金属-半导体接触电阻测量的TLM标准化研究：模型优化与精度提升

Xfilm埃利测量专注于电阻/方阻及薄膜电阻检测领域的创新研发与技术突破，致力于为全球集成电路和光伏产业提供高精度、高效率的量检测解决方案。公司以核心技术为驱动，深耕半导体量测装备及光伏电池电阻检测系统的研发。在半导体器件制造过程中，金属-半导体欧姆接触的质量直接影响器件性能。传输线模型（TLM）作为最常用的测量方法，其测量结果却在不同尺寸设备间存在显著差异。本研究通过系统分析TLM测试结构的尺寸效应，建立标准化测量框架，为先进制程和第三代半导体研发提供技术支撑。

理论基础与尺寸效应发现

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TLM结构示意图与参数提取原理

 

TLM方法是通过测量不同间距（d）的金属接触对（宽度W，长度a）之间的电阻，利用分布式电阻网络模型提取ρc和薄层电阻（Rsh）。核心方程包括：

• 传输长度定义式：

• 接触电阻率计算式：

研究发现，当接触长度a与LT满足特定关系时：

• 短接触极限（a < 0.5LT）：ρc = RcWa
• 长接触极限（a > 1.5LT）：ρc = RcWLT

不同尺寸TLM测量的ρc分布

尺寸效应机理与模型优化

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• 接触宽度（W）的影响

通过建立包含金属电阻率（Rm）的修正模型，发现传输长度LT随W增加呈非线性增长：

传输长度随宽度变化曲线

 

实验数据显示，对于NiSi接触（Rsh=800 Ω/□），当W从50μm增至300μm时，LT从5μm升至10μm并趋于饱和。这种饱和现象源于电流分布从非均匀向层流的转变。通过系统误差分析，推导出最优宽度公式：

最优宽度Wopt等高线图

 

等高线图直观展示了不同ρc和Rsh组合下的Wopt取值，当Rsh=100Ω/□且ρc=10-6Ω·cm²时，Wopt≈200μm。

• 接触长度（a）的边界效应

铝-硅接触的电场TLM仿真结果

 

精确场解模型表明：

• 有效范围：0.63h2≤LT≤0.63a

误差来源：

• 低ρc时低估3.2%（电流拥挤效应）
• 高ρc时高估1.8%（均匀电流假设）

实验验证与标准化方案

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测试结构图

 

实验参数：

• 衬底：p+/n+硅（磷/硼注入1×1015cm-3）
• 工艺：溅射50nm NiSi，400℃退火20min
• 测试：0-1V扫描，步长10mV，延迟100ms

关键数据：标准化准则：

• 几何参数：

• a > 2.5LT（置信度99.7%）
• W = Wopt±20%

• 测试报告必须包含：

• 结构尺寸（W/a/d）
• 测试环境（25±0.5℃）

圆形TLM的特殊优势

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圆形TLM结构的电场分布仿真

 

与传统线性结构相比，圆形TLM具有两大独特优势：结构优势：

• 径向电流分布消除边缘效应

工程价值：

• 可嵌入式测量（光伏电池集成）
• 重复性±0.2%（n=15）

本研究通过系统的理论分析和实验验证，建立了完整的传输线模型（TLM）标准化测量体系。研究揭示了测试结构尺寸影响接触电阻率测量的物理机制，指出电流分布的非均匀性和边缘效应是导致测量差异的主要原因，并创新性地提出了包含金属电阻率的修正模型。该模型将系统误差控制在5%以内，显著提升了测量精度。

Xfilm埃利TLM电阻测试仪

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Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪用于测量材料表面接触电阻或电阻率的专用设备，广泛应用于电子元器件、导电材料、半导体、金属镀层、光伏电池等领域。■ 静态测试重复性≤1%，动态测试重复性≤3%■ 线电阻测量精度可达5%或0.1Ω/cm■ 接触电阻率测试与线电阻测试随意切换■ 定制多种探测头进行测量和分析本研究建立的TLM标准化测量体系，通过Xfilm埃利TLM接触电阻测试仪的高精度测量得以验证。在实践应用方面，为半导体器件性能表征提供了可靠的技术支持。

原文出处：《Standardization of Specific Contact Resistivity Measurements using Transmission Line Model (TLM) 》

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