中的任意步骤。
技术领域
本发明大体上涉及用于获取测试样本的电性能的方法。本发明涉及对 半导体表面中浅层注入区域的片电阻和探针电流泄漏的测量，并且更具体 地涉及对超浅层接合处的片电阻的精确及非破坏性测量。
一种精确确定半导体表面中浅层注入物的片电阻和漏电流的方法包 括：用多个电极间隔集合(至少一个集合平均间隔低于100μm)对半导体 表面进行感应电流低于100μA的一个或多个四点电阻测量。通过将所测量 的数据在预定误差范围内拟合到理论数据，确定片电阻和注入物泄漏。
作为另一选择，片电阻和注入物泄漏的确定可以通过将所测量的数据 拟合到理论数据以获得最小误差，例如使用数值或其他方法来最小化误 差。
背景技术
半导体电路中的晶体管由两个注入区域组成，称为源极和漏极，它们 由栅极下面的沟道电连接。源漏极扩展(SDE)是浅层注入物，其将栅极 下面的沟道与深层源极和漏极相衔接。因为晶体管制作得较小，所以SDE 必须做得极浅以制造高性能器件，因为SDE深度为晶体管性能(尤其是快 速转换速度和低功率要求)中的关键因素。在100nm器件工艺节点处，需 要20-30nm的深度，并且未来工艺将需要浅得多的接合。术语“超浅层接 合”指的就是这种极薄的SDE。
过去，肉眼可见的四点探针已经被接受为测量注入表面中有效剂量的 方法。肉眼可见的四点探针典型为毫米大小的器件，其具有单排的四个加 载弹簧过渡的金属针。当这些针压靠到表面上时，通过两外针脚驱动的电 流生成跨内针脚的可检测电压。多年来，这种四点测量技术已经成为测量 半导体上片电阻的标准方法。然而，肉眼可见的四点探针不足以对今天的 高级超薄膜使用，因为加载弹簧的针往往产生表面破坏和薄膜穿透。肉眼 可见的探针还需要没有边缘伪影的大片均质测量区域。这些限制对超浅层 接合来说尤其成问题。出现了几种新技术来解决常规探针的问题。这些包 括具有低接触力的肉眼可见探针和电容非接触式探针。这些探测技术解决 了常规探测的破坏性质，但是没有解决对超浅层接合处进行测量的尺寸方 面的问题：肉眼可见的探针将始终报告非常低的USJ片电阻数值，尤其对 具有高泄漏的高电阻注入。探测间隔越大导致的偏差越大。尽管软接触或 非接触版的肉眼可见探针解决了击穿和表面破坏的问题，但是它们往往比 常规探针大得多并因而更加受到这种长度规格问题的困扰。
需要微小规格的测量来精确确定USJ注入深度的满量程上的实际片电 阻。微观探针的小尺寸和超低接触力使在比典型焊盘小的区域有可能实现 非破坏性USJ注入特征化，因而首次提供对形成图案的(产品)晶片进行 USJ片电阻特征化的可行方法。本发明克服常规技术的缺点，通过使用微 观四点探针来确定超浅层接合处的片电阻。
发明内容
通过在一个集合中不同探针间隔处对具有浅层注入区域的半导体晶 片进行表面片电阻测量，使浅层注入区域的实际片电阻有可能确定。
本发明的第一方面涉及一种用于确定浅层注入物的电性能的方法，其 可以包括如下步骤：
提供多点探针，其具有四个导电电极，两个导电电极具有一个间隔小于 100μm的电极，
将该多点探针的四个电接触点与浅层注入的区域接触，
经由多点探针在测试样本中感应少于100μA的电流从而进行四点测 量，
基于四点电阻测量值和四个导电电极之间的电极间隔之间的数学关 系，提取电性能。
多点探针可包括多于上述的四个电极，例如，五个、六个、八个、十 个或更多的电极。多点探针可能例如是带有基体和多个悬梁臂的那种，所 述悬梁臂从本体上平行延伸。这种多点探针例如在US2004/0056674和/或 US2002/0153909中有描述。用于所有目的，对这两个美国(US)专利公 开文献进行参引，其两者通过参引全部内容并入本说明书而用于一切目 的。例如，参见在US2004/0056674的附图6中图示说明及相应描述中的 探针。
