GB/T 6616-2023 半导体晶片电阻率及半导体薄膜薄层电阻的测试 非接触涡流法

　　ICS 77 . 040 CCS H 21

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 6616—2023代替 GB/T6616—2009

　　半导体晶片电阻率及半导体薄膜薄层电阻的测试 非接触涡流法

　　Test method for resistivity of semiconductor wafers and sheet resistance of

　　semiconductor films—Noncontact eddy-current gauge

　　2023-08-06 发布 2024-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 6616—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件代替 GB/T 6616—2009《半导体硅片电阻率及硅薄膜薄层电阻测试方法 非接触涡流法》'与 GB/T 6616—2009 相比 ' 除结构调整和编辑性改动外 ' 主要技术变化如下:

　　a) 更改了范围(见第 1 章 ' 2009 年版的第 1 章) ;

　　b) 更改了干扰因素(见第 5 章 ' 2009 版的第 5 章) ;

　　c) 更改了试验条件(见第 6 章 ' 2009 年版的 6 . 1) ;

　　d) 更改了标准片和参考片的要求(见 8 . 1 、8 . 2 、8 . 3 ' 2009 年版的 4. 2) ;

　　e) 增加了样品的要求(见 8 . 4 、8 . 5 、8 . 6) ;

　　f) 更改了试验步骤(见第 9 章 ' 2009 年版的第 6 章) ;

　　g) 更改了精密度(见第 10 章 ' 2009 年版的第 7 章) ;

　　h) 增加了硅单晶电阻率温度系数(见附录 A) 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC203)和全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)共同提出并归口 。

　　本文件起草单位:中国电子科技集团公司第四十六研究所 、有色金属技术经济研究院有限责任公司 、浙江金瑞泓科技股份有限公司 、浙江海纳半导体股份有限公司 、广东天域半导体股份有限公司 、北京通美晶体技术股份有限公司 、山东有研半导体材料有限公司 、天津中环领先材料技术有限公司 、北京天科合达半导体股份有限公司 、中电晶华(天津)半导体材料有限公司 、浙江旭盛电子有限公司 、浙江中晶科技股份有限公司 、昆山海菲曼科技集团有限公司 。

　　本文件主要起草 人:何 烜 坤 、刘 立 娜 、李 素 青 、张 颖 、马 春 喜 、张 海 英 、潘 金 平 、丁 雄 杰 、任 殿 胜 、王元立 、朱晓彤 、张雪囡 、佘宗静 、齐斐 、许蓉 、李明达 、詹玉峰 、黄笑容 、边仿 。

　　本文件于 1995 年首次发布 ' 2009 年第一次修订 ' 本次为第二次修订 。

　　I

　　GB/T 6616—2023

　　半导体晶片电阻率及半导体薄膜薄层

　　电阻的测试 非接触涡流法

　　1 范围

　　本文件描述了非接触涡流法测试半导体晶片电阻率及半导体薄膜薄层电阻的方法 。

　　本文件适用于测试直径或边长不小于 25 . 0 mm 、厚度为 0 . 1 mm~1 . 0 mm 的硅 、导电型砷化镓 、导电型碳化硅单晶片的电阻率 ' 以及衬底上制备的电阻不小于薄膜电阻 1 000 倍的薄膜薄层的电阻 。单晶片电阻率的测试范围为 0 . 001 Ω ● cm~200 Ω ● cm ' 薄膜薄层电阻的测试范围为 2 . 0 × 10 3 Ω/□ ~ 3 . 0 × 10 3 Ω/□ 。本方法也可以扩展到其他半导体材料中 ' 但不适用于晶片径向电阻率变化的判定 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 ' 注 日期的引用文件 ' 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 ' 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 14264 半导体材料术语

　　GB/T 25915 . 1—2021 洁净室及相关受控环境 第 1 部分:按粒子浓度划分空气洁净度等级

　　3 术语和定义

　　GB/T 14264 界定的术语和定义适用于本文件 。

　　4 原理

　　将晶片平插入一对共轴涡流探头(涡流传感器)之间的固定间隙内 ' 与振荡回路相连接的两个涡流探头之间的交变磁场在晶片上感应产生涡流 ' 激励电流的变化是晶片电导的函数 。通过测试激励电流的变化即可测得晶片的电导率 。 晶片的薄层电阻(RS)按公式(1)进行计算 。

　　RS …………………………( 1 )

　　式中:

