СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНТАКТА К ТОНКОПЛЕНОЧНЫМ РЕЗИСТОРАМ С ЭЛЕКТРОДАМИ Российский патент 2007 года по МПК G01R27/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении переходного сопротивления контакта к тонкопленочным резисторам на технологических этапах промышленного производства микроэлектронных изделий.

Уровень техники

Известны различные способы измерения сопротивлений (см., например, [1] «Измерения в электронике: Справочник», В.А.Кузнецов, В.А.Долгов, В.М.Коневских и др./ Под ред. В.А.Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с., С.194-217).

Недостатком всех описанных в указанном источнике технических решений является то, что они имеют невысокую точность измерения переходных (контактных) сопротивлений или не позволяют его измерить ввиду конструктивных особенностей изделий в микроэлектронном исполнении.

Известен способ измерения малых сопротивлений с помощью двойного моста Кельвина (см., например, [2] Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога. - М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2002. - 384 с., С.230).

Однако данный способ невозможно непосредственно применить для измерения контактного сопротивления тонкопленочного резистора ввиду его конструктивных особенностей.

Известен способ измерения переходного сопротивления контакта металл - полупроводник (см. Приборы и техника эксперимента, 1969, №4, с.191-192), в котором непосредственно измерения выполняют на равных по длине участках между металлическими контактами, нанесенными на полупроводниковую пластину, а значение контактного сопротивления металл - полупроводник определяют расчетным путем, причем в процессе измерения изменяют электрическую цепь протекания эталонного тока.

Недостатком такого технического решения является невысокая точность, связанная с необходимостью точного измерения расстояния между дополнительными контактными площадками, а также высокая сложность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является "Способ определения переходного сопротивления контакта к тонкопленочным резисторам с электродами" (см., А.С. 1538703, G01R 27/00, БИ №34, 1995 г.), заключающийся в том, что пропускают ток заданной величины через два электрода и измеряют напряжение между двумя электродами резистора с тремя электродами, причем ток пропускают через один из крайних и средних электродов, напряжение измеряют между вторым крайним и средним электродами, а сопротивление контакта определяют путем вычисления отношения измеренного напряжения к заданной величине тока.

Недостатком этого способа является невысокая точность из-за неполной адекватности сопротивления полученного результата переходному сопротивлению контакта (см., например, [3] Смирнов В.И., Мата Ф.Ю. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре.- М.: Советское радио, 1974. - 176 с., С.118; [4] Харинский А.Л. Основы конструирования элементов радиоаппаратуры. - Л.: Энергия, Ленинградское отд-е, 1971. - С.367), а именно, вольтметр в известном способе измеряет напряжение на резисторе с одной удаленной по направлению тока стороны контактной площадки, которое не полностью совпадает с напряжением с ее ближней стороны из-за перераспределения потенциалов по длине контакта, что приводит к погрешности измерения переходного сопротивления.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности определения переходного сопротивления контакта.

Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что в способе определения переходного сопротивления контакта к тонкопленочным резисторам с электродами пропускают ток заданной величины через два электрода: крайний и средний, тонкопленочного резистора с тремя электродами и измеряют напряжение между двумя электродами: средним и вторым крайним, а переходное сопротивление контакта определяют по формуле

где ϕ_B - измеренное напряжение, I - ток заданной величины, К - коэффициент, обратный коэффициенту а₁₁ цепочечной матрицы, полученной в результате электрического моделирования контактной области.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена схема реализации предложенного способа определения переходного сопротивления контакта к тонкопленочным резисторам. На фиг.2 представлена конструкция контактов: участок соединения контактов с элементами 1-2 тонкопленочного резистора.

Элементы схем обозначены следующим образом.

1-2 - участки резистивной пленки; 3-5 - контактные площадки; 6 - источник тока; 7 - цифровой милливольтметр; 8-10 - соединительные зонды; 11 - цифровой вольтметр; 12 - образцовый резистор.

На фиг.2 представлена опытная конструкторская модель контактного соединения: участок соединения контактной площадки 4 с элементами 1-2 тонкопленочного резистора; длина d контактной площадки, отсчитываемая от начала координат X/Y; разбиение контактной области на слои 1-2; 1-20 и заштрихованный (переходной) слой контактной зоны.

На фиг.3 представлена электрическая модель контактной области: r - сопротивление контактной зоны (переходной слой) на единицу длины; R - сопротивление резистивной пленки на единицу длины; R_рез - сопротивление резистивного участка 1; А и В - узлы электрического соединения.

Осуществление изобретения

Способ измерения состоит в следующем.

Объект измерения представляет собой резистивную полосу с участками 1 и 2, на которую нанесены контактные площадки 3-5, к которым подведены зонды 8-10. Зонд 9 соединен с общей шиной 13 и с первыми клеммами источника тока 6 и цифрового милливольтметра 7, вторая клемма которого соединена с зондом 10. Зонд 8 соединен с первым токовым выводом образцового резистора 12, второй токовый вывод которого подключен к второй клемме источника тока, а потенциальные выводы образцового резистора 12 подключены к цифровому вольтметру 11.

