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，并對開發(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）的要求也越來越高。因此不僅需要完善的設(shè)計模擬工具和穩(wěn)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(dǎo)體測量技術(shù)中已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其近年來 隨著微電子技術(shù)的加速發(fā)展，四探針測試技術(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)幾種典型測試原理的基礎(chǔ)上，重 點討論了改進Rymaszewski法的應(yīng)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(shù)綜述
四探針測試技術(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量較小微區(qū)的優(yōu)點，可以測試樣品 的不均勻性，微區(qū)及微樣品薄層電阻的測量多采用此方法。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(yīng)和厚度效應(yīng)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(yīng)的另外兩針間的電壓，進行組合，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，測量結(jié)果與探針間距無關(guān)。雙電測量法與常規(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

　　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(jù)。

3 測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(cè)的兩個探針上，然后在中間兩個探針上用高精度數(shù)字電壓表測量電壓V2,3，則檢測位置的電阻率ρΩ·cm）為：

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(chǎn)生焦耳熱和少子注入的影響，應(yīng)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(guī)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(yīng)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(guī)直線四探針法的測量區(qū)域
四探針能測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)直線四探針法探測微區(qū)不均勻性的尺寸限度，因此被測微區(qū)的尺寸也限定在毫米數(shù)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(yīng)用于微區(qū)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(nèi)切圓外四 個角區(qū)（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。

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(qū)時放置探針的區(qū)域。文獻[13]研究了苜?；ㄐ? 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)時測量結(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?！　　　　　ymaszewski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：

　　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(xiàn)自動調(diào)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(tǒng)的本身具有使測試誤差達到最小化的結(jié)構(gòu)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(diào)整（在調(diào)整時，需要利用控制 垂直運動的伺服電機，先抬起探針，調(diào)整之后再通過軟著陸的方式放下探針），保證探針測試位置的準確；另外通過控制縱橫向伺服電機實現(xiàn)平臺的縱橫向移動，使 硅片位置調(diào)整自動化，并且能夠做到嚴格控制步進的距離，可以實現(xiàn)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(qū)的目 標，并且可以極大地提高測試速度。

　　通過應(yīng)用該測量儀器對國內(nèi)某公司的產(chǎn)品進行測量， 發(fā)現(xiàn)原來用普通四探針測量（測5點）非常均勻的100mm n型（區(qū)熔）硅片，經(jīng)過實際多點（實測1049點）無圖形測試，測試區(qū)域（探針間距）為300μm×300μm，測試間距1.2mm。測試結(jié)果有多處并非 很均勻，如圖5所示（單位：W·cm），因此，可以借助于分析測試結(jié)果對工藝進行改進，以提高整個晶錠的質(zhì)量，最終達到提高器件性能的目標。

通過對常規(guī)直線四探針測試技術(shù)、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(qū)薄層電阻的測量，后兩種方法均 可用于微區(qū)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(yīng)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。