多点探针可以被容纳在一系统中，该系统具有用于相对于测试样本移 动探针的定位装置，例如使用小传动器或这类装置。在一个实施例中，可 以将探针握持在可移动的把手中，而可以将测试样本握持在固定把手中。 在本发明中的第一方面中提及的电性能可以为片电阻或漏电流密度。
可以连续多次进行四点测量。基于多次测量，可以计算或提取电性能。 例如，通过使用光学显微镜或扫描隧道显微镜的目视检查或任意其他检查 方法，可以确定电极之间的间隔。作为另一选择，该间隔从探针的生产过 程中得知。
本发明的第二方面涉及一种用于确定半导体衬底表面中浅层注入物 的片电阻和漏电流密度的方法，该方法可以包括：
a.在多个电极间隔集合处，对该半导体表面进行一个或多个四点电阻 测量，这些四点电阻测量中的感应电流低于100μA而且用于所述多个电极 间隔集合中至少一个平均电极间隔低于100μm的集合；
b.基于所述一或多个四点电阻测量值和所述多个电极间隔集合之间 的数学相关，提取该半导体表面中的浅层注入物的片电阻。
本发明的优点在于，依据第一和/或第二方面的方法可以进一步包括使 用一个或多个四点电阻测量值和多个电极间隔集合之间的数学关系来提 取半导体表面中浅层注入物的饱和漏电流密度。
参考附图更详细地描述数学或物理关系。
在本发明的另一实施例中，多个电极间隔集合中至少有一个集合平均 间隔可以在300μm以上。优选地，电极间隔已知用于所有由多个电极组成 的集合。电极间隔可以通过检查来确定或例如从探针的生产过程中得知。 在本发明的又一实施例中，多个电极间隔集合中至少有一个的平均间隔低 于20μm，并且使用理论数据的极限行为来确定浅层注入物的片电阻，极 限理论行为由下式给出：
其中R为所测量的四点电阻，s为四点探针电极间隔，Rt为该浅层注入物 的片电阻。
在本发明的具体实施例中，通过调整多个变量直至理论数据在预定误 差范围内拟合所测量的数据，可以确定浅层注入物的片电阻和饱和漏电流 密度。该理论和测量数据可以通过使用下式来拟合：
其中λ＝kT/(Jsq(Rt+Rb)))；Ra和Rb分别为浅层注入物和半导体衬底的片 电阻，K0为第二类零阶的变型贝塞尔函数，s为四点探针电极间隔，k为 玻尔兹曼常数(Boltzmann constant)，T为温度，Js为饱和漏电流密度，以 及q为基本电荷。
变量的调整或拟合可以例如使用最小二乘法或任意其他数值方法或 数值拟合或逼近来进行。
在本发明的另一实施例中，通过次级离子质谱法或任意其他方法来实 验测量半导体衬底的电阻率ρ，而且衬底阻抗由关系Rb＝ρ/t来确定，t为所 述半导体衬底的厚度。
本发明的第一方面可以包括本发明的第二方面中的任意特征，而且本 发明的第二方面可以包括本发明的第一方面中的任意特征。
本发明的第三方面涉及一种用于测量半导体衬底中浅层注入物上片 电阻和饱和漏电流的系统，该系统包括：
带有第一数目电极的探针，其用于建立与该半导体衬底的表面的电连 接；
压控电流源，其用于感应第一对电极之间的电流；
高阻抗电位计，其用于测量第二对所选择的电极之间的电压差；
多路器，其包括第二数目电连接线，其中两根线被连接到该电流源而 且另两根线被连接到该电位计；
锁相放大器，其用于生成控制压控电流源的周期参考信号，并用于检 测该高阻抗电位计的同相输出；以及