Если принять соотношения между удельными объемными сопротивлениями:

где ρ_рез - удельное сопротивление резистивной пленки, ρ_пер - удельное сопротивление переходного слоя и ρ_мет - удельное сопротивление контакта, в качестве металла которого используется алюминий, то приемлемой электрической моделью контактной области может считаться эквивалентная схема, представленная на фиг.3.

При этом, если соединить контактную площадку 4 с корпусом 13 (земляной шиной), как это представлено на фиг.1, а в тонкопленочном резисторе задать ток I с помощью источника тока 6, образцового измерительного резистора 12 и вольтметра 11 с входным сопротивлением, близким к бесконечности, то переходное сопротивление контакта, названное в работе [4] эффективным сопротивлением, можно рассчитать по формуле:

где ϕ_А - потенциал узла А (фиг.3) относительно «земляной» шины 13.

При этом отношение потенциалов в узлах В и А схемы фиг.3 можно назвать коэффициентом деления или коэффициентом передачи К:

Если связать контактную область с системой координат XY, как представлено на фиг.2, то элементы r и R являются погонными на единицу длины контакта, а ток через соответствующие элементы r будет зависеть от координаты X. Согласно, например, работам [3, 4] эта зависимость носит экспоненциальный характер:

где х - координата по длине контакта фиг.2, С и В - соответствующие коэффициенты. С другой стороны:

где ϕ(х) - узловые потенциалы по схеме фиг.3, причем ϕ_A=ϕ(0)=I(0)r, ϕ_B=ϕ(d)=I(d)r, d - координата, равная длине контакта.

Коэффициент С из формулы (4) можно определить при х=0. При этом C=I(0)=ϕ_A/r=ϕ(0)/r.

Подставляя (5) в (4), получим:

где ϕ(х) - меняющийся по длине контакта потенциал узлов схемы фиг.3.

Для x=d и с учетом (3) получим:

откуда определим коэффициент В:

Так как К электрической схемы фиг.3 всегда меньше 1, то В всегда имеет отрицательное значение. При этом схема фиг.3 представляет собой цепочечную структуру и легко может быть свернута с учетом заданных соотношений (1) в трехэлементный канонический четырехполюсник по известным из теории электрических цепей правилам. Цепочечная матрица полученного таким образом трехэлементного четырехполюсника:

имеет параметр а₁₁, равный обратной величине К, т.е. а₁₁=1/К.

Полный ток I из соотношения (2) также равен:

где верхний предел равен длине d контакта. В результате интегрирования (10) получим:

где ϕ(0)=ϕ_А, т.е. потенциал на левой стороне контакта фиг.2 равен потенциалу узла А фиг.3. Выполнив преобразования с учетом (3), получим формулу погонного сопротивления переходной зоны:

на основании которой можно проверить правильность выбора условия (1), а переходное сопротивление контакта определить по формуле (2) с учетом соотношений (7) и (8).

Схема реализации способа представлена на фиг.1, где напряжение, равное величине ϕ_B, измеряется цифровым милливольтметром 7 с входным сопротивлением, близким к бесконечности, а ток I задается с помощью образцового резистора 12 и цифрового вольтметра 11. При этом предполагается, что источник тока 6 является управляемым или регулируемым источником.

Лабораторные испытания выполнялись с тонкопленочным резистором, резистивная пленка которого толщиной 0,2 мкм и шириной 2 мкм в области его элементов 1-2, фиг.1-2, получена вакуумным напылением на подложке. Алюминиевый контакт размером 2·2·2 мкм наносился на резистивное покрытие вакуумным напылением. В качестве источника тока использовался калибратор П 320, а в качестве вольтметра использовался прибор Щ 31 в режиме измерения постоянного тока, в качестве цифрового милливольтметра - прибор В1-18.

Способ измерения сопротивления заключается в том, что пропускают ток заданной величины через крайний и средний электроды тонкопленочного резистора с тремя электродами. Измеряют напряжение между средним и вторым крайним электродами. Переходное сопротивление контакта определяют по формуле: где φ_в - измеренное напряжение, I - ток заданной величины, К - коэффициент, обратный коэффициенту а₁₁ цепочечной матрицы, полученной в результате электрического моделирования контактной области. Технический результат заключается в повышении точности измерения переходного сопротивления контакта тонкопленочного резистора. 3 ил.

Способ определения переходного сопротивления контакта к тонкопленочным резисторам с электродами, заключающийся в том, что пропускают ток заданной величины через два электрода: крайний и средний, тонкопленочного резистора с тремя электродами и измеряют напряжение между двумя электродами: средним и вторым крайним, отличающийся тем, что переходное сопротивление контакта определяют по формуле

где ϕ_в - измеренное напряжение; I - ток заданной величины; К - коэффициент, обратный коэффициенту a₁₁ цепочечной матрицы, полученной в результате электрического моделирования контактной области.