四探针技术测量薄层电阻的原理及应用详解.PDF

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） 1、摘要 本文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 2、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。 1 BeiJing XIHE-Sun Science Co., Ltd. September ,2010 3、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。 2 BeiJing XIHE-Sun Science Co., Ltd. September ,2010 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