Способ измерения переходного контактного сопротивления омического контакта
METHOD OF MEASURING TRANSIENT CONTACT RESISTANCE OF OHMIC CONTACT

Изобретение относится к измерительной технике. Область применения -технология изделий микроэлектроники, в частности контроль контактных сопротивлений омических контактов к полупроводниковым слоям на технологических этапах производства.
T
c
T
с
Общеизвестен метод длинной линии (TLM - Transmission Line Method) [Shockley], который основан на измерении зависимости общего сопротивления R двух одинаковых омических контактов от расстояния между ними , получаемая зависимость строится в координатах  и из ее пересечения с осью ординат извлекается значение контактного сопротивления R, а из экстраполяции к оси абсцисс может быть найдено значение характеристической длины втекания тока под омический контакт L, тогда значение переходного контактного сопротивления ρ определяется как:
sk
sh
T
sk
sk
sh
с
К недостаткам метода относится необходимость знания слоевого сопротивления под контактом R, значение которого может отличаться от слоевого сопротивления полупроводниковой пленки R, по причине вплавления металлизации в полупроводник или диффузии из контактной металлизации в полупроводник во время отжига и др. Вычисление корректного значения L также требует знания R. Таким образом, принимая R=R, измерения ρ может быть произведено с большой погрешностью.
0
E
E
с
Известен метод ((separate current and voltage measurement)) для определения R& [Reeves & Harrison_1982]. Тестовый элемент состоит из 3х площадок омических контактов. Для измерения остаточного сопротивления ток I пропускается через электроды 1 и 2, а остаточное напряжение V снимается с электродов 2 и 3. R и ρ определяются по следующим формулам:
где w и d - ширина и длина контактной площадки, соответственно.
12
23
13
Известен метод «extra resistance measurement» (ERM) [Reeves & Harrison_1982], заключающийся в измерении сопротивлений R, R и R, где индексами 1 и 3 обозначены две крайние площадки, а индексом 2 площадка, находящаяся посередине, для тестового элемента, содержащего три прямоугольные контактные площадки так, что одна находится между двумя другими. Re рассчитывается по следующим формулам:
c0
c
с
где R - контактное сопротивление двух крайних контактов,  и  - расстояние между контактными площадками, R - контактное сопротивление среднего контакта. ρ рассчитывается по формуле (3).
E
T
c
-6
2
Недостатком методов, основанных на определении R, является необходимость изготовления тестов, состоящих из трех площадок, причем средняя площадка должна быть по длине сравнима с L, что сильно усложняет изготовление тестов для контактов с низким сопротивлением (10 Ω⋅мм > ρ), так как требуется допыление толстой металлизации для уменьшения ее слоевого сопротивления с целью получения эквипотенциального среднего металлического электрода.
sk
E
Наиболее близким к заявленному изобретению является метод [Floyd_1994], лишенный вышеописанных недостатков, в котором предложено использовать сстандартную структуру TLM к которой добавлены две дополнительные крайние площадки, а к площадкам TLM добавлены дополнительные выводы вне области мезы. Через две крайние площадки пропускается ток, напряжение снимается с внутренних площадок, также как в методе TLM. Принцип состоит в том, что при определенной длине ток протекает не только через полупроводник, но и частично через металлизацию. Данный способ позволяет измерять R без определения R, а также учитывать слоевое сопротивление металлизации. Недостатком метода является то, что TLM электроды не являются эквипотенциальными, что затрудняет измерение напряжения с них.
c
sk
Техническим результатом настоящего изобретения является измерение ρ с учетом слоевого сопротивления полупроводника под омическим контактом R, а также упрощенная технология изготовления тестовых структур, не требующая допыления толстой металлизации на короткие электроды, а также создания контактных площадок для измерения потенциала на них.
x
x
Сущность изобретения заключается в измерении сопротивления R протеканию электрического тока через набор нескольких омических контактов, расположенных между двумя крайними, на которые подается разность потенциалов. Сопротивление R в зависимости от длины единичного среднего контакта d определяется по следующей формуле:
T
0
T
где R(d) - общее сопротивление между двумя крайними контактными площадками с длинами d>>L,  и  - расстояния между соответствующими контактными площадками.
Изобретение поясняется приведенными ниже чертежами:
На фиг. 1 показана принципиальная конструкция тестового элемента, где к активной области сформированы контактные площадки между которыми сформирован набор контактных площадок омических контактов.
