具体实施方式

下面描述本发明的各种说明性实施例。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。当然，应当理解，在任何这样的实际实施例的开发中，必须做出许多特定于实施方式的决定来实现开发者的特定目标，例如遵守与系统有关和与业务有关的约束，这些约束从一种实施方式到另一实施方式将会有所不同。此外，将认识到，这样的开发工作可能复杂且耗时，但是对受益于本公开的本领域普通技术人员而言仍将是例行的工作。

现在将参考附图描述本发明主题。在附图中示意性地描绘的各种结构、系统和器件仅出于解释的目的，以便不使本公开的内容被本领域技术人员公知的细节混淆。然而，包括附图是为了描述和解释本公开的说明性示例。在此使用的单词和短语应该被理解和解释为具有与相关领域的技术人员对这些单词和短语的理解一致的含义。术语或短语的特殊定义，即与本领域技术人员所理解的普通和惯常含义不同的定义，并不旨在通过本文中对术语或短语的一致使用来暗示。在术语或短语旨在具有特殊含义(即，除本领域技术人员所理解的含义之外的含义)的情况下，这样的特殊定义将在说明书中以直接、明确地提供术语或短语的特殊定义的明确方式明确地阐述。参考附图，现在将更详细地描述本文公开的方法和器件的各种示例性实施例。可以使用多种不同的材料并通过执行多种已知的工艺操作(例如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、热生长工艺、旋涂技术、掩蔽、蚀刻等)来形成本文所述的各种组件、结构和材料层。这些各种材料层的厚度也可以根据特定应用而变化。

图1至图6示出了用于测量材料的电特性的系统10和方法的各种新颖的实施例。在本文描述的示例中，系统10将用于测量形成在半导体衬底12上的(具有上表面14S的)材料层14的一个或多个电特性。衬底12被放置在保持器16(例如，晶片夹)中，并通过各种已知的机械手段中的任一种固定在其中。

衬底12可以具有多种配置，例如本文所述的体半导体衬底，或者其可以采取绝缘体上半导体(SOI)衬底的形式。这样的SOI衬底包括基底半导体层、位于基底半导体层上的掩埋绝缘层，以及位于掩埋绝缘层上方的有源半导体层。在一些应用中，衬底12可以由硅制成，也可以由硅之外的半导体材料制成。因此，术语“衬底”或“半导体衬底”应被理解为涵盖所有半导体材料以及这样的材料的所有形式。另外，衬底12可以具有任何物理尺寸。在一个示例中，衬底可以是300mm的晶片。在其他情况下，衬底12可以仅是这样的晶片的一部分。

系统10还包括具有出口18的导电探头16。代表性的汞柱20位于导电探头16内。导电探头16由导电材料组成，例如不锈钢、钛、含金属的材料、导电聚合物等。系统10还包括以简化的方式示出的汞控制系统22，该汞控制系统22的组件是本领域技术人员已知的。汞控制系统22可操作地耦接到管线(line)24，该管线24又与导电探头16流体连通。如下面将更全面地描述的，汞控制系统22适于在汞柱20后面施加正气压(如箭头线34所反映的)，以迫使一些汞从导电探头16的出口18出来并来到材料层14的表面14S上。在完成对材料层14的电特性的测试之后，汞控制系统22还适于在汞柱20后面施加负气压(如箭头线36所反映的)，以从材料层14的表面14S移除汞，即，将汞拉回到导电探头16中。

图1中还示出了简化描绘的测量系统28、图像传感器26和AC/DC电压源30。电压源30电耦接到导电探头16。在所示的示例中，测量系统28包括电路，该电路允许其控制经由电压源30施加到导电探头16的电压。在其他实施例中，系统10可以包含单独的电压控制器。如下面更全面地描述的，图像传感器26适于拍摄将被定位在材料层14的表面14S上的汞滴(图1中未示出)的图像，并将该图像发送到测量系统28，在此处，如下面更全面描述的，将进行计算以确定汞滴与材料层14的表面14S之间的接触面积。测量系统28耦接到衬底12的底表面上的导电接触(未示出)。除了别的之外，测量单元28还适合于至少测量材料14的电感(L)、电容(C)和电阻(R)。在一个示例中，该电路和结构允许这样的测量在测量单元28内部发生。然而，在其他实施例中，例如在如图1所示的实施例中，单独的LCR单元(或仪表)29可操作地耦接到测量单元28，但并非在所有情况下都是如此。

本领域技术人员在完全阅读本申请之后将认识到，材料层14可以实际上包括任何材料，例如任何绝缘材料，例如二氧化硅、氮化硅、高k材料(k值为10或更大的材料，诸如氧化铪)、低k材料(k值为3.3或更低的材料)、介电膜、金属硅化物、聚合物膜、含金属的材料等等。此外，本文描述的材料层14本质上是代表性的，因为材料层14实际上可以包括多个绝缘材料层，例如材料层的堆叠，并且材料堆叠内的所有材料层可以分别由不同的材料制成，但并非在所有应用中都是如此。因此，不应将本文中对术语“材料层14”的使用理解为意味着本文公开的主题限于涉及测量单个材料层的电特性的应用。另外，本文描述的一个或多个材料层14可以通过任何已知技术形成。例如，在材料层14是二氧化硅的情况下，其可以通过执行热生长工艺或通过执行沉积工艺来形成。材料层14可以形成为任何所需的厚度。

图1示出了在对材料层14进行任何测量之前的系统10。在图1所示的位置中，汞控制系统22在汞柱20后面施加负压(如箭头线36所反映的)，以将汞柱20保持在导电探头16内。

