GB/T 14141-2009 硅外延层、扩散层和离子注入层薄层电阻的测定 直排四探针法

　　ICS 29 . 045 H 80

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 14141—2009代替 GB/T 14141—1993

　　硅外延层 、扩散层和离子注入层薄层电阻的测定 直排四探针法

　　Testmethod forsheetresistanceofsilicon epitaxial，

　　diffusedandion-implanted layersusing a collinear four-probearray

　　2009-10-30 发布 2010-06-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 14141—2009

　　前 言

　　本标准代 替 GB/T 14141—1993《硅 外 延 层 、扩 散 层 和 离 子 注 入 层 薄 层 电 阻 的 测 定 直 排 四 探针法》。

　　本标准与 GB/T 14141—1993 相比，主要有如下改动：

　　— 修改了被测薄层电阻的最小直径(由 10 . 0 mm 改为 15 . 9 mm) 、薄层电阻阻值的测量范围及精度;

　　— 增加了规范性引用文件;

　　— 增加了引入与试样几何形状有关的修正因子计算薄层电阻;

　　— 增加了干扰因素;

　　— 删除了三氯乙烯试剂;

　　— 修改了薄层电阻范围，增加了 “直流输入阻抗不小于 10 9 Ω”;

　　— 删除了三氯乙烯漂洗;

　　— 修改仲裁测量探针间距，由 1 mm 改为 1 . 59 mm ;

　　— 增加了修正因子和温度修正系数表格 。

　　本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会(SAC/TC 203)提出 。

　　本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会归 口 。

　　本标准起草单位：宁波立立电子股份有限公司 、南京国盛电子有限公司 、信息产业部专用材料质量监督检验中心 。

　　本标准主要起草人：李慎重 、许峰 、刘培东 、谌攀 、马林宝 、何秀坤 。

　　本标准所代替标准的历次版本发布情况为：

　　—GB/T 14141—1993 。

　　Ⅰ

　　GB/T 14141—2009

　　硅外延层 、扩散层和离子注入层薄层电阻的测定 直排四探针法

　　1 范围

　　本标准规定了用直排四探针测量硅外延层 、扩散层和离子注入层薄层电阻的方法 。

　　本标准适用于测量直径大于 15 . 9 mm 的由外延 、扩散 、离子注入到硅片表面上或表面下形成的薄层的平均薄层电阻 。硅片基体导电类型与被测薄层相反 。适用于测量厚度不小于 0 . 2 μm 的薄层，方块电阻的测量范围为 10 Ω~ 5 000 Ω。该方法也可适用于更高或更低阻值方块电阻的测量，但其测量精确度尚未评估 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款 。凡是注 日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本 。凡是不注 日期的引用文件，其最新版本适用于本标准 。

　　GB/T 1552 硅 、锗单晶电阻率测定 直排四探针法

　　GB/T 11073 硅片径向电阻率变化的测量方法

　　3 方法提要

　　使用直排四探针测量装置 、使直流电流通过试样上两外探针，测量两内探针之间的电位差，引入与试样几何形状有关的修正因子，计算出薄层电阻 。

　　4 干扰因素

　　4 . 1 探针材料和形状及其和硅片表面接触是否满足点电流源注入条件会影响测试精度 。

　　4 . 2 电压表输入阻抗会引入测试误差 。

　　4 . 3 硅片几何形状 、表面沾污等会影响测试结果 。

　　4 . 4 光照 、高频 、震动 、强电磁场及温湿度等测试环境会影响测试结果 。

　　5 试剂

　　5 . 1 氢氟酸，优级纯 。

　　5 . 2 纯水，25 ℃时电阻率大于 2 MΩ · cm 。

　　5 . 3 甲醇，99 . 5% 。

　　5 . 4 干燥氮气 。

　　6 测量仪器

　　6 . 1 探针系统

　　6 . 1 . 1 探 针 为 具 有 45 °~ 150 °角 的 圆 锥 形 碳 化 钨 探 针，针 尖 半 径 分 别 为 35 μm ~ 100 μm 、100 μm ~

