一种薄膜电学特性与击穿特性实时测试分析系统

摘要

本发明涉及一种薄膜电学特性与击穿特性实时测试分析系统，包括电学测试装置、显微图像实时采集装置和综合分析处理装置，其中：所述电学测试装置包括样品装夹座、测试探针、数字源表和测试控制模块，所述测试探针设置在样品装夹座上，所述测试探针、数字源表和测试控制模块依次连接；所述显微图像实时采集装置包括相连接的数据码光学显微模块和图像采集模块，所述数据码光学显微模块设置在样品装夹座上；所述综合分析处理装置分别连接测试控制模块、图像采集模块。与现有技术相比，本发明具有易于操作，耗费时间少，直观性好等优点，能够有效分析和评价薄膜材料击穿机理和导致击穿现象发生的原因。

说明书

技术领域

本发明涉及材料科学领域中的绝缘介质或半导体薄膜性能测试技术，尤其是 涉及一种薄膜电学特性与击穿特性实时测试分析系统。

背景技术

击穿测试是薄膜半导体器件或薄膜电容器研究的重要组成部分。然而强场下薄 膜的击穿行为极为复杂，很难一概而论。如何简单有效地评价和分析薄膜在强场下 出现的击穿现象，是提高薄膜材料研究效率的重要研究手段。对样品击穿行为的测 试与分析是提高其耐电性能和可靠性必要手段。

对于击穿行为测试研究，常规的办法是对大量样品进行击穿测试，得到统计寿 命预测结果。薄膜的击穿或失效分析是通过统计方法来实现的，使得研究材料的击 穿性能需要相当数量的样品用于测试。这消耗了大量的时间和物力，研究效率较低。 以此同时，由于传统击穿测试方法是对一大批样品的统计分析结果，但是却不对击 穿过程进行研究，从而很难分析和评价薄膜材料击穿机理和导致击穿现象发生的原 因，这极不利于薄膜材料与器件的研究和设计。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种易于操作，耗 费时间少，直观性好的薄膜电学特性与击穿特性实时测试分析系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种薄膜电学特性与击穿特性实时测试分析系统，包括电学测试装置、显微图 像实时采集装置和综合分析处理装置，其中：

所述电学测试装置包括样品装夹座、测试探针、数字源表和测试控制模块，所 述测试探针设置在样品装夹座上，所述测试探针、数字源表和测试控制模块依次连 接；

所述显微图像实时采集装置包括相连接的数据码光学显微模块和图像采集模 块，所述数据码光学显微模块设置在样品装夹座上；

所述综合分析处理装置分别连接测试控制模块、图像采集模块；

测试控制模块控制数字源表、测试探针对样品装夹座上的样品进行电学测试， 图像采集模块通过数据码光学显微模块采集显微图像数据，并进行处理，综合分析 处理装置根据处理结果获得样品电学特性与击穿特性并显示。

