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四探針技術測量薄層電阻的原理及應用

劉新福,孫以材,劉東升

(河北工業大學微電子技術研究所,天津 300130)
摘要:對四探針技術測試薄層電阻的原理進行了綜述,重點分析了常規直線四探針法、改進范德堡法和斜置式方形Rymaszewski 法的測試原理,并應用斜置式Rymaszewski 法研制成新型的四探針測試儀,利用該儀器對樣品進行了微區(300μm×300μm)薄層電阻測量,做出了樣品的電阻率等值線圖,為提高晶錠的質量提供了重要參考。
關鍵詞:四探針技術;薄層電阻;測試技術
中圖分類號:TN304.07 文獻標識碼:A 文章編號:1003-353X(2004)07-0048-05

1 引言
  許多器件的重要參數和薄層電阻有關,在半導體工藝飛速發展的今天,微區的薄層電阻均勻性和電特性受到了人們的廣泛關注。隨著集成電路研究的快速發展,新品種不斷開發出來,并對開發周期、產品性能(包括IC的規模、速度、功能復雜性、管腳數等)的要求也越來越高。因此不僅需要完善的設計模擬工具和穩定的工藝制備能力,還需要可靠的測試手段,對器件性能做出準確無誤的判斷,這在研制初期尤其重要。四探針法在半導體測量技術中已得到了廣泛的應用,尤其近年來隨著微電子技術的加速發展,四探針測試技術已經成為半導體生產工藝中應用最為廣泛的工藝監控手段之一。本文在分析四探針技術幾種典型測試原理的基礎上,重點討論了改進Rymaszewski法的應用,研制出一種新型測試儀器,并對實際樣品進行了測試。

2 四探針測試技術綜述
   四探針測試技術方法分為直線四探針法和方形四探針法。方形四探針法又分為豎直四探針法和斜置四探針法。方形四探針法具有測量較小微區的優點,可以測試樣品的不均勻性,微區及微樣品薄層電阻的測量多采用此方法。四探針法按發明人又分為Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改進的范德堡法等。值得提出的是每種方法都對被測樣品的厚度和大小有一定的要求,當不滿足條件時,必須考慮邊緣效應和厚度效應的修正問題

  雙電測量法采用讓電流先后通過不同的探針對,測量相應的另外兩針間的電壓,進行組合,按相關公式求出電阻值;該方法在四根探針排列成一條直線 的條件下,測量結果與探針間距無關。雙電測量法與常規直線四探針法主要區別在于后者是單次測量,而前者對同一被測對象采用兩次測量,而且每種組合模式測量時流過電流的探針和測量電壓的探針是不一樣的。雙電測量法主要包括Perloff法(如圖1)和Rymaszewski法(如圖2)。Rymaszewski法適用于無窮大薄層樣品,此時不受探針距離和游移的影響,測量得到的薄層電阻為


式中I為測試電流;V1,V2分別為兩次測得的電壓值;f(V2/V1)為范德堡函數。
   文獻[7]指出只要樣品的厚度小于3mm,其他幾何尺寸無論是多少,無論測量樣品什么位置,都用同一個公式計算測量結果。除厚度修正因子外,不存在其他任何修正因子的問題,也不受探針機械性能的影響,所以測量結果的準確度比常規測量法要高一些,尤其是邊緣位置的測量,雙電測方法的優越性就顯得更加突出。然而,文獻[10]用有限元的方法證明了Rymaszewski法當樣品或測試區域為有限尺寸的矩形時需要做邊緣效應修正,只有當四探針在樣品寬度的中央區,且矩形的長度能容納下四根探針時不需邊緣效應修正。

  由矩形四探針測量法衍生出改進的Rymaszewski直線四探針法即方形Rymaszewski四探針法,這是薄層電阻測量的又一方法,也是本文介紹的新型測試儀研制的重要依據。

  改進的范德堡法利用四根斜置的剛性探針,不要求等距、共線,只要求依靠顯微鏡觀察,保證針尖在樣品的方形四個角區邊界附近一定界限內,用改進的范德堡公式,由四次電壓、電流輪換測量得到薄層電阻,可以用于微區薄層電阻的測定。不需要測量針尖與樣品之間相對距離,不需要作邊緣效應修正,不需要保證重復測量時探針位置的一致性,探針的游移不影響測量結果,不需要制備從微區伸出的測試臂和金屬化電極,簡便、快捷、可行。這種方法可在微區薄層電阻測試圖形上確定出探針放置的合理測試位置,用有限元方法給予了證明,探針在陰影區的游移不影響測量結果[。

3 測試薄層電阻的原理分析
3.1 常規直線四探針法

3.1.1 常規直線四探針法的基本原理
   將位于同一直線上的4個探針置于一平坦的樣品(其尺寸相對于四探針,可被視為無窮大)上,并施加直流電流I于外側的兩個探針上,然后在中間兩個探針上用高精度數字電壓表測量電壓V2,3,則檢測位置的電阻率ρΩ·cm)為:

其中,C為四探針的探針系數(cm),它的大小取決于四根探針的排列方法和針距。
由于半導體材料的電阻率都具有顯著的溫度系數CT,所以測量電阻率時必須知道樣片的溫度,如果認為有電阻加熱效應時,可觀察施加電流后檢測電阻率是否會隨時間改變而判定。通常四探針電阻率測量的參考溫度為23±0.5℃,如檢測時的室溫異于此參考溫度的話,可以利用下式修正
ρ23=ρT-CT(T-23) (4)
其中ρT為溫度T 時所檢測到的電阻率值。

3.1.2 測量電流的選擇
   少子注入的影響取決于測量電流 I、探針間距以及少子壽命等,電流大,針距小,壽命長,影響就大。為了避免電流通過樣品時產生焦耳熱和少子注入的影響,應適當減小測量電流。測量電流大小可參考文獻[14]選取。

