半导体薄膜电阻的测量技术研究

科技信息　高校理科研究　半导傩薄膜电阻酌测星技术研究　南京信息职业技术学院　韩萌　［摘要］电阻率是描述半导体材料性能的重要参数之一，四探针技术是测量半导体材料电阻率的主要手段。本文对四探针技术测　量半导体薄层电阻的重要性进行了分析，结合常用的四探针测量技术探讨半导体电阻率的测量方法，重点讨论直线四探针技术和矩　形四探针技术，对比了常用的几种四探针技术的优劣。　［关键词］电阻率　四探针测量　１．引言　．　随着集成电路工业的快速发展，我们不仅需要功能强大的设计模　针为正方形排列。若四个探针排列成的正方形的边长为ｂ，电流从探针　１流人从探针４流出，与直线四探针讨论方法相同，被测样品的电阻率　拟工具和先进的工艺制造技术，还需要可靠的测试手段，四探针技术一　直都是半导体测量的重要方法，近年来四探针测试技术更是成为半导　体制造领域应用最为广泛的检测手段之一。薄层电阻是影响半导体器　件重要特性参数的因素之一，微区薄层电阻的均匀性和电学特性受到　越来越多的关注…，四探针测试技术作为测量薄层电阻的主要技术手段　也随之体现出越来越明显的重要性和实用价值。　２．四探针测试技术的发展　四探针测试方法按探针的排列方式可分为直线四探针法和矩形四　探针法。其中矩形四探针法又分为竖直四探针法和斜置四探针法。按发　明人分又可分为Ｐｅｒｌｏｆｆ法、Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ法（即双位测量法）、范德堡法、　改进的范德堡法等。每种方法对被测样品的大小以及厚度都有明确要　求，当测试条件未完全满足时，就需要考虑边缘效应和厚度效应并加以　修正。　常规四探针法使用简便，是目前国内广泛使用的一种测量方法。但　是随着集成电路技术的不断发展，需要测量的微区尺寸越来越小，常规　直线四探针法的测量精度受到边缘效应和探针游移的影响越来越明　显，所以对于微小的被测样品通常使用改进的范德堡法进行测量。　Ｒｙｍａ￣ｚｅｗｓｋｉ法是直线四探针法的一种，它与常规的直线四探针法　的主要区别在于，前者是对同一被测对象采用两次测量，而后者是单次　测量。Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ双位测量法中除了厚度需要修正外，不存在任何其　他修正的问题，同时也不受探针机械性能的影响，所以测量结果的准确　度比常规直线四探针测量方法要高。　由矩形四探针测量法衍生出改进的斜置式方形Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ四探　针法。这种方法能更精确地表示被测样品的微区特性。　目前，国内外已经展开了针对微区测试方法的广泛研究，如Ｃｒｏｓｓ—　ｌｅｖ等人和Ｐｅｒｌｏｆｆ等人的测试系统已经可以得到全片的薄层电阻分布，　也就是所谓的Ｍａｐｐｉｎｇ技术；国内也逐渐展开相关技术研究，并取得一　定进展。　３．薄层电阻和方块电阻　为了测量一个半导体薄层的导电性能，引入薄层电阻的概念。如果　一个均匀导体是一个长为Ｌ、宽为ｗ、厚为ｄ的薄层，电阻率为ｐ，则其　电阻为　Ｒ＿ｐ’　＝　‘　（１）　上式表示，该薄层导体的电阻与Ｉ／ｗ成正比，比例系数是ｐ／ｄ。用等　距直线排列的四探针法，如果测量薄层厚度ｄ远小于探针间距Ｓ的无　穷大薄层样品，得到的电阻就称之为薄层电阻。由式ｆ１）可见，当Ｌ＝Ｗ　时，比例系数ｐ／ｄ表示的就是一个正方形薄层的电阻，它与正方形的边　长无关，所以比例系数ｐ／ｄ起名为方块电阻，用Ｒ口表示．Ｒ口的单位为欧　姆ｆｎ），但在生产中也常将方块电阻的单位用欧姆／ｄａ／ｕ）来表示。实际　生产中，通常用方块电阻代替薄层电阻表示某一薄层材料的导电性能。　４．常用的四探针技术　４．１直线四探针技术　在直线四探针技术中，将四根探针等距排成一条直线，并以一定的　压力垂直地压在一块相对于探针间距可视为半无穷大均匀电阻率的样　品上，在外侧的两个探针之间施加电流，在中间的两个探针之间放置高　精度电压表，就可以测出被测样品的电阻率进而求出被测样品的方块　电阻。相邻探针的间距为Ｓ，探针２处的电势Ｖ　是处于探针１处的点电　流源＋Ｉ和处于探针４处的点电流源一Ｉ之和。最终可以得到被测样品　的电阻率为　ｐ＝２　ｓ　由式（２）可以看出，对于等间距直线四探针技术来说，在探针间距ｓ　已知的情况下，只要测量出流过探针１和探针４的电流Ｉ，以及施加在　探针２和探针３之间的电势差ｖ　，就可以求出被测样品的电阻率Ｐ。　４．２矩形四探针技术　矩形四探针技术与直线四探针技术的不同在于，矩形四探针测试　法中四根探针不要求必须位于一条直线上。