带有中央处理单元和存储器的计算机系统包括计算机，其用于实施依 据本发明的第一和/或第二方面所述的方法。
探针可以是与上面第一和/或第二方面有关的内容所述的种类。
如上所述的用于测量电压差的第二对所选择的电极优选不同于用于 感应电流的第一对所选择的电极。
在本发明目前的优选实施例中，第一对电极和第二对电极不包括公共 电极。
在本发明的另一实施例中，第一数目电极可以是四个。优选地，第一 数目电极为偶数，但在可替换的实施例中可以由具有非偶数电极的探针构 成。
该方法的计算机实现方案可以包括本发明的第一和/或第二方面中的 任意特征。
该测量方法在电极与半导体衬底电接触时进行。该设备可以包括用于 将探针定位成与半导体衬底表面接触的移动装置。
该计算机系统可以进一步包括通信装置和/或输出装置，用于发射和/ 或输出测量结果。例子可以为网络连接、打印机、屏幕、硬盘、闪存驱动 或用于接收测量结果的任意其他装置。
依据本发明第三方面的系统可以适用于执行与本发明的第一和/或第 二方面有关内容所提及的步骤。
附图说明
图1是在两层系统上所测量的片电阻对长度规格的依从关系的曲线 图；
图2是对所测量的片电阻随探针间隔的预期变化的曲线图，阴影区域 指示单片和并行片极限之间的过渡体系；
图3是通过在不同长度规格处重复测量四点电阻来精确确定超浅层接 合处的片电阻的方法；
图4示出对超浅层接合处的示例四点测量。实线为依据本发明而预测 出的行为；
图5是依据本发明的一个实施例用于测量片电阻和饱和漏电流密度的 设备的框图。
具体实施方式
为了确定这个长度规格，我们考虑到具有片电阻Rt(顶)和Rb(底) 的两薄无限层的简单夹层。使用非常小的探针对顶表面进行的四点电阻测 量将仅仅检测顶层，并且所测量的四点电阻由下式给出：
另一方面，如果使用非常大的探针进行该测量，则结果将为这两层的 并行结合：
在某一过渡的长度规格处，所测量的电阻将介于式1和式2的数值之 间。长度规格由这两层之间衔接处的电阻面积乘积RA来确定，并由下式 表达：
然后，针脚间隔为s的探针的四点电阻为：
其中K0为第二类零阶的变型贝塞尔函数。这种行为被显示在图2中，用于 Rt＝Rb＝1000Ω/sq的示例系统。显然：过渡发生在s＝λ处，而且有从0.1λ 到5λ的过渡区域，在附图上由阴影区域指示，其中所测量的电阻明显不 同于式1和式2中的极限。在半导体表面的浅层注入区域例如超浅层接合 处的情况下，该衔接处实际上为具有强烈非线性行为的p-n型势垒。通过 该势垒的电流密度可表达为：
其中q为基本电荷，T为温度，k为玻尔兹曼因数，V为跨该衔接处的电 势，以及Js为饱和电流密度。如果跨该衔接处的电势远远小于T＝300K， kT/q＝25.9mV处的热电压，则表达式5简化为
在几个μA的电流设定点处进行四点测量时，这是对大多数注入物的有效 逼近，导致在内电极之间几个mV的数量级上的电势降(典型的USJ片电 阻处在500-2000Ω/sq的较窄范围中)。跨势垒的电势仅仅为这个内电极电 势的分数。在这个体系中，该势垒的电阻面积乘积RA为
我们考虑非常大的漏电流为10-3A/cm2，较高的USJ片电阻 Rt＝2000Ω/sq，以及较高电阻的衬底Rb＝500Ω/sq。然后，式3对我们 给出长度规格λ1020μm。通过以上讨述，因此，只有在低于100μm的长 度规格上进行的四点探针测量将一直生成USJ片电阻的精确表示。
以上论述考虑了由两个薄层组成的系统。这是对典型USJ注入物的有 效假定，因为它们被注入导电率明显比周围衬底高的薄晶体管晕区(halo region)。还分析了带有半无限低层的系统，而且以上得出的结论在这种情 况下也有效。
