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（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
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
3或设备上直接测量电阻率。 二．目的和意义 1. 了解（微）小电阻测量的原理，了解四探针微电阻测量的特点，掌握（微）小电阻测量方法。 2. 了解几种典型材料的电阻率数量级。 3. 了解试样的尺寸对测量结果的影响。 4. 训练实验设计能力和实验操作水平。 三．实验原理 四点探针的原理见图1。前端精磨成针尖状的1、2、3、4号金属细棒中，1、4号和高精度的直流稳流电源相联，2、3号与高精度（精确到0.1μV）数字电压表或电位差计相联。四根探针有两种排列方式，一是四根针排列成一条直线（图1a），探针间可以是等距离也可是非等距离；二是四根探针呈正方形或矩形排列（图1b）。对于大块状或板状试样（尺寸远大于探针间距），两种探针排布方式都可以使用；而于细条状或细棒状试样，使用第二种方式更为有利。当稳流源通过1、4探针提供给试样一个稳定的电流时，在2、3探针上测得一个电压值V23。本实验采用第一种探针排布（图1a）形式，其等效电路图见图2。 对于如图所示的系统中，显然稳流电路中的导线电阻（R1、R4）和探针与样品的接触电阻（R2、R3）与被测电阻（R）串联在稳流电路中，不会影响测量的结果。稳流源 电压表 2 3 4 1 稳流源 电压表 1 4 3 2 样品 样品 a b 图1. 四点探针电阻测量原理示意图 4在测量回路中，R5、R6、R7、R8和数字电压表内阻R0串联，其总电阻Rˊ＝R5+R6+R7+R8在电路中与被测电阻R并联，其总的电阻为： 87650)87650(RRRRRRRRRRRRR+++++++++= （1） 当被测电阻很小（例如小于1Ω），而电压表内阻很大时（本实验使用的hp34410A型数字电压表其内阻大于10MΩ），R5、R6、R7、R8和R0对实验结果的影响在有效数字以外，测量结果足够精确。
对于三维尺寸都远大于于探针间距的半无穷大试样，其电阻率为ρ，探针引入的点电流源的电流强度为I，则均匀导体内恒定电场的等电位面为一系列球面。以r为半径的半球面积为2πr，则半球面上的电流密度为： 22rIjπ= （2） 由电导率σ与电流密度的关系可得到这个半球面上的电场强度为： 2222rIrIjEπρσπσ=== （3） 则距点电源r处的电势为： rIVπρ2= （4） 显然导体内各点的电势应为各点电源在该点形成的电势的矢量和。进一步分析得到导体的电阻率： 13413241223)1111(2−+−−=rrrrIVπρ （5） 高精度数字电压表 稳流源
Four Point Probe Theory
Resistivity, Rho, is a particularly important semiconductor parameter because it can be related directly to the
impurity content of a sample; The four point probe is the apparatus typically used to determine bulk resistivity.
电阻率是一个特别重要的半导体参数因为它直接关系到一个样品的杂质含量。四探针是一个典型的测量体电阻的装置。
The mobility of the carriers depends upon temperature, crystal defect density, and ALL impurities present.
Hall Effect Measurements can determine the mobility of the carriers in a given sample to allow for more accurate
dopant concentration measurements, but Hall measurements are usually destructive to the sample.
载流子速度取决于温度，晶体缺陷密度，和所有的杂质。霍尔效应能决定一个给定的样品的载流子速率为了更精确的掺杂物浓度测量，但是霍尔测量通常会破坏样品。
The four point probe contains four thin collinearly placed tungsten wires probes which are made to contact the
sample under test. Current I is made to flow between the outer probes, and voltage V is measured between the two
方块电阻
Technology 2009-08-12 22:53 阅读15 评论0
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ohms per square，薄层电阻又称方块电阻，其定义为正方形的半导体薄层，在电流方向所呈现的电阻，单位为欧姆每方。简单来说，方块电阻（Sheet Resistance）就是指导电材料单位厚度单位面积上的电阻值。简称方阻，理想情况下它等于该材料的电阻率除以厚度。方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1m还是0.1m，它们的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度和电阻率有关。方块电阻计算公式：R=ρL/S ，ρ为物质的电阻率，单位为欧姆米(Ω. m)，L为长度，单位为米(m)，S为截面积，单位为平方米（m2），长宽相等时，R=ρ/h ，h为薄膜厚度。材料的方阻越大，器件的本征电阻越大，从而损耗越大。
假设电流流经一个二维方块，定义等长宽的一个横面微元，电流流经方向上的偏压与电流大小（载流子N和所带电荷大小Q的函数）比值就是方块电阻，方块电阻对厚度积分可以得到电阻率，方块电阻只与材质有关。广义上将其抽象为一个静电场的半球，对电场半径求得微元电阻的大小也叫方块电阻。
用于离子注入或导电薄膜的工艺监控，主要关心方块电阻绝对值与均匀性，离子注入方块电阻反映剂量，导电薄膜方块电阻反映厚度，方块电阻是电路设计人员和工艺操作人员的一个接口。电路设计人员可以根据工艺库把实际的电阻值转换成方块电阻，而工艺操作人员可以根据方块电阻确定实际的电阻值。对于薄膜:厚度越大,电阻越小.厚度越小,电阻越大.
什么是方块电阻
蒸发铝膜、导电漆膜、印制电路板铜箔膜等薄膜状导电材料，衡量它们厚度的最好方法就是测试它们的方阻。什么是方阻呢？方阻就是方块电阻，指一个正方形的薄膜导电材料边到边“之”间的电阻，如图一所示，即B边到C边的电阻值。方块电阻有一个特性，即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1米还是0.1米，它们的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚度等因素有关。
