CN106783661B - 基于垂直测试图形的欧姆接触区方块电阻测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于垂直测试图形的欧姆接触区方块电阻测试方法。其实现方案是：1.制备一组横向与纵向垂直交叉的欧姆接触测试图形，横向测试图形中包括第一电极、第五电极、第四电极，纵向测试图形中包括第二电极、第五电极、第三电极；2.分别测试横向、纵向测试图形中第一电极与第四电极之间的电阻值，第二电极与第三电极之间的电阻值；3.将纵向测试图形所得的电阻值乘以系数L/W与横向测试图形所得的电阻值做差，将其差值除以系数1‑L/W，得到测试图形中欧姆接触区的方块电阻，其中L和W分别为横、纵向测试图形第五电极的长度。本发明测试图形简单易制作，测试速度快，结果准确可靠，可用于高电子迁移率异质结晶体管的制作。

Description

基于垂直测试图形的欧姆接触区方块电阻测试方法

技术领域

本发明属于微电子领域，特别涉及一种欧姆区方块电阻的测试方法，可用于对器件的性能及可靠性评估。

背景技术

GaN材料相比以Si为代表的第一代半导体材料以及以GaAs为代表的第二代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、耐高温、抗腐蚀等优势，成为第三代半导体材料的典型代表。特别是与AlGaN等材料形成的异质结构晶体管，在异质结界面处存在高浓度、高电子迁移率的二维电子气，因而具有工作电流大、工作速度快等优点，在高频、高功率领域具有巨大的优势和广泛的应用前景。近年来，相关器件已经成为国际国内的研究热点，部分已经实现商业化应用。

欧姆电极通常做为半导体器件的输入输出端，是器件的重要组成部分。欧姆电极的好坏直接影响半导体器件的频率响应、能量耗散、结温、输出电流、效率、增益等特性，因而成为关注的重点。以氮化镓晶体管为例，通常在欧姆区域淀积Ti/Al/Ni/Au等多层金属，然后采用高温热退火的方法形成欧姆接触。退火的温度和时间会严重影响欧姆接触的好坏。欧姆接触方块电阻是评判欧姆接触好坏的重要指标。因此，选择合适的方法对欧姆接触方块电阻进行准确的表征对于器件的研制及评估至关重要。

目前，氮化镓器件中测量欧姆接触区方块电阻最普遍的方法是矩形传输线模型法和圆形传输线模型法，这两种方法均存在一定的问题：

矩形传输线模型中为了简化计算近似地认为欧姆接触区的方块电阻R_shc与有源区的方块电阻R_sh相等，这会使得测量结果产生一定的误差。

圆形传输线模型求解时由于要计算末端电阻，而末端电阻求解过程中需要对几部分相近的电阻值进行作差计算，也会造成较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于垂直测试图形的欧姆接触区方块电阻测试方法，以提高测量的准确率，进而提高电子迁移率异质结晶体管的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)制备欧姆接触测试图形：

在半导体体材料上先淀积金属电极，再采用高温退火的方法制备出一组相互垂直交叉的横向测试图形和纵向测试图形，每种测试图形包括三个欧姆电极，其中：

横向测试图形中的三个欧姆电极分别为：长度为a的第一电极、长度为L的第五电极、长度为a的第四电极，该第一电极与第五电极之间的距离为L₁₅，第五电极与第四电极之间距离为L₅₄，电极宽度均为W；

纵向测试图形中的三个欧姆电极分别为：长度为a的第二电极、长度为W的第五电极、长度为a的第三电极，该第二电极与第五电极之间的距离为L₂₅，第五电极与第三电极之间距离为L₅₃，电极宽度均为L，且W≠L，L₂₅＝L₁₅，L₅₄＝L₅₃

(2)方块电阻的测量：

(2a)在横向测试图形的第一电极与第四电极之间施加偏置电压，并在回路中串联电流表，读取电流表的值，利用I-V关系计算得到第一电极与第四电极之间的电阻值R_L1：

R_L1＝V₁/I₁；

其中R_L1为横向测试图形中第一电极与第四电极之间的电阻值，V₁为横向测试图形中第一电极与第四电极上所加的电压，I₁为横向测试图形中由第一电极、第五电极、第四电极及有源区所构成的回路中的电流值；

(2b)在纵向测试图形的第二电极与第三电极之间施加偏置电压，并在回路中串联电流表，读取电流表的值，利用I-V关系计算得到第二电极与第三电极之间的电阻值R_L2：

R_L2＝V₂/I₂；

其中R_L2为纵向测试图形中第二电极与第三电极之间的电阻值，V₂为纵向测试图形中第二电极与第三电极上所加的电压，I₂为纵向测试图形中由第二电极、第五电极、第三电极及有源区所构成的回路中的电流值；

