半导体电阻率测量数据采集系统采样控制及数据传输部分软件设计与开发

半导体电阻率测量数据采集系统采样控制及数据传输部分软件设计与开发

一直以来半导体硅片或其它均匀薄层电阻的电学性质在半导体器件产品中扮演重要角色，因为它直接影响晶片成品率以及影响器件特性和性能[1]。目前随着微电子技术的迅猛发展，已经进入了300cm/90nm的生产阶段[2]，对晶体的完美性、电学特性提出更为严格的要求，特别是微区的电特性及其均匀性更是引起人们的关注。

在本论文中我们借鉴EIT的测试方法，采用等位线反投影法来计算微区电阻率。当前利用等电位线反投影算法重建EIT图像,具有重建速度快、能进行实时处理等特点,该方法是目前唯一应用于临床的重建算法。所以我们也采用该方法。在这一算法模型中,等电位线之间的电压采用线性插值来逼近,两条等电势线可以将电阻抗元素分开，从而快速得到微区电阻率的分布。由于该方法是在硅片边缘等间隔安放电极，不需要与硅片有大面积的接触，避免了整个硅片被划伤，破坏其完整性，故将该方法归结为无接触测试。

1.2国内外研究现状及问题

目前在国内中科院微电子中心、上海飞利浦半导体公司、上海测试技术研究所以及中美合资贝岺公司都开展了这方面的工作，并在利用探针分析检测整个芯片表面薄层电阻均匀性，判断离子注入片和注入工艺中存在的问题，显示退火工艺中存在的问题，寻找外延生长最佳工艺条件，控制溅射铝层质量，以及及时准确区分不同问题，为工艺和版图改进提供依据方面取得较好的效果[3]。但是上述一些企业都采用的进口设备，不仅费用昂贵，而且探针磨损快，从国外进口的探针需几千美元，成为应用这项技术的拦路虎。芯片内部探测技术今后会得到重视并在新产品开发和产品质量、成品率提高的工作中发挥更大的作用。

国外对芯片内部的测试分析，常采用如分析探针台、激光切割等设备，但价格十分昂贵，且性能较单一，测试精度不高。尽管目前CAD技术使设计技术日益完善，但不能保证一次设计达到百分百满意，改进原设计的关键数据来自对芯片的测试判断[4]。鉴于国内外对微区薄层电阻测试及芯片内部探测仪器的需求，考虑到我国的基本国情，自行开发研制一种即可进行微区薄层电阻测试又可进行芯片内部探测分析且测试精度较高的探针测试分析系统势在必行。

1.3研究思路

目前半导体电阻率的测量可以采用三探针法、四探针法[5]和扩展电阻方法等，四探针法是当前应用最广泛的测量半导体器件薄层电阻率的方法[6]。但四探针法也存在难以克服的缺点：1）耗时．因为测量的点数直接制约着测量的时间；

2）污染硅片．因为四探针技术为接触测量，并且需要在整个硅片上取点，这就必然造成在测量时整个硅片被划伤，破坏了硅片的完整性；

3）四探针对每个点的接触质量非常敏感，任何小的波动都会造成偏差．所以以上弊端直接制约着四探针的应用前景.

针对四探针法的诸多缺点，我们开始研究新的电导率测量方法，将电阻抗成像引入到半导体测试中来。电阻抗断层成像(ElectricalImpedancetomography,EIT)技术[7]是医学成像技术的一个新方向，它属于功能成像,具有无损伤性、成本低廉、操作方便等优点。

1.4研究内容

1.1总体结构

系统硬件主要包括：多路开关、恒流源、AD转换、单片机控制等。系统工作过程为：单片机控制恒流源产生恒定电流，随后单片机控制多路开关选择电流注入和流出通道。电流稳定后，单片机控制多路开关选择电压测量通道，启动AD转换并与ADC通信采集电压值。经过多轮电流注入与电压的采集后，单片机将数据通过RS232总线传给上位计算机，在计算机内对数据进行后处理，实现图像重建。