常用的矩形四探针法有方　形四探针技术和范登堡法。　方形四探针法与直线四探针法的最大区别在于方形四探针法的探　为　（２　、／　）２　‘旱　范德堡法是在方形四探针法的基础上发展而来的。在该测量技术　中，被测样品的厚度必须小于其宽度和长度。为了确保测量数据的准确　性，被测样品最好具有对称的外形并且中间不能有独立的空或破损。该　方法要求四个探针分别以欧姆接触的形式放置在被测样品的边缘，并　且探针的尺寸要求尽可能小。事实发现，任意形状被测样品的方块电阻　都可以由两个电阻决定——垂直方向上测得的电阻，如Ｒ。　，和水平方　向上测得的电阻，如Ｒ　。实际的方块电阻Ｒ口与电阻Ｒ。：　Ｒ　．满足范　德堡方程　ｅｘｐＩ＿　）＝　［４）　通过两次测量探针间的电压获得水平和垂直方向上的电阻，结合　范德堡方程即可以求得被测样品的方块电阻值。　４．３斜置式方形Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ四探针法　斜置式方形Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ四探针法是在普通方形四探针测试法和　普通直线四探针法的基础上发展而来的。它的主要特点是四个探针不　是垂直于被测半导体基片的表面，而是探针相对于半导体表面有一定　角度的倾斜。这种探针排布模式的主要特点就是在于可以实现较小的　探针间距，从而使得被测微区的尺寸更小，这样可以得到更为精准的微　区特性。Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ法在用于无穷大薄层样品时，不受探针距离和探　针纵向位置移动的影响。　将方形四探针法与Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ法相互结合得到的斜置式方形　Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ测试法，可以综合两种测量方法的优点。用Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ法　测量得到的薄层电阻表示为　Ｒ　（　）ｆ（鲁）　（５，　式（５冲Ｖ，和Ｖ　分别表示两次测量中探针２、３和探针３、４之间的　电压，ｆ　，，ｖ２）是范德堡修正函数。　５．结论　通过对常规直线四探针法、矩形四探针法和斜置式方形Ｒｙ—　ｍａｓｚｅｗｓｋｉ四探针法的分别讨论和分析可以看出，普通的直线四探针法　不太适用于微区的薄层电阻测量，而矩形四探针法和斜置式方形Ｒｖ—　ｍａ￣ｓｚｅｗｓｋｉ四探针法则能较好地实现微区薄层电阻的测定，且斜置式方　形Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ四探针法综合了几种其他方法的优点，同时借助于先进　的图像识别技术，得以实现更为精确的微区薄层电阻的测量任务。　另外常规直线四探针法的探针间距要等距直线排列，当给探针施　加一定压力后，探针出现的纵向和横向位置移动都会影响薄层电阻测　量的精确性。而斜置式方形Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ四探针法是基于Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ　法提出的改进方法，这就不用考虑探针间距不等和探针纵向移动的问　题，但是探针的横向移动对测量精度的影响还是存在的。　总的来说，由于半导体器件集成度的不断提高，半导体微区特性的　重要性日益体现。传统的直线四探针测试方法和矩形四探针法中探针　的间距较大，无法满足测量更小微区的需要。斜置式方形Ｒｙｍａｓｚｅｗｓｋｉ　四探针法中，斜置式方形排列的探针可以使探针间距控制在０．５ｒａｍ以　内，测量的分辨率比传统的直线四探针法高很多，另外再结合图像识别　技术和相关软件的支持，得到的薄层电阻等值图能够提供更为精确的　微区特性。　参考文献　［１］宗祥福，李川．电子材料实验．上海：复旦大学出版社，２００４：３　［２］孟庆浩，孙新宇，孙以材等薄层电阻测试Ｍａｐｐｉｎｇ技术．半导体　学报，１９９７，１８．９：７１０　［３］孙以材，张林在．用改进的ＶａｎｄｅｒＰａｕｗ法测定方形微区的方：夹－　电阻．物理学报，１９９４，４３．３：５３０．　［４］刘新福，孙以材，刘东升．四探针技术测量测量薄层电阻的原理及　应用．半导体技术，２００４，２９．７：５１．　［５］周全德Ｉｃ离子注入工艺的薄层电阻等值图监控．微电子学，２０００，　３０　６：４１１　１０１—