(2c)根据(2a)和(2b)中所测得的两个电阻值R_L1和R_L2，构建每种测试图形欧姆接触区的方块电阻计算公式：R_shc＝(R_L2L/W-R_L1)/(1-L/W)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)测试图形制作方法简便

本发明仅需要一组垂直交叉的测试图形，测试图形简单，测试方法快速方便。

2)方块电阻测试方法简单

本发明仅需对两种测试图形进行电学测量，利用所测得的电阻值通过简单的数学计算，即可获得欧姆接触区的方块电阻值。

3)可实现对欧姆接触区方块电阻的准确表征

传统传输线模型在测量欧姆接触区方块电阻时，认为欧姆接触区方块电阻R_shc与有源区方块电阻R_sh近似相等，即通过R_sh获得R_shc的值，因此测量值出现了很大的误差。本发明通过解方程的方法消去含R_sh的项，因而求解R_shc的过程中不涉及R_sh，可直接求解出R_shc的值，提高了测量的精度，可靠性高，对提高氮化镓器件的性能及可靠性有很大作用。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2是现有的欧姆接触测试图形剖面结构示意图；

图3是本发明的测试图形的顶视结构示意图；

图4是现有的矩形传输线模型原理图；

图5是本发明中横向测试电阻值的电路原理图；

图6是本发明中纵向测试电阻值的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照图1，本发明进行欧姆接触区方块电阻测试的步骤如下：

步骤1，制作欧姆区方块电阻测试图形。

参照图2，本步骤根据现有的测试图形的剖面结构制备欧姆接触区方块电阻的测试图形，其步骤如下：

1a)设置测试图形的结构：其自下而上依次为衬底层，氮化镓缓冲层和铝镓氮势垒层；

1b)在铝镓氮势垒层体材料上先淀积金属电极；

1c)采用高温退火的方法制备出一组相互垂直交叉的横向测试图形和纵向测试图形，每种测试图形包括三个欧姆电极，其中：

横向测试图形中的三个欧姆电极分别为：长度为a的第一电极、长度为L的第五电极、长度为a的第四电极，该第一电极与第五电极之间的距离为L₁₅，第五电极与第四电极之间距离为L₅₄，电极宽度均为W，

纵向测试图形中的三个欧姆电极分别为：长度为a的第二电极、长度为W的第五电极、长度为a的第三电极，该第二电极与第五电极之间的距离为L₂₅，第五电极与第三电极之间距离为L₅₃，电极宽度均为L，且W≠L，L₂₅＝L₁₅，L₅₄＝L₅₃，a＞0，L＞0，W＞0。

步骤2，测试横向测试图形的第一电极与第四电极之间的电阻值。

参照图5的电阻测试原理图，在横向测试图形的第一电极与第四电极之间施加偏置电压，并在回路中串联电流表，读取电流表的值，利用I-V关系计算得到第一电极与第四电极之间的电阻值R_L1：

R_L1＝V₁/I₁；

其中R_L1为横向测试图形第一电极与第四电极之间的电阻值，V₁为横向测试图形中第一电极与第四电极上所加的电压，I₁为横向测试图形中由第一电极、第五电极、第四电极及有源区所构成的回路中的电流值。

步骤3，测试纵向测试图形的第二电极与第三电极之间的电阻值。

参照图6的电阻测试原理图，在纵向测试图形的第二电极与第三电极之间施加偏置电压，并在回路中串联电流表，读取电流表的值，利用I-V关系计算得到第二电极与第三电极之间的电阻值R_L2：

R_L2＝V₂/I₂；

其中R_L2为纵向测试图形第二电极与第三电极之间的电阻值，V₂为纵向测试图形中第二电极与第三电极上所加的电压，I₂为纵向测试图形中由第二电极、第五电极、第三电极及有源区所构成的回路中的电流值。

步骤4，计算测试图形中欧姆接触区的方块电阻值。

4a)根据图3，将横向测试图形中第一电极和第四电极之间的电阻值表示为：

R_L1＝R_A1+R_A15+R_A5+R_A54+R_A4，

其中，R_A1为横向测试图形中第一电极的电阻值，R_A15为横向测试图形中第一电极与第五电极之间有源区的电阻值，R_A5为横向测试图形中第五电极下方的电阻值，R_A54为横向测试图形中第五电极与第四电极之间有源区的电阻值，R_A4为横向测试图形中第四电极的电阻值；

