CN201859879U - 一种测量半导体器件欧姆接触退化芯片 - Google Patents

Abstract

一种测量半导体器件欧姆接触退化芯片属于半导体技术，特别是半导体器件失效评估领域。本实用新型提供了一种专门测量欧姆接触退化的芯片，其特征在于：在至少有6个圆环电极的CTLM欧姆接触测试芯片的圆环形欧姆接触表面淀积有SiO₂绝缘介质层，在CTLM欧姆接触测试芯片的另一面有利用金属镀膜工艺制备的背电极，然后在每个圆环电极上固接出一个外引电极；每个圆环电极和外引电极的固接点都在一条直线上。本实用新型测量芯片不但可以测量半导体芯片欧姆接触电阻率随施加电流的变化关系以及随施加电流时间的关系，同时测量芯片可以满足大电流冲击要求。因此，使用本实用新型芯片能更为准确有效的评估欧姆接触。

Description

一种测量半导体器件欧姆接触退化芯片

技术领域

本实用新型属于半导体技术，特别是半导体器件失效评估领域。

背景技术

半导体技术中的欧姆接触是指半导体器件上，金属引线和半导体接触的区域。任何半导体器件都需要有良好的欧姆接触特性，即要求半导体与金属有非常好的线性接触，附加电阻小，长期使用稳定性好。欧姆接触经大电流和长期使用后会产生退化，即电阻变大、线性改变和稳定性变差。

为了使芯片能在大电流密度下仍具有良好的欧姆接触性能，需要准确测量大电流下芯片欧姆接触电阻的退化。欧姆接触电阻的测量通常采用传输线法(TLM，Transmission Line Method)。由于工艺制备简单，圆环形传输线方法CTLM(Circ1e Transmission Line Method)是欧姆接触电阻测量中常使用的方法，见附图1。在待测的半导体晶片衬底1上，生长一层与待测半导体材料参数相同的外延层2，在2上使用特定欧姆接触工艺，制备出圆环形状电极3，电极3包括多个环形电极(A、B、C....)，圆环大小满足一定的关系：每个圆环的宽度相同，环间距也相同，并且用r_A1、r_A2表示圆环A的内半径和外半径，以此方式来表示其它圆环的内半径和外半径，确定圆环A的内半径和宽度，就可以根据上述关系确定所有圆环的内外半径和宽度，见附图2。测量时每3个相邻圆环为一组，以圆环A、B、C一组为例。先测量两个相邻圆环A、B之间的电阻R_tot-AB。R_tot-AB与其参数之间的关系为：

$R_{\mathrm{tot}-\mathrm{AB}}=\frac{R_s}{2\mathrm{\π}}(\frac{f(\mathrm{\α},r_{A1},r_{A2})}{{\mathrm{\αr}}_{A2}}-\frac{f(\mathrm{\α},r_{B2},r_{B1})}{{\mathrm{\αr}}_{B1}}+\ln \left(\frac{r_{B1}}{r_{A2}}\right))---\left(1\right)$

式中，R_s表示接触半导体材料的薄层电阻，α表示电子传输的衰减常数，在关系式(1)中R_s和α是两个待求量，r_A1、r_A2、r_B1、r_B2分别表示圆环A和B的内环和外环半径，f(α，r_A1，r_A2)是贝塞尔函数组合：

$f(\mathrm{\α},r_{A1},r_{A2})=\frac{I_1\left({\mathrm{\αr}}_{A1}\right)K_0\left({\mathrm{\αr}}_{A2}\right)+I_0\left({\mathrm{\αr}}_{A2}\right)K_1\left({\mathrm{\αr}}_{A1}\right)}{I_1\left({\mathrm{\αr}}_{A2}\right)K_1\left({\mathrm{\αr}}_{A1}\right)-I_1\left({\mathrm{\αr}}_{A1}\right)K_1\left({\mathrm{\αr}}_{A2}\right)}$