1.2多路选择开关

为保证测量精度，我们采用32电极测量[9]。测量时每次需要选择一对探针作为电流的输入输出通道，然后测量所有相邻两探针的电压差。此部分设计需要考虑的主要因素：通道切换灵活、导通电阻小、通道间串扰小。我们选择8片MAX306作为通道模拟开关。MAX306是MAXIM公司生产的CMOS十六通道线性模拟多路开关。它的导通电阻小于100，通道间的电阻匹配误差小于5，开关时间小于400ns，通道间串扰小于－92dB，导通时对地泄漏电流小于25nA，导通时的对地等效电容小于140pF[10]，性能能够满足设计要求。

我们将8片MAX306分成两组分别对应电流通道和电压通道，单片机控制输出5位地址信号，使用4片锁存器74LS373进行锁存。

1.3压控恒流源的设计

测量过程需要注入恒定电流，因此恒流源的设计是本系统的一个关键。为使恒流源电流可调，我们采用压控恒流源方式。压控恒流源由DA转换电路和VI转换电路两部分组成。DA转换部分我们选用TLC5618芯片，该芯片是美国TexasInstruments公司生产的带有缓冲基准输入的可编程双路12位数/模转换器[11]，采用单电源工作，具有3线串行接口，低功耗（慢速方式为3mW，快速方式为8mW），1.21MHz输入数据更新速率，高阻抗基准输入。

TLC5618使用由运放缓冲的电阻网络把12位数字数据转换为模拟电压电平，其输出极性与基准电压输入相同。输出电压范围是参考电压的2倍，当VREFIN＝2.5V时，输出的电压范围是0～5V。输出电压由下式给出：Vout＝2（VREFIN）CODE/4096。

AD620和另一个运算放大器（如AD705）以及两个电阻（R1和RG）构成一个精确恒流源，另一个运放起到缓冲参考引脚电压的作用以保证好的CMR(共模抑制)[12]。AD620的输出电压VX出现在R1的两端，R1将电压转换成电流IL。这个电流只有很少流入运算放大器，其余流出至负载。恒流IL的公式：。其中G是AD620的增益，AD620的增益是通过连接在1、8引脚间的电阻来控制的，计算公式:，当RG的两引脚断路时（），G=1。

1.4电压数据采集电路

A/D转换器是数据采集系统的关键部件，它的性能直接影响整个系统的技术指标。经过比较，我选用美国ADI公司的采用和差转换技术[13]（Σ-Δ）AD转换器AD7715。Σ-Δ也称为增量调制型转换技术，和普通的模数转换原理不同，它本身就采用了数字技术，因此它具备数字系统所普遍具备的高可靠性、高稳定性的优点。

AD7715具有如下参数：16位无误码输出，0.0015%非线性度，可直接测量微小信号；三线制串行接口；前段增益可编程为1、2、32、128；内设自校准电路[14]，可有效去除零点漂移和增益误差；内设模拟输入缓冲器，可直接对高阻信号进行转换；带输出速率可编程的低通滤波器，可根据需要选用不同转换速率。

1.5采集系统与上位机通信电路

数据采集系统以51单片机为核心，将采集到的数据通过RS232串行异步通信传送给上位机。使用芯片MAX232实现RS232与TTL电平间的相互转换。

2Keil工程文件的建立、设置与目标文件的获得

本课题采用了KEILuVISION2软件作为开发环境。KEILuVISION2是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，PLM，汇编C语言的程序设计，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。

2.1Keil工程的建立

首先启动Keil软件的集成开发环境，程序窗口的左边有一个工程管理窗口，该窗口有3个标签，分别是Files、Regs、和Books这三个标签页分别显示当前项目的文件结构、CPU的寄存器及部份特殊功能寄存器的值（调试时才出现）和所选CPU的附加说明文件，如果是第一次启动Keil，那么这三个标签页全是空的。

2.2源文件的建立

使用菜单“File->New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编缉窗口。

2.3建立工程文件

在项目开发中，并不是仅有一个源程序就行了，还要为这个项目选择CPU（Keil支持数百种CPU，而这些CPU的特性并不完全相同），确定编译、汇编、连接的参数，指定调试的方式，有一些项目还会有多个文件组成等.