4b)根据图3，将纵向测试图形中第二电极和第三电极之间的电阻值表示为：

R_L2＝R_B2+R_B25+R_B5+R_B53+R_B3，

其中，R_B2为纵向测试图形中第二电极的电阻值，R_B25为纵向测试图形中第二电极与第五电极之间有源区的电阻值，R_B5为纵向测试图形中第五电极下方的电阻值，R_B53为纵向测试图形中第五电极与第三电极之间有源区的电阻值，R_B3为纵向测试图形中第三电极的电阻值；

4c)计算横纵两种测试图形中各部分电阻值：

4c1)根据现有的矩形传输线模型的电阻值计算公式，计算横向测试图形各部分电阻：

如图4所示，现有的传输线模型的原理图，包含三个欧姆电极和两个有源区，三个电极长度均为d，宽度均为W_C，电极之间距离分别为L₁，L₂。分别测量电极a与电极b、电极b与电极c之间的电阻值，当d远大于L_T时，电极a、电极b、电极c的电阻值均可以表示为：R＝R_shcL_T/W_C，电极a与电极b之间有源区部分电阻值为R₁＝R_shL₁/W_C，电极b与电极c之间有源区部分电阻值为R₂＝R_shL₂/W_C，其中L_T ²＝ρ/R_shc，L_T为传输线长度，R_shc为欧姆接触方块电阻，ρ为欧姆接触的电阻率，

通过以上传输线模型，计算出横向测试图形各部分电阻为：

R_A1＝R_shcL_T/W，

R_A15＝R_shL₁₅/W，

R_A5＝R_shcL/W，

R_A54＝R_shL₅₄/W，

R_A4＝R_shcL_T/W；

4c2)根据现有的矩形传输线模型的电阻值计算公式，计算纵向测试图形各部分电阻为：

R_B2＝R_shcL_T/L，

R_B25＝R_shL₂₅/L，

R_B5＝R_shcW/L，

R_B53＝R_shL₅₃/L，

R_B3＝R_shcL_T/L，

其中R_sh为有源区方块电阻，R_shc为欧姆接触区方块电阻，L_T为传输线长度。

4d)将步骤4c1)中的R_A1，R_A15，R_A5，R_A54，R_A4代入步骤4a)中的电阻表达式，得到横向测试图形中第一电极与第四电极之间的电阻值表达式R_L1：

R_L1＝R_shcL_T/W+R_shL₁₅/W+R_shcL/W+R_shL₅₄/W+R_shcL_T/W，

4e)将步骤4c2)中的R_B2，R_B25，R_B5，R_B53，R_B3代入步骤4b)中的电阻表达式，得到纵向测试图形中第二电极与第三电极之间的电阻值表达式R_L2：

R_L2＝R_shcL_T/L+R_shL₂₅/L+R_shcW/L+R_shL₅₃/L+R_shcL_T/L，

4f)根据步骤1c)中的L₂₅＝L₁₅，L₅₄＝L₅₃,在步骤4e)中的R_L12两边同乘以系数L/W后，再与步骤4d)中的R_L1作差得到方程：

R_L2L/W-R_L1＝R_shc-R_shcL/W，

4g)由步骤4f)的方程，导出计算欧姆接触测试图形中的欧姆接触区方块电阻：

R_shc＝(R_L2L/W-R_L1)/(1-L/W)，

4h)将步骤2a)中的R_L1的测量值和步骤2b)中的R_L2的测量值代入步骤4g)中的计算公式中得到R_shc的值为：

R_shc＝((V₂L)/(I₂W)-V₁/I₁)/(1-L/W)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明的内容和原理后，在本发明的精神和原则之内可进行修改、等同替换和改进等，例如，本发明所采用的测试图形基于GaN材料也可以采用GaAs等不同的半导体材料来制作本发明中的欧姆接触方块电阻测试图形。所作的修改、等同替换和改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于垂直测试图形的欧姆接触区方块电阻测试方法，包括如下步骤：

(1)制备欧姆接触测试图形：

在半导体体材料上先淀积金属电极，再采用高温退火的方法制备出一组相互垂直交叉的横向测试图形和纵向测试图形，每种测试图形包括三个欧姆电极，其中：

横向测试图形中的三个欧姆电极分别为：长度为a的第一电极、长度为L的第五电极、长度为a的第四电极，该第一电极与第五电极之间的距离为L₁₅，第五电极与第四电极之间距离为L₅₄，电极宽度均为W；

纵向测试图形中的三个欧姆电极分别为：长度为a的第二电极、长度为W的第五电极、长度为a的第三电极，该第二电极与第五电极之间的距离为L₂₅，第五电极与第三电极之间距离为L₅₃，电极宽度均为L，且W≠L，L₂₅＝L₁₅，L₅₄＝L₅₃；

