汞探针CV测试在半导体材料研究中的典型应用

彭雯璐，庞学明，刘洪山（通讯作者）

（华南农业大学电子工程学院 广东 广州 510642）

1 引言

汞探针直接和半导体接触形成肖特基势垒，是测量材料厚度方向掺杂浓度分布的一种非破坏性检验手段，已成为国内外研究人员考核半导体晶圆质量的标准。汞探针可以简便实现与多种仪表相配套，实行对硅及化合物半导体外延载流子浓度、CVD工艺和扩散工艺的监控等。其特点是重复性好、安全和方便，装置内汞含量极少，汞保护措施完善。在实验室利用汞探针测量技术，避免了其他测量方法中较为费时的金属化处理，可以有效提高产品良率、提高工艺和器件的性能，监测工艺参数，分析失效机制。

2 汞探针经典结构及测试原理

2.1 汞探针的基本结构

图1为某典型的汞探针台基本结构，主要由测量平台、阀门组件和真空源组成。

图1 汞探针结构图

如图1（a）所示，测量平台内部有两个装有汞的玻璃小瓶。使用真空控制，将汞导向触点，真空由小型泵产生，泵顶部有一个黑色压力调节器用于更改真空压力。有两条真空管路将测量平台连接到控制真空的阀门组件，一根真空管连接到真空环，另一根连接到汞瓶。连接到真空环的真空管路通过降低样品上的压力使汞与测试样品接触。该平台的表面加工成平面，并研磨成纹理，使表面和被测样品之间存在真空吸附。

汞探针由三个触点组成。两个前触点（汞点和汞环）由液态汞制成，见图1（b），分别是一个内部的圆点（直径一定）和一个位于圆点周围外部几乎封闭的环，开口的环可以用作返回触点或保护环触点。这两个汞触点都通过两个不锈钢毛细管连接到装有汞的小瓶。中心孔是主要的汞接触毛细管，开口的环是次要的汞接触，最外面的环是真空环，形成了汞探针的有效区域。后触点是通过将不锈钢圆柱体推向晶体制成，使晶体背面能与汞实现电接触。

探针底部还有两个其他玻璃小瓶，位于平台和阀门组件之间，这是汞阱。小瓶会在汞进入真空阀和真空系统之前捕获汞，通常应将其排空。

2.2 基本原理

汞探针的工作原理是通过真空泵连接汞探针供应汞的两个小瓶，吸入空气在瓶子内外形成压力差，从而降低晶片表面的压力并使汞与样品接触。

汞的功函数为4.53 eV，重掺杂n型硅的有效功函数为4.0 eV，当汞与重掺杂n型硅放在一起时进行整流接触，从而形成肖特基势垒。若将高频小信号电压叠加在直流偏压上，势垒电容将随施加电压的变化而变化，可以充当电容器[1]。从两个瓶子中顶出汞柱的面积一大一小，形成“背靠背”的肖特基二极管，可以认为是串联的两个可变电容器，即通过电容-电压变化关系，可以得出硅外延层一侧的金属-半导体肖特基势垒的掺杂浓度分布。可在金属–半导体接触面生长一层薄氧化层，以防止漏电导致测试不出结果。氧化层厚度必须很薄，以至于MOS电容Cox远大于肖特基势垒电容CD时，MOS电容可以忽略不计。

3 汞探针CV测试仪的典型应用

3.1 测量硅外延层载流子浓度

3.2 CVD工艺监控

汞探针可以与氧化的硅片一起用作栅极，以形成MOS测试结构，节省了制作MOS样品的复杂流程。通过测量MOS电容高频时的C–V曲线，见图2，能够分析出MOS结构处于积累、耗尽、反型区的特性，提取出氧化层厚度、平带电压、氧化层电荷、载流子产生寿命等重要的物理参数，从而实行CVD工艺监控。

图2 MOS电容的电容–电压曲线

3.2.1 氧化层厚度

3.2.2 平带电压

3.2.3 氧化层电荷

3.2.4 载流子产生寿命

图3 Zerbst曲线

4 结语

通过上述分析，汞探针CV测试仪有两种测量模式：肖特基和MOS。肖特基测量模式是测量硅外延层载流子浓度的有效方法，MOS测量模式采用汞柱形成MOS电容结构，通过测量获取氧化层厚度等参数对CVD工艺进行监控，表征在硅上生长的薄外延层。汞探针是一种很好表征半导体的测量工具，其成熟的技术保证了测试的方便性、高精确性及重复性。