劉新福，孫以材，劉東升

1 引言

許多器件的重要參數(shù)和薄層電阻有關(guān)，在半導(dǎo)體工藝飛速發(fā)展的今天，微區(qū)的薄層電阻均勻性和電特性受到了人們的廣泛關(guān)注。隨著集成電路研究的快速發(fā)展， 新品種不斷開發(fā)出來(lái)，并對(duì)開發(fā)周期、產(chǎn)品性能（包括IC的規(guī)模、速度、功能復(fù)雜性、管腳數(shù)等）的要求也越來(lái)越高。因此不僅需要完善的設(shè)計(jì)模擬工具和穩(wěn)定的 工藝制備能力，還需要可靠的測(cè)試手段，對(duì)器件性能做出準(zhǔn)確無(wú)誤的判斷，這在研制初期尤其重要。四探針法在半導(dǎo)體測(cè)量技術(shù)中已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其近年來(lái) 隨著微電子技術(shù)的加速發(fā)展，四探針測(cè)試技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中應(yīng)用最為廣泛的工藝監(jiān)控手段之一。本文在分析四探針技術(shù)幾種典型測(cè)試原理的基礎(chǔ)上，重 點(diǎn)討論了改進(jìn)Rymaszewski法的應(yīng)用，研制出一種新型測(cè)試儀器，并對(duì)實(shí)際樣品進(jìn)行了測(cè)試。

2 四探針測(cè)試技術(shù)綜述
四探針測(cè)試技術(shù)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(cè)量較小微區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，可以測(cè)試樣品 的不均勻性，微區(qū)及微樣品薄層電阻的測(cè)量多采用此方法。四探針法按發(fā)明人又分為Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改進(jìn)的范德堡法 等。值得提出的是每種方法都對(duì)被測(cè)樣品的厚度和大小有一定的要求，當(dāng)不滿足條件時(shí)，必須考慮邊緣效應(yīng)和厚度效應(yīng)的修正問題

雙電測(cè)量法采用讓電流先后通過不同的探針對(duì)，測(cè)量相應(yīng)的另外兩針間的電壓，進(jìn)行組合，按相關(guān)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(cè)量結(jié)果與探針間距無(wú)關(guān)。雙電測(cè)量法與常規(guī)直線四探針法主要區(qū)別在于后者是單次測(cè)量，而前者對(duì)同一被測(cè)對(duì)象采用兩次測(cè)量，而且每種組合模式測(cè)量 時(shí)流過電流的探針和測(cè)量電壓的探針是不一樣的。雙電測(cè)量法主要包括Perloff法（如圖1）和Rymaszewski法（如圖2）。 Rymaszewski法適用于無(wú)窮大薄層樣品，此時(shí)不受探針距離和游移的影響，測(cè)量得到的薄層電阻為

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

3 測(cè)試薄層電阻的原理分析
3.1 常規(guī)直線四探針法

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

3.1.2 測(cè)量電流的選擇
少子注入的影響取決于測(cè)量電流 I、探針間距以及少子壽命等，電流大，針距小，壽命長(zhǎng)，影響就大。為了避免電流通過樣品時(shí)產(chǎn)生焦耳熱和少子注入的影響，應(yīng)適當(dāng)減小測(cè)量電流。測(cè)量電流大小可參考文獻(xiàn)[14]選取。

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

3.1.4 常規(guī)直線四探針法的測(cè)量區(qū)域
四探針能測(cè)出超過其探針間距三倍以上大小區(qū)域的不均勻性，這是常規(guī)直線四探針法探測(cè)微區(qū)不均勻性的尺寸限度，因此被測(cè)微區(qū)的尺寸也限定在毫米數(shù)量級(jí)。

3.2 改進(jìn)的范德堡法

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

3.2.3 改進(jìn)范德堡法的邊緣修正
對(duì)于改進(jìn)的范德堡法，用有限元方法解決邊緣修正問題是很簡(jiǎn)單的。文獻(xiàn)[5]用這一方法研究了測(cè)量十字形微區(qū)時(shí)放置探針的區(qū)域。文獻(xiàn)[13]研究了苜蓿花形 和風(fēng)車形的微區(qū)結(jié)構(gòu)。圖4中陰影區(qū)即是采用改進(jìn)的范得堡法放置探針的區(qū)域。由有限元方法得知，探針在陰影區(qū)時(shí)測(cè)量結(jié)果不受邊緣效應(yīng)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(cè)量單晶斷面電阻率分布，可以使針距控制在0.5mm以內(nèi)，分辨率較常規(guī)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(qū)特性。

常規(guī)直線四探針法測(cè)量時(shí)要求探針間距嚴(yán)格相等，且不能有沿直線方向以及橫向的游移?！　　　　　ymaszewski提出的測(cè)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(duì)測(cè)量精度的影響尚需進(jìn)一步探討。Rymaszewski[2]對(duì)直線四探針測(cè)量無(wú)窮大樣品提出下列公式：

　　利用Rymaszewski法方形四探針測(cè)試原理研制出檢測(cè)硅芯片薄層電阻的方形四探針測(cè)試儀。該儀器利用斜置的探針，通過攝像頭，借助于計(jì)算機(jī)顯示器觀察探針測(cè)試位置，用伺服電機(jī)控制樣品平臺(tái)和探針的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整與測(cè)試硅芯片的電阻率均勻性。

該新型測(cè)試儀不僅從測(cè)量系統(tǒng)的本身具有使測(cè)試誤差達(dá)到最小化的結(jié)構(gòu)保證，而且可以借助于圖像識(shí)別和伺服電機(jī)控制每個(gè)探針的調(diào)整（在調(diào)整時(shí)，需要利用控制 垂直運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)，先抬起探針，調(diào)整之后再通過軟著陸的方式放下探針），保證探針測(cè)試位置的準(zhǔn)確；另外通過控制縱橫向伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的縱橫向移動(dòng)，使 硅片位置調(diào)整自動(dòng)化，并且能夠做到嚴(yán)格控制步進(jìn)的距離，可以實(shí)現(xiàn)最小步距0.25μm，這樣就可以很方便地進(jìn)行大樣片的檢測(cè)，以達(dá)到高精度測(cè)試微區(qū)的目 標(biāo)，并且可以極大地提高測(cè)試速度。

　　通過應(yīng)用該測(cè)量?jī)x器對(duì)國(guó)內(nèi)某公司的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量， 發(fā)現(xiàn)原來(lái)用普通四探針測(cè)量（測(cè)5點(diǎn)）非常均勻的100mm n型（區(qū)熔）硅片，經(jīng)過實(shí)際多點(diǎn)（實(shí)測(cè)1049點(diǎn)）無(wú)圖形測(cè)試，測(cè)試區(qū)域（探針間距）為300μm×300μm，測(cè)試間距1.2mm。測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，以提高整個(gè)晶錠的質(zhì)量，最終達(dá)到提高器件性能的目標(biāo)。

通過對(duì)常規(guī)直線四探針測(cè)試技術(shù)、改進(jìn)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(qū)薄層電阻的測(cè)量，后兩種方法均 可用于微區(qū)薄層電阻測(cè)定。然而，這兩種方法也有不同，即改進(jìn)的范德堡法需要借助于放大鏡觀察樣品的測(cè)試位置，并且需要制備測(cè)試圖形；而應(yīng)用 Rymaszewski法的方形四探針測(cè)試儀可不用制備測(cè)試圖形，并能夠利用攝像頭將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)顯示器觀察，這樣測(cè)量起來(lái)就更加便捷了。