(2)方块电阻的测量：

(2a)在横向测试图形的第一电极与第四电极之间施加偏置电压，并在回路中串联电流表，读取电流表的值，利用I-V关系计算得到第一电极与第四电极之间的电阻值R_L1：

R_L1＝V₁/I₁；

其中R_L1为横向测试图形中第一电极与第四电极之间的电阻值，V₁为横向测试图形中第一电极与第四电极上所加的电压，I₁为横向测试图形中由第一电极、第五电极、第四电极及有源区所构成的回路中的电流值；

(2b)在纵向测试图形的第二电极与第三电极之间施加偏置电压，并在回路中串联电流表，读取电流表的值，利用I-V关系计算得到第二电极与第三电极之间的电阻值R_L2：

R_L2＝V₂/I₂；

其中R_L2为纵向测试图形中第二电极与第三电极之间的电阻值，V₂为纵向测试图形中第二电极与第三电极上所加的电压，I₂为纵向测试图形中由第二电极、第五电极、第三电极及有源区所构成的回路中的电流值；

(2c)根据(2a)和(2b)中所测得的两个电阻值R_L1和R_L2，构建每种测试图形欧姆接触区的方块电阻计算公式：R_shc＝(R_L2L/W-R_L1)/(1-L/W)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2c)中构建每种测试图形欧姆接触区的方块电阻计算公式，按如下步骤进行：

(2c1)将横向测试图形中第一电极和第四电极之间的电阻值表示为：

R_L1＝R_A1+R_A15+R_A5+R_A54+R_A4，

其中，R_A1为横向测试图形中第一电极的电阻值，R_A15为横向测试图形中第一电极与第五电极之间有源区的电阻值，R_A5为横向测试图形中第五电极的电阻值，R_A54为横向测试图形中第五电极与第四电极之间有源区的电阻值，R_A4为横向测试图形中第四电极的电阻值；

(2c2)将纵向测试图形中第二电极和第三电极之间的电阻值表示为：

R_L2＝R_B2+R_B25+R_B5+R_B53+R_B3，

其中，R_B2为纵向测试图形中第二电极的电阻值，R_B25为纵向测试图形中第二电极与第五电极之间有源区电阻值，R_B5为纵向测试图形中第五电极的电阻值，R_B53为纵向测试图形中第五电极与第三电极之间有源区电阻值，R_B3为纵向测试图形中第三电极的电阻值；

(2c3)设第一电极、第二电极、第三电极、第四电极的长度均为a、传输线长度均为L_T，且a远大于L_T，根据现有的矩形传输线模型的电阻值计算公式，得到各部分的电阻值为：

在横向测试图形中：

R_A1＝R_shcL_T/W，R_A15＝R_shL₁₅/W，R_A5＝R_shcL/W，R_A54＝R_shL₅₄/W，R_A4＝R_shcL_T/W；

在纵向测试图形中

R_B2＝R_shcL_T/L，R_B25＝R_shL₂₅/L，R_B5＝R_shcW/L，R_B53＝R_shL₅₃/L，R_B3＝R_shcL_T/L；其中R_sh为有源区方块电阻，R_shc为欧姆接触区方块电阻，L_T为传输线长度；

(2c4)将步骤(2c3)中的R_A1，R_A15，R_A5，R_A54，R_A4代入步骤(2c1)中的电阻表达式，得到横向测试图形中第一电极与第四电极之间的电阻值表达式R_L1：

R_L1＝R_shcL_T/W+R_shL₁₅/W+R_shcL/W+R_shL₅₄/W+R_shcL_T/W，

(2c5)将步骤(2c3)中的R_B2，R_B25，R_B5，R_B53，R_B3代入步骤(2c2)中的电阻表达式，得到纵向测试图形中第二电极与第三电极之间的电阻值表达式R_L2：

R_L2＝R_shcL_T/L+R_shL₂₅/L+R_shcW/L+R_shL₅₃/L+R_shcL_T/L，

(2c6)根据步骤(1)中L₁₅＝L₂₅，L₅₄＝L₅₃的关系，在步骤(2c5)中的R_L2两边同乘以系数L/W后，再与步骤(2c4)中的R_L1作差，得到方程：

R_L2L/W-R_L1＝R_shc-R_shcL/W；

(2c7)由步骤(2c6)的方程，导出计算欧姆接触测试图形中的欧姆接触区方块电阻的公式为：

R_shc＝(R_L2L/W-R_L1)/(1-L/W)。