　　250 μm 的半球形或半径为 50 μm ~ 125 μm 的平的圆截面 。

　　6 . 1 . 2 探针与试样压力分为小于 0 . 3 N 及 0 . 3 N ~ 0 . 8 N 两种 。

　　1

　　GB/T 14141—2009

　　6 . 1 . 3 探针(带有弹簧及外引线)之间或探针系统其他部分之间的绝缘电阻至少为 10 9 Ω。

　　6 . 1 . 4 探针排列和间距：四探针应以等距离直线排列 。探针间距及针尖状况应符合 GB/T 1552 中的规定 。

　　6 . 2 样品台和探针架

　　6 . 2 . 1 样品台和探针架应符合 GB/T 1552 中的规定 。

　　6 . 2 . 2 样品台上应具有旋转 360 °的装置 。其误差不大于 ±5 °。

　　6 . 3 测量装置

　　测量装置的典型电路见图 1 。

　　图 1 典型的电路示意图

　　6 . 3 . 1 恒流源：按表 1 的推荐值提供试样所需的电流，精度为±0 . 5% 。

　　表 1 测量薄层电阻所要求的电流值

　　薄层电阻/Ω

　　测试电流

　　2 . 0 ~ 25

　　10 mA

　　20 ~ 250

　　1 mA

　　200 ~ 2 500

　　100 μA

　　2 000 ~ 25 000

　　10 μA

　　>20 000

　　1 μA

　　6 . 3 . 2 电流换向开关

　　6 . 3 . 3 标准电阻：按表 2 的薄层电阻范围选取所需的标准电阻 。精度 0 . 05 级 。

　　表 2 不同薄层电阻范围所用标准电阻

　　薄层电阻/Ω

　　标准电阻/Ω

　　2 . 0 ~ 25

　　10

　　20 ~ 250

　　100

　　200 ~ 2 500

　　1 000

　　2 000 ~ 25 000

　　10 000

　　>20 000

　　100 000

　　6 . 3 . 4 双刀双掷电位选择开关 。

　　6 . 3 . 5 电位差计和电流计或数字电压表，量程为 1 mV ~ 100 mV,分辨率为 0 . 1%,直流输入阻抗不小

　　2

　　GB/T 14141—2009

　　于 10 9 Ω。

　　6 . 3 . 6 电子测量装置适用性应符合 GB/T 1552 的规定 。

　　6 . 4 欧姆表，能指示阻值高达 10 9 Ω 的漏电阻 。

　　6 . 5 温度针 0 ℃ ~ 40 ℃ ,最小刻度为 0 . 1 ℃ 。

　　6 . 6 化学实验室器具，如：塑料烧杯 、量杯和适用于酸和溶剂的涂塑镊子等 。

　　7 试样制备

　　如试样表面洁净，符合测试条件可直接测试，否则，按下列步骤清洗试样后测试：

　　7 . 1 试样在甲醇中漂洗 1 min 。如必要，在甲醇中多次漂洗，直到被干燥的试样无污迹为止 。

　　7 . 2 将试样干燥 。

　　7 . 3 放入氢氟酸中清洗 1 min 。

　　7 . 4 用纯水洗净 。

　　7 . 5 用甲醇漂洗干净 。

　　7 . 6 用氮气吹干 。

　　8 测量条件和步骤

　　8 . 1 整个测试过程应在无光照，无高频和无振动下进行 。

　　8 . 2 用干净涂塑镊子或吸笔将试样置于样品台上，试样放置的时间应足够长，达到热平衡时，试样温度为 23 ℃ ± 1 ℃ 。

　　8 . 3 对于薄层厚度小于 3 μm 的试样，选用针尖半径为 100 μm ~ 250 μm 的半球形探针或针尖半径为

　　50 μm ~ 125 μm平头探针，针尖与试样间压力为 0 . 3 N ~ 0 . 8 N;对于薄层厚度不小于 3 μm 的试样，选用针尖半径为 35 μm ~ 100 μm半球形探针，针尖与试样间压力不大于 0 . 3 N 。

