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1、河北工业大学 硕士学位论文 基于MSP430单片机的微区薄层电阻测试技术研究 姓名：黄宇辉 申请学位级别：硕士 专业：仪器科学与技术 指导教师：刘新福 20100601 河北工业大学硕士学位论文 基于基于 MSP430 单片机的微区薄层电阻测试技术研究单片机的微区薄层电阻测试技术研究 摘摘 要要 当今科学技术高速发展，世界范围内对半导体产品的需求持续上扬，半导体芯片生产 商投入了大量资金以跟上半导体市场的发展步伐。半导体工业的进步以及对制造微型芯片 最为关键的薄硅晶片的大量需求将引导半导体黄金时代的发展。这就要求对半导体晶体的 完美性、机械特性和电学特性都提出了更为严格的要求，尤其是晶体微区的
2、电学特性及其 均匀性已经成为决定半导体器件性能优劣的关键因素。因此，对半导体晶体微区电阻率的 测试技术的研究具有重要意义。这就要求促使新的半导体晶体电阻率检测与分析技术不断 出现、不断完善的与提高，本文通过对半导体晶体电阻率测试技术的研究，对四探针测量 理论进行了深入分析，包括各种四探针法测量公式的推倒和一些相关理论的总结并制定测 试方案，本课题中四探针电阻率测试系统主要分为;机械部分、电路测试部分和计算机数据 处理部分，本课题主要利用 MSP430 单片机在四探针机械测试平台的基础上采用斜置方形 四探针测试技术对半导体硅片微区电阻率测量系统进行研究。 本课题的斜置方形四探针测试电路采用 MS
3、P430F169 单片机作为微处理控制核心，电 路测试部分主要由如下几个组成部分： 1.恒流源电路；2.探针转换通道；3.电压采集放大 电路；4.LCD 显示电路；5.单片机和计算机通信电路；6.温度采集电路；各组成部分在单 片机的统一控制下，共同完成测量过程。 关键词关键词：四探针，微区薄层电阻，MSP430，电阻率 i STUDY ON THE SHEET RESISTANCE MEASUREMENT OF THE MICRO 一一 AREA BASED ON MSP430F169 ABSTRACT With the high speed development of science an
4、d technology now, worldwide demand for semiconductor products continued to rise. Semiconductor sheet manufacturers put a lot of money to keep up the pace of semiconductor market. Progress in the semiconductor industry as well as the manufacture microchips most critical thin silicon wafers, the golde
5、n age of high demand will lead to the development of the semiconductor. This requires perfect mechanical properties and electrical properties semiconductor sheet. In particular the electrical properties of microchips and uniformity of semiconductor devices has become a decision in the future perform
6、ance of the merits of the key factors . Therefore, the semiconductor micro resistivity testing is important. This requires new analysis for resistivity of semiconductor sheet. The semiconductor sheet electrical resistivity on the four-probe measurement theory is discussed In the paper. The four-prob
7、e electrical resistivity test system consists of mechanical parts, circuit testing and computer data processing part. In this paper, oblique square four-probe method is used to test the semiconductor resistivity. MSP430 MCU equipment used to control the measurement process. In the paper, square obli
8、que four-probe circuit used MSP430F169 MCU as the core microprocessor control. Testing System consists of several components as follows: 1. Constant current source circuit; 2. Probe conversion channel; 3. Voltage acquisition enlarge circuit; 4.LCD display circuit; 5. microcontroller and computer com
