基于EIT技术的微区薄层电阻测试系统研究 0 引言集成电路制造工艺不断进步，目前已经达到45 nm的工艺水平这对晶体的完美性、机械及电特性提出了甚为严格的要求特别是微区的电学特性及其均匀性已经成为决定器件性能优劣的关键因素微区薄层电阻的测试也成为材料和芯片加工中的重要检测工序接触测量法是较为经济和成熟的微区电阻测试方式接触法测量半导体材料电阻率主要有以下几种方法：两探针法、四探针法、单探针扩展电阻法等其中，四探针法在半导体测量技术中得到了广泛的应用，成为半导体生产工艺中较为有效的工艺监控手段…四探针测试技术分为直线四探针法和矩形四探针法矩形四探针法能够测量较小微区，可以测试样品薄层电阻的不均匀性及微样品的薄层电阻[2]常规无接触测量法同接触测量法比较，具有不接触被测样片的表面、固有不损坏和沾污被测样片等优点但同时也存在着设备复杂、仪器成本高、测量范围窄等缺点研究当前生物医学中方兴未艾的电阻抗成像技术，依其技术原理[5-6]将电阻抗成像技术应用到半导体晶片和其他薄层电阻的测试上，从而探究一种全新的被测区域无接触微区薄层电阻测试技术。
电阻抗成像技术( EIT)又叫适应电流造影技术( ACT)，是近几十年来发展起来的新的功能成像技术，它是利用对物体表面的电测量来重建反映物体内部结构及功能变化图像的一种新颖的计算机影像技术EIT的实现一般是通过在物体表面设置一定数量的电极，在选定的电极上施加一定模式的电流，然后测量各电极的电压，再将这些已知的电流、电压数据，依据图像重建算法，构造出物体内部的未知阻抗图像1 EIT系统结构本文研究的EIT系统的电极探针触点在Si片外缘的窄区内如图l所示EIT系统结构中，模拟开关将选定的恒定电流注入到与Si片相接的指定电极上，并从选定的电极上测量电压；测得的电压信号经过放大、滤波后，送至A/D，DSP控制A/D的工作，接收从A/D来的数据DSP对数据预处理后，传回计算机，在计算机内将数据用既定的算法进行图像重建，最终显示结果2 模块构成与功能系统采用DSP作为整体电路的中心控制及数据处理器件2.1 TMS320VC5409 DSP芯片介绍[8]TMS320VC5409是TI公司TMS320VC5000系列中应用最为广泛、性价比较高的DSP芯片之一，主要应用于数字信号处理领域C5409采用改进的哈佛结构，其内部具有16 KB的ROM和32 KB的RAM。
芯片内部RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY及DROM位灵活设置特别是芯片内具有32 Kx 16 bit的内部RAM，对提高系统的整体性能很有帮助2.2恒流源电路设计考虑到对注入Si片的恒流有一定的要求‘9]，并且随被测样品电阻率的不同，要选择不同大小的注入电流来进行测量，因此恒流源的性能和电流数值的合理性在很大程度上决定了测试结果的准确率电路采用用于半导体四探针测试仪的新型恒流源[10]，如图2所示电路的核心器件是集成运放IC2ALM317的输出端经过电位器R3和电阻心，接到集成运放IC2A的反相输入端稳压二极管Di在IC2A的同相输入端设置固定电压，将其设定为+2 V用IC2A的输出电流来驱动负载，即在系统电路中接人选定的输入电极1向Si片注入恒流负载电路在获得运放IC2A的输出电流的同时，还给运放引入负反馈，因运放“虚短路”的特性，其反相输入端和同相输入端的电位近似相等，都为+2 V因此，在R3和R4串连的通路中将形成恒定电流，o，其大小为(1)式中UM为LM317的输出电压，将其设定在+2 V以下根据式(l)，当UM -定时，R3分别取最大值和最小值时，恒流源将分别输出最小电流和最大电流。
2.3 多路模拟开关的设计模拟开关阵列用于设置电流激励输入模式和电压测量模式此模块的设计主要考虑以下因素：模式设置灵活方便、通道一致性好、导通电阻小、切换速度高采用模拟多路开关MAX306芯片及其外围电路，来达到激励通道和测量通道按照要求进行切换的目的通过选择芯片端口AO-A3以及使能端口EN来选择16开关中的任意一个四个MAX306并联可以完成32选2任意的电流注入模式或电压测量模式2.4前置放大电路介绍Si片上测量得到的电压信号一般处于微伏、毫伏级的范围，因此须设计信号放大电路在此过程中，首先要考虑的是尽量提高放大器的输入阻抗，这样可以减小因源阻抗的不稳定造成的放大器电压增益的不稳定论文选用三运算放大器结构的仪表放大器AD624[，其具有低噪声、低漂移的性质，能够对来自电极的信号进行精密放大，同时抑制共模干扰成分，[来自www.L]提高信号质量，并且其可以通过编程控制增益系数，特别适合于高分辨率数据采集系统2.5 A/D及其与DSP的连接放大后的模拟电压信号须经A/D器件转化为数字信号送人DSP中TI公司的TLV2544是一种高性能、低功耗、高速、12位CMOS模数转换器如图3所示，A/D转换电路的工作是由DSP的串行输出口BDXO发送控制字到TLV2544的SDI口，来决定其工作方式。
TLV2544按DSP发出的控制字进行转换，当转换结果产生后，发出INT信号通知DSP接收DSP接收到INT信号后，经BDRO口读入已转换好的串行数据3 阻抗分布图像的重建在计算机内完成图像重建，这里采用等位线反投影法，它是借鉴X射线计算机断层成像( X-CT)的反投影技术研究出来的一种动态电阻抗成像算法[14-15]它将边界电位沿等位线进行投影引入反投影矩阵B，将边界电位变化沿等位线方向进行反投影，就是将B乘以边界电位的变化值，即Ar=B-Av(2)式中：Av表示场域电位变化；△r表示场域电导率对数的变化矩阵B的元素Bv表示第i个边界电位变化投影到第i个像素时的系数，当该像素在经过第i个电极的等位线上时，Bv为1，否则为0通过改变电流注入点位置进行反复的反投影并进行加权，最后可得到重构图像4 结语微区薄层电阻测试系统将电阻抗成像技术应用到半导体测试上，对新型EIT系统的性能提出了要求一方面，EIT测试系统控制电路中的噪声应做进一步的研究由于重建算法对数据精度的要求，使得电路中的噪声给最终结[]果带来较大误差因此，选择合适的器件、进行合理的布线都是非常重要的另一方面提高放大器的共模抑制比，提高A/D转换器的速度和分辨率，进一步减小A/D转换器的量化误差以及采集信号的滤波和数据的修正等也将是今后研究的重点。
此外，Si片模型是假设在二维的基础上，对于电阻抗成像重建算法的问题，实际情况中可能还需要研究三维的有限元模型无接触微区电阻测试系统的研究有着广阔的发展前景，探究EIT系统的最终目的是设计出新的高速度、高精度的电阻抗成像系统，并且应用到大尺寸Si片微区薄层电阻的测量并快速生成全片的微区薄层电阻的Mapping图，这对半导体测试技术的进步具有重大意义 -全文完-。