　　RS — 晶片的薄层电阻 ' 单位为欧姆每方块(Ω/□) ;

　　P — 晶片的电阻率 ' 单位为欧姆厘米(Ω ● cm) ;

　　t — 晶片中心的厚度(测薄膜时厚度取 0 . 050 8 cm作为有效厚度) ' 单位为厘米(cm) ;

　　G — 晶片的薄层电导 ' 单位为西门子(S) ;

　　δ — 晶片的电导率 ' 单位为西门子每厘米(S/cm) 。

　　5 干扰因素

　　5 . 1 晶片表面被沾污或表面有损伤 ' 会引入测试结果误差 。

　　1

　　GB/T 6616—2023

　　5 . 2 测试环境的温度 、相对湿度和光照强度的不同会影响测试结果 。

　　5 . 3 测试仪器附近有高频电源 ' 会产生一个加载电流引起电阻率测试误差 。

　　5 . 4 测试时晶片应放置在有效区域内(即被整个探头覆盖) 。

　　5 . 5 测试时间过长 ' 涡流会在晶片上造成升温 ' 测试时间宜小于 1 s 。

　　5 . 6 测试碳化硅和砷化镓单晶时 ' 如果用硅片作为标准片或参考片时应进行温度修正 ' 因为不同材料的温度修正系数不同 ' 可能会引入测试结果误差 。

　　5 . 7 测试过程中 ' 标准片或参考片与测试片之间的温度差大于 2 ℃时会引入测试结果误差 。

　　5 . 8 测试过程中 ' 电阻率标准片或参考片与待测晶片的厚度偏差大于25% ' 可能会引入测试结果误差 。

　　5 . 9 测试过程中 ' 由于测试值为有效区域电阻 ' 对于晶片电阻率均匀性测试存在一定误差 。

　　6 试验条件

　　6 . 1 测试环境温度为 23 ℃ ±2 ℃ ' 相对湿度不大于 60% 。

　　6 . 2 测试环境应有电磁屏蔽 ' 电源应有滤波 。

　　6 . 3 测试环境的洁净度应满足 GB/T 25915 . 1—2021 中 ISO 7 级的要求 。

　　7 仪器设备

　　7 . 1 电学测试装置

　　7 . 1 . 1 涡流传感器组件

　　由可供半导体晶片插入的具有固定间隙的一对共轴涡流探头 、放置晶片的支架(需保证晶片与探头轴线垂直) 、晶片对中装置及激励探头的高频振荡器等组成 。选择一个能穿透 5 倍晶片厚度或薄膜厚度的高频振荡器 ' 该传感器可提供与晶片电导成正比的输出信号 。涡流传感器组件示意图见图 1 。

　　标引序号说明 :

　　1 — 上探头 ;

　　2 — 晶片 ;

　　3 — 支架 ;

　　4 — 下探头 ;

　　5 — 振荡器 ;

　　6 — 对中装置 。

　　图 1 涡流传感器组件示意图

　　2

　　GB/T 6616—2023

　　7 . 1 . 2 信号处理器

　　当被测样片为晶片时 ' 通过晶片的厚度再转换为电阻率。 信号处理器应能显示薄层电阻或电阻率。当样片未插入时 ' 应具有晶片电导清零的功能 ' 且可以用已知标准片去校准仪器。

　　7 . 2 测厚仪与温度计

　　7 . 2 . 1 非接触式碳化硅片厚度测量仪或其他测厚装置。

　　7 . 2 . 2 温度计 ' 最小分辨力为 0. 1 ℃ 。

　　8 样品

　　8 . 1 标准片或参考片用于校准仪器之间的线性检查。 电阻率标准片或参考片与待测晶片的厚度偏差应小于 25% ' 标准片或参考片的标称值及其推荐量程见表 1 。

　　注 : 标准片或参考片是指有证标准晶片或可溯源的校准参考片。

　　表 1 标准片或参考片的标称值及其推荐量程

　　测试范围Ω ● cm

　　标准片或参考片的电阻率

　　Ω ● cm

　　相当于 508 μm厚的薄膜薄层标准片

　　或参考片的电阻

　　Ω/□

　　0 . 001~0 . 999

　　0 . 010

　　0.2

　　0 . 030

　　0.6

　　0 . 100

　　2.0

　　0 . 300

　　6 . 0

　　0 . 900

　　18 . 0

　　0 . 1~200 . 0

　　0.9

　　18 . 0

　　3 . 0

　　60 . 0

　　10 . 0

　　200 . 0

　　30 . 0

　　600 . 0

　　90 . 0

　　1 800 . 0

　　180 . 0

　　2 800 . 0

　　8 . 2 使用 5 点法进行仪器线性检查时 ' 至少使用 5 片电阻率标准片或参考片 ' 在仪器给出的量程范围内可达到两个数量级 ' 需将测试值修正到 23 ℃ 。 5 点法测试的范围宽 ' 但不能自动进行电阻率温度系数修正。