图2示出了汞控制系统22在汞柱20后面施加正压(如箭头线34所反映的)以迫使一些汞从导电探头16的出口18出来并在材料层14的表面14S上形成汞滴20D之后的系统10。请注意，在一个示例性实施例中，在本文所述的整个电测试过程中，导电探头16保持与汞滴20D的导电接触。图3是系统10的一部分的放大图，其中汞滴20D位于材料层14的表面14S上。在所示的示例中，图像传感器26被定位成使得图像传感器26的镜头的成像轴26A基本水平地指向，以便允许图像传感器26捕获汞滴20D的真实侧视图。然而，在其他实施例中，图像传感器26可以相对于水平面成一定角度定位。在这种情况下，可以对用于计算接触面积的公式进行调整，以考虑由以这种方式定位的图像传感器26拍摄的汞滴20D的倾斜图像。

图3示出了汞滴20D和导电探头16的一部分的图像，该图像由图像传感器26拍摄并被发送到测量系统28。为了测量材料层14的至少一些电特性，准确地测量汞滴20D与材料层14的表面14S之间的接触面积42非常重要。测量系统28包含软件，该软件允许其确定汞滴20D与材料层14的表面14S之间的界面处的汞滴20D的半径44(相对于穿过汞滴20D的中心的垂直线40)。现在已知半径44，因此直接计算接触面积42(A＝πr²)。

请注意，这是对接触区域42的基本实时的测量。另请注意，通过控制施加到导电探头16的电压，可以控制汞滴20D的物理尺寸，并因此控制其接触面积42的大小。这是系统10的实时能力，并且出于若干原因，这种实时能力很重要。首先，基于汞滴20D的基本实时的图像，系统允许系统的用户通过控制施加到导电探头16的电压来控制汞滴20D的接触面积42。因此，在一个示例中，可以使用大致相同的接触面积42执行对若干种材料的特性的所有测量，从而可能导致测试结果更一致。如果汞滴20D的初始图像表明接触面积42小于或大于接触面积42的目标值，则可以调整施加到导电探头16的电压以实现接触面积42的大小的所需改变。

另外，基于汞滴20D的基本实时的图像，可通过改变导电探头16的出口18与材料层的上表面14S之间的物理距离来控制汞滴20D的物理尺寸。如果汞滴20D的初始图像表明接触面积42小于或大于接触面积42的目标值，则可以调整导电探头16的出口18与材料层的上表面14S之间的距离以实现接触面积42的大小的所需改变。可通过使用本领域技术人员公知的各种机械系统和装置(未示出)物理地移动衬底12或导电探头16中的一者或全部两者来实现出口18与上表面14S之间的所需间隔。在一个实施例中，测量单元28可以控制用于移动衬底12和/或导电探头16中的一者或全部两者的机械系统和装置。在其他实施例中，测量单元28可以简单地将一个或多个命令发送到单独的控制器(未示出)，该控制器控制此类机械系统以实现衬底12和/或导电探头16的所需移动。

在一些实施例中，可通过控制施加到导电探头16的电压以及通过改变导电探头16的出口18与材料层14的上表面14S之间的物理距离来调整接触面积42的大小。此外，使用本文公开的系统和方法将避免必须定期地让外部供应商校准现有技术测量系统的接触面积。

在确定接触面积42之后，测量系统28经由电压源30向导电探头16施加期望的电压，然后确定材料层14的各种不同的电特性中的任何电特性，例如电容、介电常数、击穿电压、势垒高度、电流泄漏、时间相关电介质击穿(TDDB)、掺杂浓度、界面电荷密度、表面电荷密度等。

如图4所示，在进行了所有测量之后，汞控制系统22在汞柱20后面施加负压(如箭头线36所反映的)，以从材料层14的表面14S移除汞滴20D，即，将所有汞拉回到导电探头16中。

如上所述，本文公开的系统10可用于获得材料堆叠的电特性的实时测量。图5示出了其中堆叠包括三个材料层50、52和54的示例。图6示出了其中系统10可用于确定衬底12的电特性的示例。

本发明的各个部分和相应的详细描述在对测量系统28、汞控制系统22和/或图像传感器26中的一者或多者或可能是独立计算机的计算机存储器内的数据位进行运算的软件、或算法和符号表示方面来呈现。这些描述和表示是本领域普通技术人员借以有效地将其工作内容传达给本领域其他普通技术人员的描述和表示。如本文所使用的，以及如通常所使用的，算法被认为是导致期望结果的步骤的自洽序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操纵的步骤。通常，但不是必须的，这些量采取能够被存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的光、电或磁信号的形式。已经证实，主要出于常用的目的，有时将这些信号称为位、值、元素、符号、字符、项、数字等很方便。

除非另外特别地说明，或者根据讨论显而易见的，否则诸如“处理”或“估算”或“计算”或“确定”或“显示”等的术语是指计算机系统或类似的电子计算设备的动作和处理，该计算机系统或类似的电子计算设备操纵计算机系统的寄存器和存储器内的被表示为物理、电子量的数据并将数据转换为计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、传输或显示设备内类似地表示为物理量的其他数据。

上面公开的特定实施例仅是说明性的，因为可以以受益于本教导的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践本发明。例如，可以以不同的顺序执行上述的工艺步骤。此外，除了在下面的权利要求书中所描述的以外，不旨在对本文所示的构造或设计的细节做出任何限制。因此，显然，可以改变或修改以上公开的特定实施例，并且所有这样的变化都被认为在本发明的范围和精神内。请注意，使用诸如“第一”、“第二”、“第三”或“第四”之类的术语来描述本说明书和所附权利要求书中的各种处理或结构仅用作这些步骤/结构的简写参考，并且不一定暗示按照这样的顺序执行/形成这样的步骤/结构。当然，根据确切的权利要求语言，可能需要或可能不需要这些处理的有序的序列。因此，本文所寻求的保护在以下权利要求书中阐述。