在本发明的优选实施例中，如图3所示，在不同长度规格处进行微观 测量。310，使用不同电极间隔，对样本表面进行一系列四点测量，至少 一个电极间隔低于100μm。接下来，320，确定这些测量值对长度规格的 依从关系。最后，通过将所测量的数据拟合到式4中的理论模型来确定超 浅层接合处的片电阻和漏电流密度。
在第二优选实施例中，使用小于20μm的电极间隔，对半导体表面进 行单四点测量。然后，通过式4对于小电极间隔s的极限行为，来确定超 浅层接合处的片电阻：
图4示出对深度为50nm(方形弹(square bullet))和70nm(圆形弹 (circle bullet))两个半导体浅层注入物分别依据本发明进行测量
微观四点探针测量使用探针间隔3～60μm的微结构探针进行。肉眼可 见的测量使用常规钨针探针进行。电流设定点为50μA。对于双注入物， 所测量的片电阻实质上是微观范围上的常数，而肉眼可见的测量明显更 低。这是从图1中预期到的。
底层片电阻为Rb＝15Ω/sq。然后，将数据拟合到式4得到对50nm厚 的注入物来说Rt＝3006Ω/sq和λ＝1.92nm，以及对70nm的注入物来说 Rt＝1847Ω/sq和λ＝5.66nm。拟合的理论预测被显示为图4中的实线。
饱和电流密度可以通过以下关系式从图4中的数据确定：
这给出对50nm注入物来说Js＝2.31×10-4A/cm2，以及对70nm注入物来 说Js＝4.35×10-5A/cm2。
图5为依据本发明的一个实施例用于测量片电阻和饱和漏电流密度的 设备的框图。该设备由连接到计算系统570上的浅层接合处测试器件500 构成。
浅层接合处测试器件500由带有多个电极515-1至515-n的探针510 构成，n为电极的总数，这些电极与带有浅层注入物的半导体衬底520的 表面接触。
在本发明的优选实施例中，探针电极是导电的微结构悬臂，而且相邻 电极之间的间隔介于1μm和300μm之间。在优选实施例中，至少有一个 电极间隔集合的平均电极间距低于100μm。
在另一优选实施例中，至少有一个电极间隔集合的平均电极间距高于 300μm。
探针连接到压控电流源540上，用于在探针电极对和高阻抗电位计550 之间感应电流，从而测量另一对探针电极之间的电压差。通过连接到各个 探针电极上的n对4多路器，连接到电位计和电流源上的探针电极是可选 择的。
电流源由来自锁相放大器560的振荡参考信号所驱动，电位计输出端 连接到锁相放大器输入端上，用于检测所测量的电压相对驱动电流的同相 分量。
计算机系统570由对存储器单元576进行操作的中央处理单元575构 成。该存储器单元包含供控制器模块585使用的程序指令，能够在预定多 个电极间隔集合处进行电流设定点低于100μA的一个或多个四点电阻测 量。存储器单元还包含供数据分析模块580使用的程序指令，数据分析模 块580通过将所测量的数据在预定误差范围内拟合到式4来确定浅层注入 物的片电阻，而且从式9的求值中确定饱和泄漏电流密度。
当然，计算机系统570可以包括其他部件，比如电源、IO器件等。
图1示意性图示说明沿y轴的片电阻和沿x轴的探测长度规格。
图2示意性图示说明沿y轴的片电阻[Ω/sq]和沿x轴的归一化探针间 隔s/λ。
图3示意性图示说明用于精确确定超浅层接合处的片电阻的方法中的 三个步骤。该方法包括步骤310：测量各种电极间隔集合的四点电阻。320： 从所测量的数据中确定片电阻间隔依从关系。330：通过曲线拟合确定浅 层注入物的片电阻和泄漏。