　　8 . 3 使用 2 点法进行仪器线性检查时 ' 使用 2 片电阻率标准片或参考片 ' 其电阻率差值通常是待测晶片范围中值点的 ±25% ' 且要求覆盖待测电阻率范围。 2 点法的测试值都可以 自动地修正其电阻率温度系数。

　　8 . 4 晶片为硅 、砷化镓 、碳化硅单晶材料或在其衬底上通过扩散工艺 、外延工艺或离子注入工艺制备的薄膜。

　　8 . 5 晶片导电类型为 p 型或 n 型 ' 样品表面应无裂纹 、孔隙或其他结构不连续的层。

　　8 . 6 晶片边长或直径不小于 25 mm ' 厚度为 0. 1 mm~1 . 0 mm。 制造薄膜的衬底 ' 通过中心点测试的有效薄层电阻至少为薄膜电阻的 1 000 倍 。

　　3

　　GB/T 6616—2023

　　9 试验步骤

　　9 . 1 方法 I 五点法

　　9 . 1 . 1 仪器校准

　　9 . 1 . 1 . 1 测试环境温度(T)精确到 ±0 . 1 ℃ 。

　　9 . 1 . 1 . 2 使用标准片或参考片 ' 或者两者同时使用 。

　　9 . 1 . 1 . 3 按公式(2)将标准片或参考片在 23 ℃时的标定值 P23 换算成环境温度(T)时的电阻率值 PT 。

　　PT =P23 [1 +CT (T—23)] …………………………( 2 )

　　式中:

　　PT — 环境温度(T)时的电阻率 ' 单位为欧姆厘米(Ω . cm) ;

　　P23 —23 ℃时的电阻率标定值 ' 单位为欧姆厘米(Ω . cm) ;

　　CT — 硅单晶电阻率温度系数 ' 单位为每摄氏度( ℃ —1 ) ' 具体温度系数见附录 A;

　　T — 环境温度 ' 单位为摄氏度( ℃) 。

　　9 . 1 . 1 . 4 将标准片或参考片正面向上放在支架上 ' 插入上下两探头之间 。其中心偏离探头轴线不大于1 . 0 mm 。 比较 PT 值与实际测试值 ' 对仪器进行校正 。

　　9 . 1 . 2 仪器线性检查

　　9 . 1 . 2 . 1 根据晶片电阻率的范围选择一组(5 片)电阻率参考片 。 每块参考片输入厚度后 ' 由支架插入上下探头之间 ' 其中心偏离探头轴线不大于 1 mm ' 依次测试每块参考片在环境温度(T)时的电阻率值 。

　　9 . 1 . 2 . 2 根据公式(2)将每块参考片在环境温度(T)时测得的电阻率 PT 值换算成 23 ℃ 的电阻率P23 值 。

　　9 . 1 . 2 . 3 选取 5 个参考片的数据点 ' 作为电阻率测试值与标定值的关系图 ' 并在图上标出 5 个数据点的具体位置 。

　　9 . 1 . 2 . 4 分别按公式(3)和公式(4)计算出各参考片的电阻率允许偏差范围的最大值和最小值 。

　　Pmax =Pi +5%Pi + ln …………………………( 3 )

　　Pmin =Pi +5%Pi — ln …………………………( 4 )

　　式中:

　　Pmax — 参考片电阻率最大值 ' 单位为欧姆厘米(Ω . cm) ;

　　Pi — 参考片标准值 ' 单位为欧姆厘米(Ω . cm) ;

　　ln — 仪器最小分辨率 ;