其中，I_i和K_i为一类和二类贝塞尔函数，i为阶次。

同样方法，再测量相邻B和C圆环之间的电阻R_tot-BC，与方程(1)联立，便可求出一组R_s和α值，然后由

求出接触电阻率ρ_s。由于每相邻3个圆环既可得出一个ρ_c值，通过多圆环可以得到多个ρ_c值，最后求平均值得到更为精确的ρ_c值。

该方法可以准确测量半导体欧姆接触电阻率。但是，当需要检测欧姆接触电阻率在高电流密度(×10^3-5A/cm²)的使用环境下，欧姆接触电阻率退化或失效时，该结构无法直接施加考核电流。若在电极之间直接施加电流，欧姆接触电阻退化同时，也会对两接触圆环之间的半导体材料造成损失，致使测量出的欧姆接触退化中，也包含了半导体材料的退化，不能真正反映欧姆接触的退化。即，现有技术的欧姆接触测量芯片结构，只能测量欧姆接触电阻率的退化，不能考核欧姆接触电阻随工作电流的退化。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种专门测量欧姆接触退化的芯片和测量方法，能够有效、准确地评估大电流冲击下，欧姆接触退化程度。

本实用新型提供了一种专门测量欧姆接触退化的芯片，其特征在于：在至少有6个圆环电极的CTLM欧姆接触测试芯片的圆环形欧姆接触表面淀积有SiO₂绝缘介质层，在CTLM欧姆接触测试芯片的另一面有利用金属镀膜工艺制备的背电极，然后在每个圆环电极上固接出一个外引电极；每个圆环电极和外引电极的固接点都在一条直线上。

主要发明点有：

a)提出测量欧姆接触退化的专用芯片，是在现有采用多电极(本例中为6个)CTLM欧姆接触测试芯片的另一面利用金属镀膜工艺制备背电极4，见附图3。考核电流分别施加在电极A、B、C、D、E、F与背电极4之间，确保电流只对欧姆接触部分产生冲击作用，不会对电极A、B、C、D、E、F之间的半导体材料造成损失；

b)为了提高测量的稳定性和准确性，先在制备好的CTLM芯片环形欧姆接触表面利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)淀积SiO₂绝缘介质层，然后利用光刻工艺在圆环A、B、C、D、E、F上分别刻蚀出外引线固接点，这些固接点排列在一条直线上，再利用光刻和金属镀膜工艺固接出六个外引电极A’、B’、C’、D’、E’、F’，分别连接圆环A、B、C、D、E、F，如附图3所示，这样测试电流可以直接加在外引电极上，同时测试电压的接触点也可以选择在外引电极上，减少了原有芯片测试时的偏差，原有测试方法是每次测量时把测试探针直接扎在圆环电极上，由于每次探针扎上去的位置都存在偏差造成测试结果也有偏差。

测量方法包含以下步骤：

a)在CTLM芯片电极A’、B’、C’、D’、E’、F’与背电极4之间分别施加相同电压，由于材料的厚度相同，它们之间产生的电流密度相同。施加考核电流一段时间，考核电流的大小和施加时间根据要造成的欧姆退化的程度调整，然后断开电极A’、B’、C’、D’、E’、F’与背电极4之间的电压；

b)在外引电极A’、B’上施加1.5mA的电流并测量A’、B’之间的电压U，即可得到A’、B’之间的电阻R_tot-AB，以此方法可以得到R_tot-BC、R_tot-CD、R_tot-DE、R_tot-EF，然后分别把R_tot-AB和R_tot-BC代入关系式(1)，得到两个未知数是R_s和α的方程式，把这两个方程式联立，求出R_s和α值，然后由

求出接触电阻率ρ_c1，同样方式把R_tot-BC和R_tot-CD代入关系式(1)得到ρ_c2，把R_tot-CD和R_tot-DE代入关系式(1)得到ρ_c3，R_tot-DE和R_tot-EF代入关系式(1)得到ρ_c4，最后求平均值

使用本实用新型测量芯片，考核电流施加在电极A’、B’、C’、D’、E’、F’和背电极4之间，测量欧姆接触电阻率则是在电极A’、B’、C’、D’、E’、F’之间，施加电流和测量欧姆接触分离，考核电流不会对电极A、B、C、D、E、F之间的半导体材料造成损伤，即欧姆接触的退化完全是由考核电流冲击引起的。

本实用新型测量芯片不但可以测量半导体芯片欧姻接触电阻率随施加电流的变化关系以及随施加电流时间的关系，同时测量芯片可以满足大电流冲击要求。因此，使用本实用新型芯片能更为准确有效的评估欧姆接触。

附图说明

图1是圆环形传输线法所使用的芯片示意图；图中1衬底2半导体材料平台3(A、B、C、D、E、F)圆环形电极4背电极A’、B’、C’、D’、E’、F’外引电极  5固接点。

