四探针法在半导体制造中应用 | 同时测定钌薄膜的电阻温度系数与热边界电导

电阻温度系数定义了材料电阻率随温度升高的分数变化量。对于大多数金属而言，该系数为正值，意味着器件通电后会产生不希望的自发热。因此，在电子器件的设计与生产中，必须对这一参数加以考量，以避免效率、性能和可靠性的损失。传统测量方法需要在多个稳态温度点逐一记录电阻值，再通过线性拟合确定斜率，过程耗时且通常需要额外的样品制备步骤（如使用导电银漆改善电接触）。在实际研发与生产中，Xfilm埃利四探针方阻仪基于四探针原理，能够快速获取薄膜方阻信息，为电阻温度系数的精确评估提供可靠的基础数据支撑。

四探针测量理论模
 

微四探针测量通过在样品表面两个电极间施加角频率为ω的交流电流，利用另外两个电极探测电位差。电流产生的焦耳热使探针附近局部温度以2ω的频率升高，进而引起局部方阻的变化。对于小温度变化，方阻可近似表示为RS(r) = RS,0[1 + αTCR·ΔT(r)]，其中RS,0为参考温度下的方阻。由此产生的四探针电压包含基波和三次谐波分量，其中三次谐波电阻R3ω与αTCR直接相关。相比在两个不同电流下测量电阻差值的方法，直接测量R3ω在弱信号条件下更具优势，这对于以硅为衬底的样品尤为重要。

此前的研究已在熔融石英衬底上实现了铂薄膜的αTCR测量，但这类衬底与半导体行业广泛使用的标准硅衬底并不一致。实际工艺中，金属薄膜通常沉积在硅片上生长的薄SiO₂层（小于500 nm）上。由于硅衬底的高热导率会削弱所有与温度相关的信号，且SiO₂层的存在增加了分析模型的复杂度，这类结构的测量面临相当大的挑战。本研究采用有限元法替代半解析模型，对钌薄膜/SiO₂/Si衬底多层结构的电学和热学响应进行模拟，通过在不同电极间距和配置下进行多次测量，同时拟合出αTCR和薄膜与衬底之间的总热边界电导。在数据拟合中，有限元模拟进一步采用直流电流以缩短计算时间，每次模拟提供四探针电阻RDC和零电流电阻RDC,0。

M4PP在多层系统上的示意图。导电钌薄膜沉积在SiO₂上，以Si为衬底。图中展示了施加恒定电流时的（a）电势分布和（b）温度分布，以及（c）模拟的电压波形

 

实验与结果

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实验选用两种厚度的钌薄膜（3.3 nm和5.2 nm），通过原子层沉积制备于90 nm厚的SiO₂/Si衬底上，钌薄膜下方有一层TiN粘附层。微四探针配备八个等距共线电极，间距4 μm，可在每次接触时同时完成4 μm和8 μm两种间距的测量。测量采用A′和A两种配置以抑制热电效应的干扰，电流幅值从2 mA逐步增加至5 mA。R3ω与电流平方之间表现出良好的线性关系，且该线性关系在四种间距与配置的组合下均可由单一组(αTCR, GTBC)参数很好地复现。

对3.3 nm钌薄膜，30次独立测量的αTCR均值为542 ± 18 ppm/K，GTBC为15.6 ± 1.3 MW/(m²·K)；对5.2 nm钌薄膜，αTCR为982 ± 46 ppm/K，GTBC为19.3 ± 2.3 MW/(m²·K)。较薄薄膜的αTCR较低，可归因于薄膜表面的额外散射过程——温度升高时电子平均自由程减小，表面散射相对于声子散射的贡献随之降低。3.3 nm钌薄膜的αTCR均值比PPMS参考值低约9%，这可能是由于PPMS测量中使用银漆导致电阻值被高估所致。5.2 nm钌薄膜的αTCR均值比参考值高约5%，但约三分之二的测量结果在考虑拟合不确定度后与PPMS值重叠。

钌薄膜的（a）电阻温度系数和（b）钌与Si衬底间的总热边界电导及其拟合误差。虚线分别表示PPMS参考值和90 nm SiO₂的本征热导值

灵敏度分析

/Xfilm

 

蒙特卡洛模拟表明，αTCR的拟合标准偏差约为1.1%，GTBC约为2.3%，说明该方法对αTCR的灵敏度显著高于GTBC，与实验数据一致。3.3 nm钌薄膜的GTBC均值对应SiO₂热导率为1.40 ± 0.12 W/(m·K)，与文献报道的薄膜SiO₂本征热导1.33W/(m·K)吻合良好，表明界面热阻的影响可以忽略。5.2 nm钌薄膜得出的SiO₂热导率为1.74 ± 0.21 W/(m·K)，高于预期值，原因可能是电极接触半径的校准偏差对较厚薄膜的影响更大，因为较厚薄膜的方阻更低，校准测量的权重也更大。两个参数的拟合不确定度在5.2 nm薄膜上也系统性偏大，这同样源于该薄膜较低的方阻所产生的更弱的三次谐波信号。

结语

/Xfilm

 

本研究证明了四探针技术能够在标准硅衬底的多层堆叠结构上，同时、快速、准确地测定金属薄膜的电阻温度系数和热边界电导。该方法无需破坏样品，适用于半导体制造中的在线检测需求。对于薄膜方阻的快速表征，Xfilm埃利四探针方阻仪提供了成熟的解决方案，可与本研究方法形成互补，共同推动薄膜电阻参数的精确测量与工艺优化。

Xfilm埃利四探针方阻仪

/Xfilm

 

Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

 

超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ

高精密测量，动态重复性可达0.2%

全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节

快速材料表征，可自动执行校正因子计算

基于四探针法的Xfilm埃利四探针方阻仪，凭借智能化与高精度的电阻测量优势，可助力评估电阻，推动多领域的材料检测技术升级。

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