9、munications circuit; 6. Temperature acquisition circuit; The measurement process is Controlled by microcontrollerl. KEY WORDS: four-point probe, Sheet Resistance, MSP430, resistivity ii 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不 包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论 文所涉
10、及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如 下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论 文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校 有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版； 在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部
11、分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪第一章 绪 论论 1-1 概述概述 集成电路技术及其产业推动着信息产业高速发展， 成为经济和社会的重要支柱产业， 集成电路技术 的快速发展更是国家安全和国防建设事业的关键保证。 现在集成电路的集成度越来越高，从超大规模、甚大规模到极大规模，电路尺寸的微细程度已超出 了常人的想象。这就对半导体晶体的完美性、机械特性和电学特性都提出了更为严格的要求，这就促使 新的半导体晶体电阻率检测与分析技术不断出现、 不断完善的与提高， 而半导体晶体电阻率的检
12、测与分 析技术的不断提高，又不断促使半导体科学的发展。现在，半导体晶体电阻率的检测与分析已经成为半 导体科学体系中不可缺少的重要环节， 可以说没有半导体晶体电阻率检测与分析的发展， 半导体和集成 电路的科研和生产就要陷入困境， 就不可能有今天的集成电路技术的快速发展。 随着半导体晶体电阻率 检测技术的不断进步， 半导体晶体微区的电学特性及其均匀性显得更加重要。 很多半导体器件的重要参 数与电阻率与微区搀杂有关，电阻率及微区搀杂的不均匀性不仅影响晶体而且影响半导体器件的特性。 这就要求对半导体晶体微区的电学特性进行严格的监控。 微区薄层半导体晶体电阻率检测方法主要分为两大类；一类是无接触测量法；
13、一类是接触测量法。 无接触测量法与接触测量法相比较其最大优点在于:与被测样片没有接触，不损坏和沾污被测样片，其 缺点是设备颇为复杂，仪器成本高，测量范围窄。现在无接触测量法主要分三种。 第一种测量是涡电流法， 涡电流法除了要求必须事先使用己知电阻率的标准片校正外， 只能测出整 个半导体晶体样片的电阻率平均值，测量精度大约为 5%。 第二种测量方法是等离子共振红外线法。 这种测量方法是利用等离子共振极小点对薄层晶体进行的 测试。 第三种测量方法是利用微波扫描显微镜探测头的测试方法， 这种方法己应用于金属薄膜电阻率的测 试。采用接近测试区域的共振微波显微镜，通过扫描获取微区的电荷分布图，然后转化为
14、薄层电阻分布 图。 由于电压探测头上没有流过样品电流， 因此测出的样品电阻率与金属和半导体之间的接触电阻无关。 该方法可以得到定量的电阻率描述图，具有较高的速度、较宽的测量频率，通过应用标准的测试电路结 构， 以及更换中心导体较小的探测头的导体直径来提高空间的分辩率。 这种方法由于受接触探头及与测 量样片轮廓外形变化等的限制，测试数值会产生一定的误差，并且测试微区尺寸受到探头尺寸限制，测 试区域为测头中心导体直径大小的固定值，不可调节1。 接触测量方法是相对较为经济和成熟的测试方式， 接触测量方法主要分为两探针法和四探针法。 斜 置方形四探针是在直线四探针的基础上发展起来的。普通直线四探针法测
15、量时要求探针间距严格相等， 且不能有沿直线方向以及横向的游移。 斜置方形四探针测试法不仅可以得到更高的测试分辨率， 而且可 以减小探针游移带来的测量误差。本课题采用斜置方形四探针的方法测试半导体晶体微区薄层的电阻 1 基于 MSP430 单片机的微区薄层电阻测试技术研究 率。使用斜置式方形四探针测量半导体晶体电阻率分布，可以使针距控制在 0.5mm 以内，则分辨率降 到约 0.5mm 范围左右，所得 Mapping 图将能更精确的表示半导体晶体的微区特性。而且斜置式方形四 探针针距可调到 1mm 以下，探针构成方形受边缘影响较小。 1-2 四探针技术的主要应用四探针技术的主要应用 1、测量半导
16、体电阻 利用四探针法可以对半导体硅衬底片、研磨片、抛光片、外延片、扩散片、离子注入片、吸杂片、 退火片、金属膜和涂层等的薄层电阻进行测试，并计算电阻率，得到阻值分布的 Mapping 图。并以此 为依据，控制硅衬底、外延、扩散、离子注入、吸杂、退火等各道工艺的质量。比如对外延生长工艺进 行监控、判断离子注入退火后薄层电阻均匀性差的原因、为离子注入提供精确剂量与工艺监测、监视扩 散炉内部温度与气流对扩散的影响和监控溅射铝层厚度质量等等。 随着技术的进步，四探针法已经应 用到碳化硅之类的高阻样品电阻率的测量中。 2、评估 VLSI 互联金属薄膜的可靠性 我们通常把导体在温度 298K 时的电阻率与 77K 时的电阻率比作导体完美程度的标准。 为控制和减 少由于电流密度增加造成的电迁移失效现象，增加导电薄膜的载流容量，可完善互联金属薄膜的组成、 热导性和其结构品质。用四探针法分别测量 298K 和 77K 温度时的铝膜电阻值，计算两种情况下的薄 层电阻比 RR,即 RR = 298 77 K K R R 用