　　8 . 4 将探针下降到试样表面测试，使四探针针尖端阵列的中心落在试样中心 1 . 00 mm 范围内 。

　　8 . 5 接通电流，令其任一方向为正向，调节电流大小见表 1 所给出的某一合适值，测量并记录所得数据 。所有测试数据至少应取三位有效数字 。

　　8 . 6 改变电流方向，测量 、记录数据 。

　　8 . 7 关断电流，抬起探针装置 。

　　8 . 8 对仲裁测量，探针间距为 1 . 59 mm,将样品分别旋转 30 °±5 °,重复 8 . 4 ~ 8 . 7 的测量步骤，测 5 组数据 。

　　9 测量结果计算

　　9 . 1 对于每一测量位置，计算正 、反向电流时试样的电阻值，见式(1) 、式(2) 。

　　Rf = vf Rs /vsf = vf /If ( 1 )

　　Rr = vr Rs /vsr = vr /Ir ( 2 )

　　式中：

　　Rf — 通过正向电流时试样电阻，单位为欧姆(Ω) ;

　　Rs — 通过反向电流时试样电阻，单位为欧姆(Ω) ;

　　If — 通过试样的正向电流，单位为毫安(mA) ;

　　Ir — 通过试样的反向电流，单位为毫安(mA) ;

　　vf — 通过正向电流时试样两端的电位差，单位为毫伏(mV) ;

　　vr — 通过反向电流时试样两端的电位差，单位为毫伏(mV) ;

　　3

　　GB/T 14141—2009

　　vsf — 通过正向电流时标准电阻两端的电位差，单位为毫伏(mV) ;

　　vsr — 通过反向电流时标准电阻两端的电位差，单位为毫伏(mV) ;

　　Rs — 标准电阻阻值，单位为欧姆(Ω) 。

　　当直接测量电流时，采用式(1) 、式(2) 最右边的形式 。对于仲裁测量，Rf 与 Rr 之差的绝对值必须小于较大值的 5% 。

　　9 . 2 计算每一测量位置的平均电阻 Rm,见式(3) 。

　　R …………………………( 3 )

　　9 . 3 计算试样平均直径 D 与平均探针间距 S 之比，由表 3 中查出修正因子 F2 ,也可以见 GB/T 11073中规定的几何修正因子 。

　　9 . 4 计算几何修正因子 F，见式(4) 。

　　F = F2 × Fsp …………………………( 4 )

　　式中：

　　Fsp — 探针修正因子;

　　F2 — 限定直径试样修正因子 。

　　9 . 5 计算每一测 量 位 置 在 所 测 温 度 时 的 薄 层 电 阻(可 根 据 薄 层 电 阻 计 算 出 对 应 的 电 阻 率 并 修 正 到23 ℃ ,具体见表 4) ,见式(5) 。

　　Rsi(T)= Rmi × F …………………………( 5 )

　　式中：

　　Rmi— 某位置第 i次测量的平均电阻，i= 1 , 2 , 3 , 4 , 5 。

　　9 . 6 计算总平均薄层电阻，见式(6) 。

　　Rsi …………………………( 6 )

　　9 . 7 计算标准偏差，见式(7) 。

　　S

　　10 精密度

　　本方法对于薄层厚度不小于 3 μm 的试样，多实验室测量精密度为 ±12%(R2S) ;对于薄层厚度小于 3 μm 的试样，多实验室测量精密度为 ±10%(R2S) 。

　　1 1 试验报告

　　1 1 . 1 试验报告应包括以下内容：

　　a) 试样编号;

　　b) 试样种类;

　　c) 试样薄层厚度;

　　d) 测试电流;

　　e) 测试温度;

　　f) 试样薄层电阻;

　　g) 本标准编号;

　　h) 测量 、测量者和测量 日期 。

　　1 1 . 2 对仲裁测量，报告还应包括对探针状况 、电测装置的精度 、所测原始数据及处理结果 。

　　4

　　GB/T 14141—2009

　　表 3 试样几何形状修正因子 F2

　　对标称直径圆片和探针间距为 1 . 00 mm 的修正因子 F2

　　硅片标称直径/mm

　　50 . 8

　　76 . 2

　　80 . 0

　　100 . 0

　　125 . 0

　　测量点

　　选点方案 A , B , C(见 GB/T 11703)