　　Pmin — 参考片电阻率最小值 ' 单位为欧姆厘米(Ω . cm) 。

　　9 . 1 . 2 . 5 如果 5 个数据点全部位于两条直线之间 ' 那么仪器在全量程范围内达到线性要求 ' 可进行测试 ' 线性检查图见图 2 。

　　9 . 1 . 2 . 6 如果只有 3 个或 4 个数据点位于两条直线之间 ' 则在由这些相邻的最高点和最低点所限定的量程范围内 ' 仪器可进行测试 。

　　9 . 1 . 2 . 7 如果 5 个数据点位于两条直线之间的数据不足 3 点 ' 应对仪器重新调整和校正 ' 并重复 9. 1. 2. 1 ~

　　9. 1.2. 6 ' 以满足 9. 1.2. 5~9 . 1.2. 6 的线性要求 。

　　4

　　GB/T 6616—2023

　　图 2 线性检查图

　　9 . 1 . 3 测试

　　测试按以下步骤进行 :

　　a) 用温度计测量室内温度 ;

　　b) 让样品在该温度下保持足够的时间'以使温度平衡 ;

　　c) 输入晶片的厚度值'如果测试薄膜的薄层电阻'可输入薄膜和衬底的总厚度 ;

　　d) 将晶片正面向上放在支架上'置于上下探头之间'晶片中心离探头轴线偏差不大于 1 mm ;

　　e) 如电阻率测试环境温度为 23 ℃ '直接记录电阻率显示值 P2(I)3 ;如电阻率测试环境温度不是

　　23 ℃'则根据当时环境温度(T)时的测试值 PT '将显示值换算成 23 ℃时的电阻率值 P2(I)3 并

　　记录 。

　　9 . 1 . 4 试验数据处理

　　待测晶片的电阻率值 P2(I)3 '可由公式(2)计算得出 。

　　9 . 2 方法 " 两点法

　　9 . 2 . 1 仪器的校准

　　9 . 2 . 1 . 1 测量环境要求同 9 . 1 . 1 . 1 。

　　9 . 2 . 1 . 2 选择两个标准片或参考片'其电阻率涵盖待测晶片的电阻率范围 。

　　9 . 2 . 1 . 3 将标准片或参考片正面向上放在支架上'置于上下两探头之间 。硅片中心偏离探头轴线不大于 1 . 0 mm 。

　　9 . 2 . 1 . 4 测试当前环境下两个标准片或参考片的电阻率'并记录 。

　　9 . 2 . 1 . 5 连接环境温度(T)时两个标准片或参考片的电阻率值 PT 和 23 ℃时的标定值 P23 '两个标准片或参考片电阻率值 PT 和 23 ℃标定值 P23 示意图见图 3 。

　　9 . 2 . 2 测试

　　9 . 2 . 2 . 1 测试时'将晶片的测试值 Pt(’)定位在图 4 的纵坐标上'将测试的水平线与图 3 中的标定线相交'

　　5

　　GB/T 6616—2023

　　将标定交点上方的垂线延伸到实际的横坐标上(见图 4)'记录横坐标交点处的数值'作为样品的实际值P’T 。

　　9 . 2 . 2 . 2 校准电阻率大于 0. 1 Ω ● cm 的晶片时'硅片电阻率的温度系数随着电阻率的增大而逐渐变化(见附录 A) 。

　　9 . 2 . 2 . 3 对于电阻率范围内包含电阻率非单调温度系数的硅单晶标准片'将测试值定位在纵坐标之前'先用附录 A 中的系数将校正后的实测值修正为 23 ℃ 。

　　图 3 两个标准片或参考片电阻率值 p T 和 23 ℃标定值 p 23 示意图

　　图 4 晶片电阻率值 p’T 和实际值示意图

　　10 精密度

　　对不同晶片进行测试'每个晶片重复测 10 次'测试结果的重复性和再现性用相对标准偏差表示'具体如下 :

　　a) 电阻率范围为 0. 001 Ω ● cm ~0 . 999 Ω ● cm 的 100 mm 碳化硅片'同一实验室测试的重复性不大于 1%'不同实验室测试的再现性不大于 7% ;

　　b) 电阻率范围为 0. 001 Ω ● cm ~0 . 999 Ω ● cm 的 150 mm 碳化硅片'同一实验室测试的重复性不大于 2%'不同实验室测试的再现性不大于 5% ;

　　c) 电阻率范围为 0. 001 Ω ● cm ~0 . 999 Ω ● cm 的 100 mm 砷化镓片'同一实验室测试的重复性不大于 2%'不同实验室测试的再现性不大于 3% ;

　　d) 电阻率范围为 0. 001 Ω ● cm ~0 . 999 Ω ● cm 的 150 mm 砷化镓片'同一实验室测试的重复性不大于 3%'不同实验室测试的再现性不大于 4% 。