图4示意性图示说明沿y轴的片电阻[Ω/sq]和沿x轴的探针长度规格 [μm]。
图5示意性图示说明用于测量片电阻和饱和漏电流密度的设备的框 图。该设备包括：
500：浅层接合处测试器件
510：探针
515-1-515-n：探针臂
520：带有浅层注入物的半导体衬底
530：多路器
540：压控电流源
550：电位计
560：锁相放大器
570：计算机系统
575：处理器
576：存储器
580：数据分析模块
585：控制器模块
本发明可以以下面权利要求为特征：
1、一种用于确定半导体衬底表面中的浅注入物的片电阻和漏电流密 度的方法，该方法包括：
a.在多个电极间隔集合处对所述半导体表面进行一个或多个四点电阻 测量，所述四点电阻测量中的感应电流低于100μA，而且用于所述多个电 极间隔集合中至少一个平均电极间距低于100μm的集合；
b.使用所述一个或多个四点电阻测量值和所述多个电极间隔集合之 间的已知关系来提取所述半导体表面中所述浅层注入物的片电阻。
2、依据点1所述的方法，进一步包括使用所述一个或多个四点电阻测 量值和所述多个电极间隔集合之间的已知关系来提取所述半导体表面中 所述浅层注入物的饱和漏电流密度。
3、依据点2所述的方法，其中所述多个电极间隔集合中至少有一个集 合平均间隔在300μm以上。
4、依据点1所述的方法，其中所述多个电极间隔集合中至少有一个集 合平均间隔低于20μm，并使用理论数据的极限行为来确定所述浅层注入物 的片电阻，该极限理论行为由下式给出：
其中R为所测量的四点电阻，s为四点探针电极间隔，Rt为所述浅层注入物 的片电阻。
5、依据点3所述的方法，其中通过调整多个变量直至理论数据在预定 误差范围内拟合所测量的数据，来确定所述浅层注入物的片电阻和饱和漏 电流密度，该理论和测量数据通过使用下式来拟合：
其中λ＝kT/(Jsq(Rt+Rb)))；Ra和Rb分别为所述浅层注入物和所述半导体衬底 的片电阻，K0为第二类零阶的变型贝塞尔函数，s为四点探针电极间隔，k 为玻尔兹曼常数，T为温度，Js为饱和漏电流密度，以及q为基本电荷。
6、依据点5所述的方法，其中在实验上由次级离子质谱法或本领域技 术人员已知的其他方法来测量所述半导体衬底的电阻率ρ，并由关系式 Rb＝ρ/t来确定衬底片电阻，t为所述半导体衬底的厚度。
7、一种用于测量半导体衬底中浅层注入物上的片电阻和饱和漏电流 的系统，该系统包括：
a.带有与所述半导体衬底的表面接触的多个电极的探针；
b.压控电流源，用于在一对所选择的电极之间感应电流；
c.高阻抗电位计，用于测量一对所选择的电极之间的电压差；
d.多路器，包括多条电连接线，其中两根线连接到所述电流源上而且 另两根线连接到所述电位计上；
e.锁相放大器，其用于生成控制所述压控电流源的周期参考信号，并 用于检测所述高阻抗电位计的同相输出；
f.带有中央处理单元和包含程序指令的存储器的计算机系统用于：在 多个电极间隔集合处对所述半导体表面进行一个或多个四点电阻测量，在 所述四点电阻测量中的感应电流低于100μA，而且用于所述多个电极间隔 集合中至少一个平均电极间距低于100μm的集合；使用所述一个或多个四 点电阻测量和所述多个电极间隔集合之间的已知关系，提取所述半导体表 面中所述浅层注入物的片电阻。使用所述一个或多个四点电阻测量和所述 多个电极间隔集合之间的已知关系，来提取所述半导体表面中所述浅层注 入物的饱和漏电流密度。
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