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1、四探针技术测量薄层电阻的原理及应用 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（300p mX300p m）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1 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
2、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。2 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
3、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
4、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 四探针技术测量薄层电阻的原理及应用 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（300p mX300|j m）薄层电阻测量，做 出了样品的电阻率等
5、值线图，为提高晶锭的质量提供了重要参考。1 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
6、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。2 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
7、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。文献7指出只要样品的厚度小于3m
8、m，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
9、绍的新型测试仪研制的重要依据。尽it砒JZ程事“閑用叫內匀.片獄JCCC 吐孔刑.斗lilt血悅F昨起的必ft. toM+ M 訂一它的职瓠肚丹內引山电忙联.甲證为*旳卅枕 U 疔井妙艸卅FC Mfc； a. b 自.电越Hh rtrt ABX -也托盘41 呻休Zl, MAC ifl 旦U迪比* H外骑%匚卢 堆“也au （岬也 电碱人房 Ml 亡H创的电忡亞耳才iHh Kn-/Gn ItfmlYU 加咖凯平力为应生年行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
10、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。3 测试薄层电阻的原理分析3.1 常规直线四探针法3.1.1 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
11、压表测量电压V2,3，则检测位置的电阻率pQcm）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230.5C，如检测时的室温异于此参考温度的话，可 以利用下式修正p 23=p T-CT（T-23） （ 4）其中p T为温度T时所检测到的电阻率值。3.1.2 测量电流的选择少子注入的影响取决于测量电流I、探针间距以及少子寿命等，电流大，针距小，寿 命长，影响就大。为了
12、避免电流通过样品时产生焦耳热和少子注入的影响，应适当减小测量 电流。测量电流大小可参考文献14选取。3.1.3 常规直线四探针法的边缘和厚度修正一般当片子直径约为40S (般是40mm, S为探针间距)时，边缘效应的修正因子(F1 =1)就不必再修正；同理，当样品的厚度超过5倍探针间距时，片子厚度的修正因子(F2=l) 也就不需要修正。3.1.4 常规直线四探针法的测量区域 四探针能测出超过其探针间距三倍以上大小区域的不均匀性，这是常规直线四探针法 探测微区不均匀性的尺寸限度，因此被测微区的尺寸也限定在毫米数量级。3.2 改进的范德堡法3.2.1 改进范德堡法的基本原理 改进的范德堡法能成功地
13、应用于微区薄层电阻测量。这一方法的要点是，在显微镜帮助 下用目视法只要保证四个探针尖分别置于方形微小样品面上的内切圆外四个角区(如图3 所示)，就可以正确测出它的方块电阻，不需要测定探针的几何位置。第一次测量时，用A、B探针作为通电流探针，电流为I, D、C探针作为测电压探针，其间 电压为V1；第二次测量时用B、C探针作为通电流探针，电流仍为I，A、D探针作为测电压 探针，其间电压为V2；然后依次以C、D和D、A作为通电流的探针，相应测电压的探针B、 A和C、D间电压分别为V3和V4。由四次测量可得样品的方块电阻为这一方法的特点是：(1)四根探针从四个方向分别由操纵架伸出触到样品上，探针杆有足
14、够的刚性。探针间距取决于探针针尖的半径，不受探针杆直径所限；(2)测量精度与探针的游移无关，测量重复性好，无需保证重复测量时探针位置的一致性。3.2.2 改进范德堡法测试条件分析 对半导体样品，少子注入及焦耳热会影响测量结果。当微区尺寸达到三倍牵引半径时 , 可以认为少子受电场的牵引影响不大Beuhler利用微范德堡电阻器测量薄层电阻时，观察 到焦耳热的影响，并归因于过窄的测试臂导致电流密度过大而发热，因为该测试方法不要求 从样品中引出测试臂，所以焦耳热效应不明显。3.2.3 改进范德堡法的边缘修正 对于改进的范德堡法，用有限元方法解决边缘修正问题是很简单的。文献5用这一方法研究了测量十字形微
15、区时放置探针的区域。文献13研究了苜蓿花形和风车形的微区结构 图4 中阴影区即是采用改进的范得堡法放置探针的区域。由有限元方法得知，探针在阴影区 时测量结果不受边缘效应的影响。3.3 斜置式方形 Rymaszewski 四探针法使用斜置式方形探针测量单晶断面电阻率分布，可以使针距控制在0.5mm以内，分辨 率较常规直线四探针法有很大提高，所得Mapping图将能更精确的表明片子的微区特性。常规直线四探针法测量时要求探针间距严格相等，且不能有沿直线方向以及横向的游移Rymaszewski 提出的测试方法能解决纵向游移以及探针不等距的影响，但是横向游移对测量 精度的影响尚需进一步探讨。Rymasz
16、ewski2对直线四探针测量无穷大样品提出下列公式：ip t I ii V, 呛,+ 亡砰1-1 a V JTj !Ft成点】用尽盍（宁）其中VI和V2分别是两次测量中2、3和3、4探针之间的电压；f （V1/V2）是Van der Pauw 函数。从定性方面分析，探针发生纵向游移时，VI、V2便偏离没有游移时的值，然而通过 Van der Pauw函数的修正，使RS值保持不变。4 斜置式 Rymaszewski 法方形四探针测试仪及其应用 利用 Rymaszewski 法方形四探针测试原理研制出检测硅芯片薄层电阻的方形四探针测 试仪。该仪器利用斜置的探针，通过摄像头，借助于计算机显示器观察探针测试位置，用伺 服电机控制样品平台和探针的移动，实现自动调整与测试