На фиг. 2 представлена электрическая схема, описывающая метод.
x
На фиг. 3 представлен пример экспериментальной зависимости сопротивления тестовой структуры R от длины контактвых площадок d и ее аппроксимации теоретическим выражением.
Способ измерения состоит в следующем. На крайние площадки подается электрический ток и с них же происходит измерение напряжения, сопротивление Rx находится как отношение измеренного напряжения к пропускаемому току.
T
x
Принцип основан на том, что существуют два пути протекания тока через область контактных площадок, расположенных посередине, - через полупроводник и через слоевое сопротивление металла. В случае, когда d>>L ток будет втекать в омический контакт, протекать через металлизацию и снова втекать в полупроводник с противоположной стороны площадки и значение R(d) будет стремиться к:
sm
где R - слоевое сопротивление металлизации омического контакта, которое измеряется на отдельной тестовой структуре в виде полоска. Для другого крайнего случая, когда d<<LT, большая часть тока будет протекать через полупроводник:
x
sk
Из зависимости R(d) вычисляется значение R. Для этого численно решается система дифференциальных уравнений Кирхгофа (11) и (12), описывающих эквивалентную схему, представленную на фиг. 2:
При этом задаются следующие граничные условия:
Падение напряжения в контакте прямоугольной формы описывается уравнением:
Следовательно, зависимость Rx(d) представляется как:
sk
T
x
с
sh
sm
а
a
а
Значения R и L находятся из аппроксимации экспериментальной зависимости R от d выражением (16). ρ рассчитывается по формуле (1). Для увеличения точности аппроксимации определение R производится стандартным TLM методом, R [Ω/квадрат] измеряется с помощью полоскового теста шириной  и длиной N⋅, где  - число квадратов.
Реализация способа может быть осуществлена с использованием стандартного метода Кельвина. Далее представлен один из примеров реализации предлагаемого изобретения:
0,3
0,7
а) Измеряемый образец - омический контакт к эпитаксиальной гетероструктуре AlGaN(26 HM)/GaN, выращенной МОС-гидридной эпитаксией на подложке сапфира. Контакт изготавливается посредством напыления системы металлизации Ti/Al/Mo/Au (15/60/55/50 нм) и последующего отжига 850°С в течение 30 с. Перед напылением контактной металлизации поверхность полупроводника обрабатывается в водном растворе HCl в соотношении 1:1 в течение 1 мин.
3
8
б) Тестовая структура формируется посредством изоляции реактивным ионно-лучевым травлением в атмосфере CF. Формирование рисунка металлизации омического контакта и контактных площадок Ti/Au (40/1000 нм) производится с помощью «lift-off» процесса.
sh
а
a
а
в) Тестовая структура включает тесты, содержащие две крайние контактные площадки длиной 100 мкм с допыленной толстой металлизацией, между которыми находятся контактные площадки (полоски) длиной от 1.5 до 200 мкм (от 3 до 6 площадок в зависимости от длины). Для измерения слоевого сопротивления полупроводника R используются TLM-структура, состоящая из восьми квадратных контактных площадок размером 100×100 мкм, расположенных друг от друга на расстояниях 5, 10, 15, 20, 25, 30 и 35 мкм. Определение слоевого сопротивления металлизации проводится с помощью полоскового теста шириной  и длиной N⋅, где  - число квадратов.
x
г) Измерения сопротивления R проводятся методом Кельвина с использованием измерителя Agilent В1500 и зондовой станции;
x
sk
x
sh
sm
sk
T
c
с
-5
2
д) Обработка результатов измерений проводится в среде Maple, в которой решется система дифференциальных уравнений (11) и (12), затем используя выражения (15) и (16) проводится аппроксимация зависимости R(d) и из аппроксимации вычисляется значение R. Пример аппроксимированной зависимости R от d представлен на фиг. 3. Из апроксимации с учетом R = 327 Ω/квадрат и R = 2.4 Ω/квадрат находятся значения R = 300 Ω/квадрат, L = 2.25 мкм, R = 0.65 Ом⋅мм и ρ = 1.52⋅10 Ом⋅см.
Метод позволяет:
Измерять контактное сопротивления с учетом изменения слоевого сопротивления полупроводника под контактом.
Отказаться от измерений потенциала на коротких площадках, находящихся между крайними контактными площадками, что позволяет не производить допыление толстой металлизации на них.
T
-6
2
Измерять контакты с L менее 1 мкм и контактным сопротивлением ниже 10 Ом⋅см, для этого необходимо уменьшать длину полосков до значений менее 1 мкм (например с использованием электронной литографии).