　　6

　　GB/T 6616—2023

　　1 1 试验报告

　　试验报告应至少包括以下内容 :

　　a) 样品编号及信息 ;

　　b) 电阻率标准片及参考片代号 ;

　　c) 环境温度 ;

　　d) 测试电流 ;

　　e) 厚度 ;

　　f) 晶片电阻率 PT(I) ;

　　g) 温度修正后的电阻率 P2(I)3 ;

　　h) 本文件编号及方法名称 ;

　　i) 测试者 ;

　　j) 测试日期 。

　　7

　　GB/T 6616—2023

　　附 录 A

　　(资料性)

　　21 ℃ ~ 25 ℃ 时硅单晶电阻率温度系数

　　21 ℃ ~25 ℃时硅单晶电阻率与电阻率温度系数对应关系见表 A. 1 。

　　表 A. 1 21 ℃ ~ 25 ℃ 时硅单晶电阻率温度系数

　　电阻率Ω . cm

　　电阻率温度系数 CT

　　℃ — 1

　　电阻率Ω . cm

　　电阻率温度系数 CT

　　℃ — 1

　　n 型

　　p 型

　　n 型

　　p 型

　　0 . 000 6

　　0 . 002 00

　　0 . 001 60

　　0 . 40

　　0 . 006 56

　　0 . 006 13

　　0 . 000 8

　　0 . 002 00

　　0 . 001 60

　　0 . 50

　　0 . 006 78

　　0 . 006 39

　　0 . 001 0

　　0 . 002 00

　　0 . 001 58

　　0 . 60

　　0 . 006 96

　　0 . 006 59

　　0 . 001 2

　　0 . 001 84

　　0 . 001 51

　　0 . 80

　　0 . 007 20

　　0 . 006 87

　　0 . 001 4

　　0 . 001 69

　　0 . 001 49

　　1 . 0

　　0 . 007 36

　　0 . 007 07

　　0 . 001 6

　　0 . 001 61

　　0 . 001 48

　　1 . 2

　　0 . 007 47

　　0 . 007 22

　　0 . 002 0

　　0 . 001 58

　　0 . 001 48

　　1 . 4

　　0 . 007 55

　　0 . 007 34

　　0 . 002 5

　　0 . 001 59

　　0 . 001 45

　　1 . 6

　　0 . 007 61

　　0 . 007 44

　　0 . 003 0

　　0 . 001 56

　　0 . 001 37

　　2.0

　　0 . 007 68

　　0 . 007 59

　　0 . 003 5

　　0 . 001 46

　　0 . 001 27

　　2.5

　　0 . 007 74

　　0 . 007 73

　　0 . 004 0

　　0 . 001 31

　　0 . 001 16

　　3 . 0

　　0 . 007 78

　　0 . 007 83

　　0 . 005 0

　　0 . 000 96

　　0 . 000 94

　　3 . 5

　　0 . 007 82

　　0 . 007 91

　　0 . 006 0

　　0 . 000 60

　　0 . 000 74

　　4.0

　　0 . 007 85

　　0 . 007 97

　　0 . 008 0

　　0 . 000 06

　　0 . 000 46

　　5 . 0

　　0 . 007 91

　　0 . 008 05

　　0 . 010

　　—0 . 000 22

　　0 . 000 31

　　6 . 0

　　0 . 007 97

　　0 . 008 11

　　0 . 012

　　—0 . 000 31

　　0 . 000 25

　　8.0

　　0 . 008 06

　　0 . 008 19

　　0 . 014

　　—0 . 000 26

　　0 . 000 25

　　10

　　0 . 008 13

　　0 . 008 25

　　0 . 016

　　—0 . 000 13

　　0 . 000 29

　　12

　　0 . 008 18

　　0 . 008 29

　　0 . 020

　　0 . 000 25

　　0 . 000 45

　　14

　　0 . 008 22

　　0 . 008 32

　　0 . 025

　　0 . 000 83

　　0 . 000 73

　　16

　　0 . 008 24

　　0 . 008 35

　　0 . 030

　　0 . 001 39

　　0 . 001 02

　　20

　　0 . 008 26

　　0 . 008 40

　　0 . 035

　　0 . 001 90

　　0 . 001 31

　　25

　　0 . 008 27

　　0 . 008 45

　　0 . 040

　　0 . 002 35

　　0 . 001 58

　　30