优选地，所述样品装夹座包括用于安装样品和测试探针的测试台底座以及用于 安装数据码光学显微模块的测试台支架。

优选地，所述数字源表为具有可编程恒流源功能、可编程恒压源功能、可编程 数字万用表功能的可编程数字源表。

优选地，所述测试控制模块包括线性电势扫描单元、循环线性电势扫描单元、 控制电势计时测试单元、控制电流计时测试单元以及跳跃电导捕捉和击穿能量测试 单元。

优选地，所述数据码光学显微模块包括聚光照明系统、物镜、目镜、调焦机构 以及高速高倍数码摄像头。

优选地，所述图像采集模块包括图像捕捉单元、视频录制单元和图像识别与定 位单元。

优选地，所述综合分析处理装置包括击穿现象捕捉与定位模块、击穿形貌分析 模块和击穿分类及其数量统计模块。

优选地，所述击穿现象捕捉与定位模块包括：

捕捉实时过程的电流脉冲，定位其发生的时段，进而捕捉与分析该时段显微结 构变化，从而实现击穿现象的空间定位的单元；或

通过图像识别确定击穿现象发生的位置与时间段，并采用其时间定位来确定电 学性能变化，从而实现击穿综合分析的单元。

优选地，所述击穿分类及其数量统计模块包括：

采用击穿场强为标准实现击穿的分类和统计的单元；

采用击穿能量与击穿场强两个参数为标准实现击穿的分类和统计的单元；

采用击穿位置、形貌和所覆盖的面积大小为标准实现击穿的分类和统计的单元 中的一个或多个。

优选地，所述测试控制模块、图像采集模块和综合分析处理装置设置于一计算 机中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、实现薄膜击穿现象与电学性质的实时对应，能够确定击穿现象发生位置， 击穿形貌及击穿能量等从而确定所发生的击穿类型。

2、能够得到击穿现象在薄膜电极表面分布图谱。

3、能够实现对不同类型的击穿现象进行分类和统计，进一步确定导致样品击 穿的主要原因。

4、该系统易于操作，耗费时间少，直观性好，能够有效分析和评价薄膜材料 击穿机理和导致击穿现象发生的原因。

5、该系统采用成熟的显微分析技术和电学测试技术，稳定可靠且设备系统成 本较低，易于学术领域和工业测试领域的应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为薄膜样品实时测试界面示意图；

图3为薄膜样品击穿过程与分类示意图；

图3中，A-电极边缘效应诱导击穿现象、B-薄膜缺陷诱导击穿现象、C探针 接触点处的大规模击穿现象。

图4为薄膜伏安曲线与显微形貌综合分析示意图；

图5为薄膜的击穿形貌数据后处理示意图；

图5中，A、B、C、D和E分别表示不同击穿点的击穿形貌覆盖面积。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

一种薄膜电学特性与击穿特性实时测试分析系统，包括电学测试装置、显微图 像实时采集装置和综合分析处理装置，其中，电学测试装置用于对样品进行电学测 试；显微图像实时采集装置用于对进行电学测试的样品的显微图像数据进行实时采 集并处理；综合分析处理装置用于根据处理后的显微图像数据进行综合分析并显示 结果。

如图1所示为本发明测试分析的硬件结构示意图。电学测试装置包括样品装夹 座6、测试探针5、数字源表2和测试控制模块，测试探针5设置在样品装夹座6 上，测试探针5、数字源表2和测试控制模块依次连接，数字源表2通过电学测试 线4与测试探针5连接。显微图像实时采集装置包括相连接的数据码光学显微模块 7和图像采集模块，数据码光学显微模块7设置在样品装夹座6上。综合分析处理 装置分别连接测试控制模块、图像采集模块。测试控制模块、图像采集模块和综合 分析处理装置设置于计算机1中，计算机1通过数据传输线3分别连接数字源表2 和数据码光学显微模块7。

测试控制模块控制数字源表2、测试探针5对样品装夹座6上的样品进行电学 测试，图像采集模块通过数据码光学显微模块7采集显微图像数据，并进行处理， 综合分析处理装置根据处理结果获得样品电学特性与击穿特性并显示实时测试过 程，如图2所示。

电学测试装置中，样品装夹座6包括用于安装样品和测试探针5的测试台底座 61以及用于安装数据码光学显微模块7的测试台支架62；数字源表2为具有可编 程恒流源功能、可编程恒压源功能、可编程数字万用表功能的可编程数字源表；测 试控制模块可进行的测试包括线性电势扫描、循环线性电势扫描、控制电势计时测 试、控制电流计时测试以及跳跃电导捕捉和击穿能量测试。

显微图像实时采集装置中，数据码光学显微模块7包括聚光照明系统、物镜、 目镜、调焦机构以及高速高倍数码摄像头；图像采集模块包括图像捕捉单元、视频 录制单元和图像识别与定位单元。

