5、斜置式Rymaszewski法方形四探针测试仪及其应用.doc

四探针技术测量薄层电阻的原理及应用 刘新福，孙以材，刘东升 （河北工业大学微电子技术研究所） 摘要对四探针技术测试薄层电阻的原理进行了综述，重点分析了常规直线四探针法、改进范德堡法和斜置式方形Rymaszewski 法的测试原理，并应用斜置式Rymaszewski 法研制成新型的四探针测试仪，利用该仪器对样品进行了微区（300μm×300μm）薄层电阻测量，做出了样品的电阻率等值线图，为提高晶锭的质量提供了重要参考。 关键词：四探针技术薄层电阻测试技术 中图分类号：TN304.07 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)07-0048-05 引言许多器件的重要参数和薄层电阻有关，在半导体工艺飞速发展的今天，微区的薄层电阻均匀性和电特性受到了人们的广泛关注。随着集成电路研究的快速发展，新品种不断开发出来，并对开发周期、产品性能（包括IC的规模、速度、功能复杂性、管脚数等）的要求也越来越高。因此不仅需要完善的设计模拟工具和稳定的工艺制备能力，还需要可靠的测试手段，对器件性能做出准确无误的判断，这在研制初期尤其重要。四探针法在半导体测量技术中已得到了广泛的应用，尤其近年来随着微电子技术的加速发展，四探针测试技术已经成为半导体生产工艺中应用最为广泛的工艺监控手段之一。本文在分析四探针技术几种典型测试原理的基础上，重点讨论了改进Rymaszewski法的应用，研制出一种新型测试仪器，并对实际样品进行了测试。 四探针测试技术综述　四探针测试技术方法分为直线四探针法和方形四探针法。方形四探针法又分为竖直四探针法和斜置四探针法。方形四探针法具有测量较小微区的优点，可以测试样品的不均匀性，微区及微样品薄层电阻的测量多采用此方法。四探针法按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改进的范德堡法等。值得提出的是每种方法都对被测样品的厚度和大小有一定的要求，当不满足条件时，必须考虑边缘效应和厚度效应的修正问题 双电测量法采用让电流先后通过不同的探针对，测量相应的另外两针间的电压，进行组合，按相关公式求出电阻值；该方法在四根探针排列成一条直线 的条件下，测量结果与探针间距无关。双电测量法与常规直线四探针法主要区别在于后者是单次测量，而前者对同一被测对象采用两次测量，而且每种组合模式测量时流过电流的探针和测量电压的探针是不一样的。双电测量法主要包括Perloff法（如图1）和Rymaszewski法（如图2）。Rymaszewski法适用于无穷大薄层样品，此时不受探针距离和游移的影响，测量得到的薄层电阻为 式中I为测试电流；V1，V2分别为两次测得的电压值；f（V2/V1）为范德堡函数。 只要样品的厚度小于3mm，其他几何尺寸无论是多少，无论测量样品什么位置，都用同一个公式计算测量结果。除厚度修正因子外，不存在其他任何修正因子的问题，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测量法要高一些，尤其是边缘位置的测量，双电测方法的优越性就显得更加突出。然而，文献[10]用有限元的方法证明了Rymaszewski法当样品或测试区域为有限尺寸的矩形时需要做边缘效应修正，只有当四探针在样品宽度的中央区，且矩形的长度能容纳下四根探针时不需边缘效应修正。 由矩形四探针测量法衍生出改进的Rymaszewski直线四探针法即方形Rymaszewski四探针法，这是薄层电阻测量的又一方法，也是本文介绍的新型测试仪研制的重要依据。 改进的范德堡法利用四根斜置的刚性探针，不要求等距、共线，只要求依靠显微镜观察，保证针尖在样品的方形四个角区边界附近一定界限内，用改进的范德堡公式，由四次电压、电流轮换测量得到薄层电阻，可以用于微区薄层电阻的测定。不需要测量针尖与样品之间相对距离，不需要作边缘效应修正，不需要保证重复测量时探针位置的一致性，探针的游移不影响测量结果，不需要制备从微区伸出的测试臂和金属化电极，简便、快捷、可行。这种方法可在微区薄层电阻测试图形上确定出探针放置的合理测试位置，用有限元方法给予了证明，探针在阴影区的游移不影响测量结果。 测试薄层电阻的原理分析 .1 常规直线四探针法 .1.1 常规直线四探针法的基本原理 　　 将位于同一直线上的4个探针置于一平坦的样品（其尺寸相对于四探针，可被视为无穷大）上，并施加直流电流I于外侧的两个探针上，然后在中间两个探针上用高精度数字电压表测量电压V2,3，则检测位置的电阻率ρΩ·cm）为： 其中，C为四探针的探针系数（cm），它的大小取决于四根探针的排列方法和针距。 由于半导体材料的电阻率都具有显著的温度系数CT，所以测量电阻率时必须知道样片的温度，如果认为有电阻加热效应时，可观察施加电流后检测电阻率是否会随时间改变而判定。通常四探针电阻率测量的参考温度为23±0.5，如