用于芯片電容精確測量的在片開路方法研究

李 灝， 喬玉娥， 丁 晨， 丁立強(qiáng)， 劉霞美， 吳愛華

(中國電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

電容是芯片工藝測試中的重要參數(shù)，在微電子領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]，測試量值的準(zhǔn)確與否，直接影響到芯片產(chǎn)品及所列裝整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。與實(shí)物電容相比，在片電容準(zhǔn)確測試的難度更大。常見的芯片電容測量系統(tǒng)，如PCM系統(tǒng)、MEMS測試系統(tǒng)等，通過矩陣開關(guān)、轉(zhuǎn)接頭、線纜、探針(探卡)等將測試儀器同被測芯片相連接，回路所包含的影響量復(fù)雜;且芯片與探針直接裸露在空氣中，受到外界的干擾也更加明顯。電容測試過程中，開路效果的好壞直接影響測試結(jié)果準(zhǔn)確性[2]。標(biāo)準(zhǔn)電容器測試過程中，使用配套的開路器能夠達(dá)到較為理想的開路效果;然而在片電容參數(shù)測試，由于缺少專用開路器，目前多采用探針懸空開路的方式，由于空氣中開路無法對(duì)在片測試過程干擾量進(jìn)行精確補(bǔ)償，且開路狀態(tài)難以固定，開路效果難以保證。

本文針對(duì)在片電容參數(shù)測試中開路難題，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容器、開路器結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，研究了在片電容參數(shù)開路方法，設(shè)計(jì)并制作了在片形式的開路器，利用自行搭建的在片測量系統(tǒng)對(duì)開路效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，在片開路器能夠達(dá)到較好的開路效果。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 標(biāo)準(zhǔn)電容開路器

作為復(fù)現(xiàn)電容單位量值的實(shí)物器具，標(biāo)準(zhǔn)電容器具有良好的穩(wěn)定性[3]，受外界環(huán)境影響小，能夠最大程度上保證電容測試結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。對(duì)于量值在100 pF范圍內(nèi)的小電容，多采用空氣(或純氮?dú)?、純氬?電容器形式進(jìn)行制作[5，6]。

盡管標(biāo)準(zhǔn)電容器具備良好的指標(biāo)特性，其仍然不可避免地存在著附加誤差。在圖1所示的四端對(duì)空氣電容器等效電路模式中[7]，CLH為該電容器目標(biāo)被測量值；CHG為電容H端與外屏蔽層之間的分布電容；CLG為電容L端與外屏蔽層間的分布電容；LOLC、LOLP、LOHP、LOHC分別是各個(gè)端口到目標(biāo)電容器的引線電感。上述引線電感及分布電容的存在，會(huì)對(duì)電容測量結(jié)果造成干擾。以Keysight公司16380A系列標(biāo)準(zhǔn)空氣電容組為例[8，9]，其分布電容的CHG典型值在17～33 pF范圍內(nèi)，CLG典型值在29～48 pF范圍內(nèi)，這些分布電容會(huì)給電容量值精確測試帶來不可忽略的系統(tǒng)誤差。

圖1 四端對(duì)空氣電容器等效電路模型Fig.1 Equivalentcircuit model of the four-terminal pair air capacitor

為了實(shí)現(xiàn)電容的精確測試，減小分布電容、引線電感等帶來的誤差，標(biāo)準(zhǔn)電容器需配備開路器進(jìn)行使用。開路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)同標(biāo)準(zhǔn)空氣電容類似，在原電容位置使用開路進(jìn)行替代，以模擬電容器結(jié)構(gòu)引入的誤差因素，并通過電容測量儀器的開路補(bǔ)償功能進(jìn)行消除[10，11]。開路器使用介質(zhì)(如空氣、純氮?dú)?、純氬氣?進(jìn)行填充，有的在中間設(shè)計(jì)有隔離層，以進(jìn)一步提升高端和低端間的屏蔽。圖2所示為Agilent 42090型四端對(duì)開路器，其能夠較好地搭配16380A電容組，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電容的準(zhǔn)確測試。

圖2 Agilent 42090型四端對(duì)開路器Fig.2 Agilent 42090 four-terminal pair open termination

2.2 在片開路方案

2.2.1 在片電容開路器設(shè)計(jì)

隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，在片電容參數(shù)測試成為半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。圖3所示為典型在片電容測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，電容測量儀器通過矩陣開關(guān)、測試線纜(轉(zhuǎn)接頭)、探針探卡等連接結(jié)構(gòu)，同在片電容結(jié)構(gòu)的4個(gè)PAD接觸，完成在片電容的容值測量[12]。由于目前主流的電容參數(shù)測量儀器選用四端對(duì)形式，因而在片開路器也選用了四線結(jié)構(gòu)[13]。

圖3 在片電容測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagrammatic drawing of the on-wafer capacitor measurement system

由于在片電容參數(shù)的特殊測量形式，其測量結(jié)果更易受到其它因素干擾：芯片表面PAD、金屬導(dǎo)線等帶來的引線電感及分布電容[14,15]；芯片、探針為點(diǎn)接觸，且暴露在空氣中，難以實(shí)現(xiàn)良好屏蔽；探針與金屬PAD間在近距離接觸時(shí)也會(huì)存在微小的分布電容等[16]。這些干擾的存在，給在片電容參數(shù)精確測試帶來了困難[17]。