图2是圆环传形输线法所使用的芯片俯视图；

图3是本实用新型所使用的芯片示意图。

具体实施方式

见图3，实现本实用新型目的所使用的测量半导体器件欧姆接触退化失效的芯片，包括在半导体晶片衬底1上制备半导体外延材料2，半导体晶片衬底厚度为50μm。使用特定的欧姆接触工艺，制备与半导体外延材料2表面固接的环形电极3，电极3包括6个环形电极(A、B、C、D、E、F)，在衬底1背面制备背电极4。在制备的芯片表面淀积一层绝缘介质膜，通过光刻技术在环形电极(A、B、C、D、E、F)刻出外接电极窗口，这些窗口排列在一直线上。并外接面积较大的接触电极A’、B’、C’、D’、E’、F’。一般制备欧姆接触半导体外延材料2厚度为0.5～1.0μm。本实施例中，构衬底1的半导体材料为本征GaAs，外延材料2为p型GaAs，掺杂1.2×10¹⁸/cm^-3，厚度为0.5μm，工艺参数：欧姆接触金属为Ti/Pt/Au(厚度为50nm/50nm/200nm)，合金温度为400摄氏度，时间：60秒)。

要保证芯片能实现大电流密度冲击，又不至于芯片被烧坏。本芯片的圆形电极尺寸如下：每个圆环的宽度为15μm，环间距为5μm，其中A圆环内半径为r_A1＝15μm，最外层圆环电极F的外半径r_F2＝130μm。

为了取得对比效果，首先给出一个圆环形传输线法测量欧姆接触电阻率实例，其芯片也包含6个电极，尺寸如上所示，测量相邻圆环电极之间的电阻R_tot时，测量点也都在一条直线上。

圆环形传输线法使用的测量方法包括以下步骤：

首先，在环境温度T₀下(T0＝300K)，测量相邻两个圆环之间的电阻R_tot-AB、R_tot-BC、R_tot-CD、R_tot-DE、R_tot-EF，具体数值见表1。

表1测的相邻两个圆环之间的总电阻值

	Rtot-AB	Rtot-BC	Rtot-CD	Rtot-DE	Rtot-EF
						阻值Ω	2740	2791	2843	2893	2942

把表1中任意两个数值代入关系式(1)中，任意取其中两个关系式联立，确定一组R_s和α值，利用公式

求出接触电阻率ρ_c，以此方法可计算得到多个ρ_c值，最后求平均值，得到ρ_c为3.52×10^-5Ω·cm²。

使用本实用新型实例的芯片进行测量时，测量样品的环境温度T₀＝300K，在背电极4和电极A’、B’、C’、D’、E’、F’之间分别施加一定的考核电流10小时。所施加的电流在电极A、B、C、D、E、F上产生的电流密度值为1×10³A/cm²。然后，测量相邻两个圆环电极之间的电阻，具体数值见表2。

表2本实用新型测得的相邻两个圆环之间的总电阻值

把表2中任意两个数值代入公式(1)中确定R_s和α值，利用公式

求出接触电阻率ρ_c，计算得到多个ρ_c值，最后求平均值，得到ρ_c为1.24×10-4Ω·cm2。表明经过10个小时的电流冲击，接触电阻率发生了退化(增大)。

由以上的测量结果可看出，由于考核电流加在电极A、B、C、D、E、F与背电极4之间，考核电流不会对电极A、B、C、D、E、F之间的半导体材料造成损伤，在后续测量欧姆接触电阻率时，所测得的电极之间的总电阻相对圆环形传输线法要高，证明半导体材料的损失极小，电极之间电阻的改变，完全是由于欧姆接触变化起的，因此，利用本实用新型芯片可以直接施加考核电流，可考核欧姆接触电阻随工作电流的退化，对欧姆失效的评估更为准确有效。

Claims (1)

1.一种测量半导体器件欧姆接触退化芯片，其特征在于：在至少有6个圆环电极的CTLM欧姆接触测试芯片的圆环形欧姆接触表面淀积有SiO₂绝缘介质层，在CTLM欧姆接触测试芯片的另一面有利用金属镀膜工艺制备的背电极，然后在每个圆环电极上固接出一个外引电极；每个圆环电极和外引电极的固接点都在一条直线上。

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