Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения переходного контактного сопротивления омического контакта

Изобретение относится к измерительной технике. Область применения -технология изделий микроэлектроники, в частности контроль контактных сопротивлений омических контактов к полупроводниковым слоям на технологических этапах производства.

Общеизвестен метод длинной линии (TLM - Transmission Line Method) [Shockley], который основан на измерении зависимости общего сопротивления R_T 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_c, а из экстраполяции к оси абсцисс может быть найдено значение характеристической длины втекания тока под омический контакт L_T, тогда значение переходного контактного сопротивления ρ_с определяется как:

К недостаткам метода относится необходимость знания слоевого сопротивления под контактом R_sk, значение которого может отличаться от слоевого сопротивления полупроводниковой пленки R_sh, по причине вплавления металлизации в полупроводник или диффузии из контактной металлизации в полупроводник во время отжига и др. Вычисление корректного значения L_T также требует знания R_sk. Таким образом, принимая R_sk=R_sh, измерения ρ_с может быть произведено с большой погрешностью.

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 I₀ пропускается через электроды 1 и 2, а остаточное напряжение V_E снимается с электродов 2 и 3. R_E и ρ_с определяются по следующим формулам:

где w и d - ширина и длина контактной площадки, соответственно.

Известен метод «extra resistance measurement» (ERM) [Reeves & Harrison_1982], заключающийся в измерении сопротивлений R₁₂, R₂₃ и R₁₃, 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:

где R_c0 - контактное сопротивление двух крайних контактов, и - расстояние между контактными площадками, R_c - контактное сопротивление среднего контакта. ρ_с рассчитывается по формуле (3).

Недостатком методов, основанных на определении R_E, является необходимость изготовления тестов, состоящих из трех площадок, причем средняя площадка должна быть по длине сравнима с L_T, что сильно усложняет изготовление тестов для контактов с низким сопротивлением (10^-6 Ω⋅мм² > ρ_c), так как требуется допыление толстой металлизации для уменьшения ее слоевого сопротивления с целью получения эквипотенциального среднего металлического электрода.

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_sk без определения R_E, а также учитывать слоевое сопротивление металлизации. Недостатком метода является то, что TLM электроды не являются эквипотенциальными, что затрудняет измерение напряжения с них.

Техническим результатом настоящего изобретения является измерение ρ_c с учетом слоевого сопротивления полупроводника под омическим контактом R_sk, 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.

Сущность изобретения заключается в измерении сопротивления R_x протеканию электрического тока через набор нескольких омических контактов, расположенных между двумя крайними, на которые подается разность потенциалов. Сопротивление R_x в зависимости от длины единичного среднего контакта d определяется по следующей формуле:

где R_T(d) - общее сопротивление между двумя крайними контактными площадками с длинами d₀>>L_T, 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.

На фиг. 3 представлен пример экспериментальной зависимости сопротивления тестовой структуры R_x 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.

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_T ток будет втекать в омический контакт, протекать через металлизацию и снова втекать в полупроводник с противоположной стороны площадки и значение R_x(d) будет стремиться к:

где R_sm - 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:

Из зависимости R_x(d) вычисляется значение R_sk. 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:

Значения R_sk и L_T находятся из аппроксимации экспериментальной зависимости R_x от d выражением (16). ρ_с рассчитывается по формуле (1). Для увеличения точности аппроксимации определение R_sh производится стандартным TLM методом, R_sm [Ω/квадрат] измеряется с помощью полоскового теста шириной а и длиной N⋅a, где а - число квадратов.

Реализация способа может быть осуществлена с использованием стандартного метода Кельвина. Далее представлен один из примеров реализации предлагаемого изобретения:

а) Измеряемый образец - омический контакт к эпитаксиальной гетероструктуре Al_0,3Ga_0,7N(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.

б) Тестовая структура формируется посредством изоляции реактивным ионно-лучевым травлением в атмосфере C₃F₈. Формирование рисунка металлизации омического контакта и контактных площадок Ti/Au (40/1000 нм) производится с помощью «lift-off» процесса.

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_sh 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 а и длиной N⋅a, где а - число квадратов.

г) Измерения сопротивления R_x проводятся методом Кельвина с использованием измерителя Agilent В1500 и зондовой станции;

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_x(d) и из аппроксимации вычисляется значение R_sk. Пример аппроксимированной зависимости R_x от d представлен на фиг. 3. Из апроксимации с учетом R_sh = 327 Ω/квадрат и R_sm = 2.4 Ω/квадрат находятся значения R_sk = 300 Ω/квадрат, L_T = 2.25 мкм, R_c = 0.65 Ом⋅мм и ρ_с = 1.52⋅10^-5 Ом⋅см².

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.

Измерять контакты с L_T менее 1 мкм и контактным сопротивлением ниже 10^-6 Ом⋅см², для этого необходимо уменьшать длину полосков до значений менее 1 мкм (например с использованием электронной литографии).