　　中心R/2

　　离边缘 6 mm

　　4 . 517

　　4 . 526

　　4 . 526

　　4 . 528

　　4 . 530

　　4 . 506

　　4 . 520

　　4 . 521

　　4 . 525

　　4 . 528

　　4 . 448

　　4 . 455

　　4 . 455

　　4 . 458

　　4 . 460

　　测量点与片子中心之间距

　　选点方案 D(见 GB/T 11703)

　　0

　　4 . 517

　　4 . 526

　　4 . 526

　　4 . 528

　　4 . 530

　　2

　　4 . 517

　　4 . 526

　　4 . 526

　　4 . 528

　　4 . 530

　　4

　　4 . 516

　　4 . 525

　　4 . 526

　　4 . 528

　　4 . 530

　　6

　　4 . 515

　　4 . 525

　　4 . 526

　　4 . 528

　　4 . 530

　　8

　　4 . 514

　　4 . 525

　　4 . 526

　　4 . 528

　　4 . 530

　　10

　　4 . 511

　　4 . 524

　　4 . 525

　　4 . 528

　　4 . 530

　　12

　　4 . 507

　　4 . 524

　　4 . 525

　　4 . 528

　　4 . 530

　　14

　　4 . 501

　　4 . 523

　　4 . 524

　　4 . 528

　　4 . 530

　　16

　　4 . 491

　　4 . 522

　　4 . 524

　　4 . 527

　　4 . 529

　　18

　　4 . 472

　　4 . 521

　　4 . 523

　　4 . 527

　　4 . 529

　　20

　　4 . 401

　　4 . 520

　　4 . 521

　　4 . 527

　　4 . 529

　　22

　　4 . 311

　　4 . 517

　　4 . 519

　　4 . 526

　　4 . 529

　　24

　　3 . 696

　　4 . 514

　　4 . 517

　　4 . 526

　　4 . 529

　　26

　　—

　　4 . 504

　　4 . 514

　　4 . 525

　　4 . 529

　　28

　　—

　　4 . 501

　　4 . 509

　　4 . 524

　　4 . 528

　　30

　　—

　　4 . 486

　　4 . 501

　　4 . 523

　　4 . 528

　　32

　　—

　　4 . 457

　　4 . 486

　　4 . 521

　　4 . 528

　　34

　　—

　　4 . 380

　　4 . 455

　　4 . 519

　　4 . 528

　　36

　　—

　　4 . 066

　　4 . 374

　　4 . 515

　　4 . 527

　　38

　　—

　　2 . 283

　　4 . 032

　　4 . 510

　　4 . 526

　　40

　　—

　　—

　　—

　　4 . 502

　　4 . 525

　　42

　　—

　　—

　　—

　　4 . 488

　　4 . 524

　　44

　　—

　　—

　　—

　　4 . 458

　　4 . 522

　　46

　　—

　　—

　　—

　　4 . 377

　　4 . 520

　　48

　　—

　　—

　　—

　　4 . 037

　　4 . 517

　　50

　　—

　　—

　　—

　　—

　　4 . 513

　　52

　　—

　　—

　　—

　　—

　　4 . 506

　　54

　　—

　　—

　　—

　　—

　　4 . 494

　　56

　　—

　　—

　　—

　　—

　　4 . 469

　　58

　　—

　　—

　　—

　　—

　　4 . 409

　　60

　　—

　　—

　　—

　　—

　　4 . 188

　　5

　　表 3(续)

　　对标称直径圆片和探针间距为 1 . 59 mm 的修正因子 F2

　　硅片标称直径/mm

　　50 . 8

　　76 . 2

　　80 . 0

　　100 . 0

　　125 . 0

　　测量点

　　选点方案 A , B , C(见 GB/T 11703)

　　中心R/2

　　离边缘 6 mm

　　4 . 494

　　4 . 515

　　4 . 517

　　4 . 522

　　4 . 526

　　4 . 466

　　4 . 502

　　4 . 505

　　4 . 515

　　4 . 521

　　4 . 328

　　4 . 345

　　4 . 347

　　4 . 353

　　4 . 357

　　测量点与片子中心之间距

　　选点方案 D(见 GB/T 11703)

　　0

　　4 . 494

　　4 . 515

　　4 . 517

　　4 . 522