图1选择目标CPU

点击“Project->NewProject…”菜单，出现一个对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，你可以在编缉框中输入一个名字（设为exam1），不需要扩展名。点击“保存”按钮，出现第二个对话框，如图1。

2.4工程的详细设置

工程建立好以后，还要对工程进行进一步的设置，以满足要求。首先点击左边Project窗口的Target1，然后使用菜单“Project->Optionfortarget‘target1’”即出现对工程设置的对话框，这个对话框可谓非常复杂，共有8个页面，要全部搞清可不容易，好在绝大部份设置项取默认值就行了。

图2对目标进行设置

设置对话框中的Target页面，如图2所示，Xtal后面的数值是晶振频率值，默认值是所选目标CPU的最高可用频率值，对于我们所选的AT89C51而言是24M，该数值与最终产生的目标代码无关，仅用于软件模拟调试时显示程序执行时间。正确设置该数值可使显示时间与实际所用时间一致，一般将其设置成与你的硬件所用晶振频率相同，如果没必要了解程序执行的时间，也可以不设，这里设置为12。MemoryModel用于设置RAM使用情况，有三个选择项，Small是所有变量都在单片机的内部RAM中；Compact是可以使用一页外部扩展RAM，而Larget则是可以使用全部外部的扩展RAM。CodeModel用于设置ROM空间的使用，同样也有三个选择项，即Small模式，只用低于2K的程序空间；Compact模式，单个函数的代码量不能超过2K，整个程序可以使用64K程序空间；Larget模式，可用全部64K空间。Useon-chipROM选择项，确认是否仅使用片内ROM（注意：选中该项并不会影响最终生成的目标代码量）；Operating项是操作系统选择，Keil提供了两种操作系统：Rtxtiny和Rtxfull，关于操作系统是另外一个很大的话题了，通常我们不使用任何操作系统，即使用该项的默认值：None（不使用任何操作系统）；OffChipCodememory用以确定系统扩展ROM的地址范围，OffChipxDatamemory组用于确定系统扩展RAM的地址范围，这些选择项必须根据所用硬件来决定，由于该例是单片应用，未进行任何扩展，所以均不重新选择，按默认值设置。

设置对话框中的OutPut页面，如图所示，这里面也有多个选择项，其中CreatHexfile用于生成可执行代码文件（可以用编程器写入单片机芯片的HEX格式文件，文件的扩展名为.HEX），默认情况下该项未被选中，如果要写片做硬件实验，就必须选中该项，这一点是初学者易疏忽的，在此特别提醒注意。选中Debuginformation将会产生调试信息，这些信息用于调试，如果需要对程序进行调试，应当选中该项。Browseinformation是产生浏览信息，该信息可以用菜单view->Browse来查看，这里取默认值。按钮“SelectFolderforobjects”是用来选择最终的目标文件所在的文件夹，默认是与工程文件在同一个文件夹中。NameofExecutable用于指定最终生成的目标文件的名字，默认与工程的名字相同，这两项一般不需要更改。

工程设置对话框中的其它各页面与C51编译选项、A51的汇编选项、BL51连接器的连接选项等用法有关，这里均取默认值，不作任何修改。

2.5编译、连接

图3有关编译、连接、项目设置的工具条

在设置好工程后，即可进行编译、连接。选择菜单Project->Buildtarget，对当前工程进行连接，如果当前文件已修改，软件会先对该文件进行编译，然后再连接以产生目标代码；如果选择RebuildAlltargetfiles将会对当前工程中的所有文件重新进行编译然后再连接，确保最终生产的目标代码是最新的，