為了盡可能消除上述干擾，測量前也必須進(jìn)行開路操作。由于缺乏專用在片開路器，目前，在片電容測試系統(tǒng)的開路還只能通過探針懸空開路的方式進(jìn)行。但該方法無法準(zhǔn)確模擬芯片電容測試過程的附加誤差，不能對(duì)干擾因素實(shí)現(xiàn)有效修正;同時(shí)，懸空開路方法的開路狀態(tài)(開路高度、位置、空氣環(huán)境等)難以固定，也會(huì)影響測量數(shù)據(jù)間的一致性。

為此，參考標(biāo)準(zhǔn)電容開路器的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)了專用于在片電容測試的開路器[18]。如圖4所示，該結(jié)構(gòu)在典型芯片電容結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將電容部分用芯片襯底材料代替，僅保留原結(jié)構(gòu)的金屬PAD及引線結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)開路器同被測電容間的良好匹配，其結(jié)構(gòu)尺寸都應(yīng)嚴(yán)格按照被測電容進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，才能保證附加誤差修正的針對(duì)性與準(zhǔn)確性。

2.2.2 在片電容開路器工藝制作

在上述在片開路器設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，進(jìn)行了半導(dǎo)體工藝制作，主要包括以下3個(gè)步驟：

(1)結(jié)構(gòu)制作

在芯片襯底材料上制作出能夠?qū)崿F(xiàn)開路器功能的微小結(jié)構(gòu)。為了保證開路器制作效果，使其更加貼近工藝線上實(shí)際測試需求，選擇采用半導(dǎo)體領(lǐng)域主流的GaAs工藝進(jìn)行制作。GaAs材料作為襯底材料能夠?qū)崿F(xiàn)引線間較好的隔離，避免引入新的干擾量。開路器結(jié)構(gòu)尺寸同被測芯片保持一致，從而保證了開路補(bǔ)償效果。所制作的在片開路器單元尺寸為10 mm×10 mm，包括4個(gè)面積為300 μm×300 μm的接觸電極。

(2)鈍化

在片開路器尺寸微小，直接暴露在空氣中容易被氧化，影響其功能及量值的長期保持。為進(jìn)一步提高其穩(wěn)定性，在開路器結(jié)構(gòu)制作完成后，在表面覆蓋了一層SiN材料進(jìn)行鈍化。通過在芯片表面形成一層保護(hù)層，避免外界溫度、濕度、塵埃、電磁干擾的影響。通過該處理，有效提高了在片開路器的穩(wěn)定性。

(3)加固

GaAs晶圓片厚度很小(600 μm左右)，且本身材料較脆，極易在外力作用下出現(xiàn)損壞。為提高其耐用性，對(duì)其進(jìn)行了加固處理，主要包括減薄、劃片及裝架3個(gè)環(huán)節(jié)。在裝架過程中，由于在片開路器采用的是正面工藝，芯片通過粘結(jié)劑粘附在載體上。裝架載體的選擇方面，為保證絕緣效果及支撐強(qiáng)度，采用了陶瓷片作為載體。

制作完成的在片開路器實(shí)物如圖5所示。

圖5 在片開路器實(shí)物圖Fig.5 Real products of the on-wafer capacitor open instrument

3 實(shí) 驗(yàn)

為了對(duì)在片開路器的效果進(jìn)行評(píng)估，自行搭建了在片電容測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6，主要由電容測試儀器(GenRad1693型LCR電橋)、線纜、探針臺(tái)及探針(探卡)組成。圖7是搭建完成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖6 在片電容參數(shù)測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Drawing of the on-wafercapacitance parameter measurement experimental system

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Real products of the experimental system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后，首先針對(duì)探針懸空開路的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了探究開路狀態(tài)的改變對(duì)數(shù)據(jù)一致性的影響，實(shí)驗(yàn)選擇探針高度作為變量，對(duì)開路時(shí)探針高度進(jìn)行改變。在完成開路操作后，對(duì)標(biāo)稱值為1 pF的在片電容進(jìn)行了測試，測試頻率為1 MHz。表1所示為探針高度對(duì)開路效果的影響數(shù)據(jù)，其中開路高度指開路時(shí)探針間位置同待測芯片距離。

表1 開路高度對(duì)測試結(jié)果影響Tab.1 Influence on the measurement results by open height

使用研制的在片開路器進(jìn)行了開路及測試的操作，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 在片開路方式測量結(jié)果Tab.2 Measurement results with on-wafer open operation pF

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用空氣懸空開路方式時(shí)，探針距離芯片的高度的變化，會(huì)對(duì)開路效果造成干擾，數(shù)據(jù)顯示，高度每變化1 mm，電容測量值約變化0.6%。使用在片開路器進(jìn)行開路時(shí)，由于對(duì)開路狀態(tài)進(jìn)行了有效固定，避免了環(huán)境條件的影響，開路數(shù)據(jù)一致性更好;通過計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差可知，在對(duì)1 pF電容進(jìn)行測量時(shí)，測量重復(fù)性可以達(dá)到0.01%;同時(shí)，同電容樣片的標(biāo)稱值相比，在片開路方法測得的結(jié)果也具有更好的符合性。

4 結(jié) 論

針對(duì)片上電容參數(shù)測試過程中缺乏專用開路器，開路效果無法保證的現(xiàn)狀，在分析標(biāo)準(zhǔn)電容器、開路器原理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)在片開路方法開展了研究，設(shè)計(jì)并制作了專用的在片開路器。通過與芯片工藝線上現(xiàn)行采用的空氣懸空開路法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，使用研制的在片開路器進(jìn)行開路操作，能夠有效提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、一致性。該在片開路器設(shè)計(jì)及制作方法，在片上電容計(jì)量測試領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價(jià)值。