3.1.3 常規直線四探針法的邊緣和厚度修正
   一般當片子直徑約為40S(一般是40mm, S為探針間距)時,邊緣效應的修正因子(F1=1)就不必再修正;同理,當樣品的厚度超過5倍探針間距時,片子厚度的修正因子(F2=1)也就不需要修正。

3.1.4 常規直線四探針法的測量區域
   四探針能測出超過其探針間距三倍以上大小區域的不均勻性,這是常規直線四探針法探測微區不均勻性的尺寸限度,因此被測微區的尺寸也限定在毫米數量級。

3.2 改進的范德堡法

3.2.1 改進范德堡法的基本原理
  改進的范德堡法能成功地應用于微區薄層電阻測量。這一方法的要點是,在顯微鏡幫助下用目視法只要保證四個探針尖分別置于方形微小樣品面上的內切圓外四個角區(如圖3所示),就可以正確測出它的方塊電阻,不需要測定探針的幾何位置。

第一次測量時,用A、B探針作為通電流探針,電流為I,D、C探針作為測電壓探針,其間電壓為V1;第二次測量時用B、C探針作為通電流探針,電流仍為 I,A、D探針作為測電壓探針,其間電壓為V2;然后依次以C、D和D、A作為通電流的探針,相應測電壓的探針B、A和C、D 間電壓分別為V3和V4。由四次測量可得樣品的方塊電阻為
這一方法的特點是:(1)四根探針從四個方向分別由操縱架伸出觸到樣品上,探針桿有足夠的剛性。探針間距取決于探針針尖的半徑,不受探針桿直徑所限;(2)測量精度與探針的游移無關,測量重復性好,無需保證重復測量時探針位置的一致性。
3.2.2 改進范德堡法測試條件分析
  對半導體樣品,少子注入及焦耳熱會影響測量結果。當微區尺寸達到三倍牽引半徑時 ,可以認為少子受電場的牽引影響不大。Beuhler 利用微范德堡電阻器測量薄層電阻時 ,觀察到焦耳熱的影響,并歸因于過窄的測試臂導致電流密度過大而發熱,因為該測試方法不要求從樣品中引出測試臂,所以焦耳熱效應不明顯。

3.2.3 改進范德堡法的邊緣修正
   對于改進的范德堡法,用有限元方法解決邊緣修正問題是很簡單的。文獻[5]用這一方法研究了測量十字形微區時放置探針的區域。文獻[13]研究了苜蓿花形和風車形的微區結構。圖4中陰影區即是采用改進的范得堡法放置探針的區域。由有限元方法得知,探針在陰影區時測量結果不受邊緣效應的影響。

3.3 斜置式方形Rymaszewski四探針法
   使用斜置式方形探針測量單晶斷面電阻率分布,可以使針距控制在0.5mm以內,分辨率較常規直線四探針法有很大提高,所得Mapping圖將能更精確的表明片子的微區特性。

  常規直線四探針法測量時要求探針間距嚴格相等,且不能有沿直線方向以及橫向的游移。      Rymaszewski提出的測試方法能解決縱向游移以及探針不等距的影響,但是橫向游移對測量精度的影響尚需進一步探討。Rymaszewski[2]對直線四探針測量無窮大樣品提出下列公式:

其中V1和V2分別是兩次測量中2、3和3、4探針之間的電壓; f (V1∕V2 )是Van der Pauw函數。從定性方面分析,探針發生縱向游移時,V1、V2便偏離沒有游移時的值,然而通過Van der Pauw函數的修正,使RS值保持不變。
4 斜置式Rymaszewski法方形四探針測試儀及其應用

  利用Rymaszewski法方形四探針測試原理研制出檢測硅芯片薄層電阻的方形四探針測試儀。該儀器利用斜置的探針,通過攝像頭,借助于計算機顯示器觀察探針測試位置,用伺服電機控制樣品平臺和探針的移動,實現自動調整與測試硅芯片的電阻率均勻性。

  該新型測試儀不僅從測量系統的本身具有使測試誤差達到最小化的結構保證,而且可以借助于圖像識別和伺服電機控制每個探針的調整(在調整時,需要利用控制垂直運動的伺服電機,先抬起探針,調整之后再通過軟著陸的方式放下探針),保證探針測試位置的準確;另外通過控制縱橫向伺服電機實現平臺的縱橫向移動,使硅片位置調整自動化,并且能夠做到嚴格控制步進的距離,可以實現最小步距0.25μm,這樣就可以很方便地進行大樣片的檢測,以達到高精度測試微區的目標,并且可以極大地提高測試速度。

  通過應用該測量儀器對國內某公司的產品進行測量,發現原來用普通四探針測量(測5點)非常均勻的100mm n型(區熔)硅片,經過實際多點(實測1049點)無圖形測試,測試區域(探針間距)為300μm×300μm,測試間距1.2mm。測試結果有多處并非很均勻,如圖5所示(單位:W·cm),因此,可以借助于分析測試結果對工藝進行改進,以提高整個晶錠的質量,最終達到提高器件性能的目標。

5 結論

  通過對常規直線四探針測試技術、改進的范德堡法和斜置式方形Rymaszewski四探針法的分析看出,前者不適用于微區薄層電阻的測量,后兩種方法均可用于微區薄層電阻測定。然而,這兩種方法也有不同,即改進的范德堡法需要借助于放大鏡觀察樣品的測試位置,并且需要制備測試圖形;而應用Rymaszewski法的方形四探針測試儀可不用制備測試圖形,并能夠利用攝像頭將信號傳遞給計算機顯示器觀察,這樣測量起來就更加便捷了。

本文摘自《半導體技術》
   
   
 

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