综合分析处理装置包括击穿现象捕捉与定位模块、击穿形貌分析模块和击穿分 类及其数量统计模块。

其中，击穿现象捕捉与定位模块提供两种方法来实现击穿现象捕捉与定位。第 一种方法通过捕捉实时过程的电流脉冲，定位其发生的时段，进而捕捉与分析该时 段显微图像的变化，从而实现击穿现象空间定位。另一种方法通过图像识别确定击 穿现象发生的位置与时间段，并采用其时间定位来确定电学性能变化，从而实现击 穿综合分析。

击穿分类及其数量统计模块提供三种基本方法实现击穿分类及其数值统计。第 一种方法采用击穿场强为标准来实现击穿的分类和统计。第二种方法采用击穿能量 与击穿场强两个参数为标准实现击穿的分类和统计。第三种方法采用击穿位置、形 貌和所覆盖的面积大小为标准实现击穿的分类和统计。这三种分类结果可进行综 合，实现更准确的分类与统计。

以下以具体实验进一步说明上述测试分析系统。

实验1

如图3所示，为薄膜样品击穿过程与分类示意图。样品为在Si/SiO2/TiO2/Pt 基片上采用旋涂方法制备的210nm无定型氧化铝薄膜，样品上电极是采用溅射工 艺制备的厚度为100nm金电极(直径1mm)。在实时过程分析发现，在电压在20V 附近，电极边缘出现击穿现象(A区域)；在电压为60V附近，出现缺陷诱导击 穿(B区域)；而在电极与探针接触的地方则在65V附近，出现硬击穿(C区域)， 漏电流突然增大，导致测试无法继续并终止。按实时过程的击穿现象与伏安曲线的 对应关系，我们可以确定在A区域出现的击穿，为电极的边缘效应诱导击穿；而 在B区域出现的击穿现象为氧化铝薄膜内部缺陷诱导击穿现象；C区域的击穿发 生在在探针与电极接触附近，情形较为复杂。这一击穿首先由薄膜内部缺陷诱导击 穿，导致探针附近电极发生破坏，从而在探针附近出现电极缺陷，进一步诱导了大 量击穿，最终导致探针与底电极相接触，电路导通而终止测试。显然通过本发明方 法，快速实现了该样品出现的击穿分类。该实验结果为提高薄膜耐电性能和可靠性 提供了可靠依据。

实验2

如图4所示，为薄膜伏安曲线与显微形貌综合分析示意图。样品为在 Si/SiO2/TiO2/Pt基片上采用旋涂方法制备的210nm无定型氧化铝薄膜，样品上电 极是采用真空蒸发镀膜制备的厚度为50nm铝电极(直径1mm)。它的实时过程 可以分为(a)、(b)、(c)、(d)四个阶段。在第一阶段中，铝电极边缘首先由白色变为 浅蓝色，在第二阶段铝电极的所有区域都从白色转变为浅蓝色。此时电流从4μA 突然下降到5nA。在第三阶段中，在铝电极颜色逐渐有浅蓝色转变为深蓝色。漏电 流逐渐从5nA增加至1μA。最后，在160V附近，电流突然增加，探针与铝电极接 触点处发生了击穿。通过光电子能谱分析(XPS)对电极颜色变化前后进行化学价 态分析，我们确定了铝电极在该电学测试过程中发生了阳极氧化反应。再结合从实 时测试过程确定了电极颜色变化时的时间点，场强和漏电流变化节点。从而对这一 阳极氧化过程有了更为全面的认识。本发明为这一电化学击穿现象提供了重要依 据。

实验3

如图5所示，为一薄膜样品击穿形貌数据后处理方式示意图。图中标记A、B、 C、D和E表示不同击穿点不同的覆盖面积。根据其面积的不同，我们可以对这类 击穿现象进行分类和统计。这一分类和统计有利于我们理解薄膜内部不同类型和大 小的缺陷诱导击穿。另外我们可以观察到击穿现象成连续分布，表明部分击穿后的 电极破坏造成了周围电场不均匀，进一步诱导了其他缺陷的击穿行为。这一现象我 们从显微形貌变化实时过程视频可以得到证实。