半導(dǎo)體測(cè)試與分析1

1、半導(dǎo)體材料的測(cè)半導(dǎo)體材料的測(cè)試分析試分析前言前言v半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)和缺陷的重要性v隨著半導(dǎo)體技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展，對(duì)雜質(zhì)和缺陷的檢測(cè)方法在準(zhǔn)確性和精度方面要求越來越高v檢測(cè)內(nèi)容也發(fā)生了變化。 從材料缺陷宏觀觀察和電學(xué)性質(zhì)的宏觀測(cè)量轉(zhuǎn)移到對(duì)表面、界面及薄膜的組分、結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)的細(xì)微研究。 從對(duì)雜質(zhì)和缺陷宏觀效果評(píng)價(jià)發(fā)展到對(duì)他們電子結(jié)構(gòu)及相互作用的探索v人類在自然科學(xué)和工程技術(shù)方面的長(zhǎng)足進(jìn)步，也為半導(dǎo)體材料的檢測(cè)和分析提供了多種物理、化學(xué)方法電阻率與雜質(zhì)濃度測(cè)試電阻率與雜質(zhì)濃度測(cè)試v電阻率是半導(dǎo)體材料最重要的電特性之一v電阻率值的大小是設(shè)計(jì)器件參數(shù)以及器件制造過程中選擇材料、控制工藝條件的重要依據(jù)v

2、半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的電阻率測(cè)量是十分頻繁的，也是非常關(guān)鍵的。準(zhǔn)確易行的電阻率測(cè)量方法對(duì)于保證器件質(zhì)量以及新材料、新器件、新工藝的開發(fā)都是十分必要的。v半導(dǎo)體電阻率的測(cè)量與導(dǎo)體的電阻率測(cè)量是有區(qū)別的半導(dǎo)體電阻率的測(cè)量與導(dǎo)體的電阻率測(cè)量是有區(qū)別的v1、在金屬與半導(dǎo)體接觸的界面附近也要產(chǎn)生一個(gè)耗盡層。因?yàn)榻饘俚碾娮用芏葮O高，因而這個(gè)耗盡層展寬在半導(dǎo)體一邊。耗盡層中只有不能自由運(yùn)動(dòng)的電離雜質(zhì)，它們不能參與導(dǎo)電，因而這是一個(gè)高阻層。同時(shí)，任何兩種材料的小面積接觸都會(huì)在接觸處產(chǎn)生擴(kuò)展電阻。尤其是對(duì)金屬半導(dǎo)體點(diǎn)接觸，這個(gè)擴(kuò)展電阻會(huì)很大，人們常常把這兩個(gè)因接觸而產(chǎn)生的高電阻統(tǒng)稱為接觸電阻。因此，當(dāng)用歐姆表來測(cè)量

3、半導(dǎo)體時(shí)，這個(gè)巨大的接觸電阻就會(huì)使結(jié)果面目全非，毫不可信。v2、功函數(shù)不同的兩種金屬制品在接觸時(shí)也要因接觸電勢(shì)差而在界面上出現(xiàn)一個(gè)電荷偶層，但這個(gè)空間電荷層極薄，每邊只有約一個(gè)原于層厚，遠(yuǎn)小于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而對(duì)載流子沒有阻擋作用。同時(shí)，金屬與金屬的小面積接觸的擴(kuò)展電阻也很小。因此，上述方法對(duì)測(cè)量金屬導(dǎo)體的電阻率是精確的。v3、由非平衡載流子的電注入效應(yīng)可以想到，如果被測(cè)半導(dǎo)體是n型，那么測(cè)量電流將通過正電極向半導(dǎo)體注入空穴；若被測(cè)半導(dǎo)體是P型則會(huì)從負(fù)電極向半導(dǎo)體注入電子。這些注入的少數(shù)載流子在外電場(chǎng)的驅(qū)使下向另一電極漂移，參與導(dǎo)電。在注入電極附近的某一范圍內(nèi)，載流子密度因此而高于載流子的熱

4、平衡密度，因而測(cè)量結(jié)果不能反映材料電阻率的真正大小。對(duì)于熱平衡載流子密度較低的高阻材料，其接觸電阻更大，少子注入的影響也更加嚴(yán)重。v半導(dǎo)體的特殊性使我們?cè)跍y(cè)量其電阻率時(shí)不能使用測(cè)量金屬導(dǎo)體電阻率時(shí)通常使用的方法，而必須使用根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一些專用方法。v探針法、CV測(cè)試法、霍爾測(cè)試法等等。v在這些方法中，探針法最簡(jiǎn)便易行，因而使用面最廣。v探針法依其測(cè)試原理分為電位探針法、擊穿探針法、擴(kuò)展電阻探針法電位探針法電位探針法v電位探針法原理電位探針法原理v就是用兩根探針測(cè)量該物體兩點(diǎn)或兩等位面間的電位差，然后根據(jù)一定的理論公式換算出該物體的電阻率。v導(dǎo)致該物體內(nèi)有電位分布的電流，是由另外的探針或其他

5、形式的電極注入的。v用歐姆表直接測(cè)量半導(dǎo)體電阻率的失敗，根本原因在于測(cè)試電流的輸入和該電流在被測(cè)樣品上產(chǎn)生的壓降的測(cè)量共用一對(duì)探針。如果我們使二者分開，用一對(duì)探針專門測(cè)量被測(cè)樣品某兩個(gè)等位面或某兩點(diǎn)之間的電位差，不讓測(cè)試電流通過這兩根探針，上述困難是完全可以克服的。這就是利用電位探針法測(cè)量半導(dǎo)體電阻率的基本出發(fā)點(diǎn)。v二探針法二探針法用兩根探針借助于電位差計(jì)量取樣品表面某兩點(diǎn)(實(shí)際上是某兩個(gè)等位面)間的電位差U，并量出流經(jīng)樣品的電流值I，即可算出該兩個(gè)等位面間的長(zhǎng)方體的電阻值R。精確量出探針間距L及樣品截面積S，則樣品的電阻率為v兩個(gè)改進(jìn)措施兩個(gè)改進(jìn)措施補(bǔ)償法來測(cè)量電壓，以避免探針與半導(dǎo)體之間高

6、阻接觸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響1.兩個(gè)端電極與被測(cè)半導(dǎo)體之間為歐姆接觸，因而避免了少數(shù)載流子的注入v二探針法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)二探針法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)v優(yōu)點(diǎn)：不受樣品尺寸大小的影響和電流源少子注入的影響等v缺點(diǎn)：對(duì)樣品的形狀和電阻率的均勻性要求嚴(yán)格，而且還需要大面積的歐姆接觸電極，在實(shí)際應(yīng)用中頗不方便v四探針法四探針法用四探針法測(cè)量半導(dǎo)體電阻率的基本實(shí)驗(yàn)裝置如圖。四根金屬探針相互保持一定距離，同被測(cè)半導(dǎo)體的某一平坦表面接觸。恒流源通過兩外側(cè)探針向半導(dǎo)體樣品輸入穩(wěn)定電流I，在樣品中產(chǎn)生一穩(wěn)定電流場(chǎng)，然后借助于兩根內(nèi)探針測(cè)量該電流場(chǎng)中某兩點(diǎn)間的電位差U。電流場(chǎng)理論對(duì)各種樣品形狀提供了I、U與樣品材料電阻率之間的函數(shù)

7、關(guān)系。v第一類情形：半無限大樣品第一類情形：半無限大樣品v如果電流源位于某一個(gè)界面上但距其余各界面足夠遠(yuǎn)，則可視其為半無限大v探針的布置方法v材料電阻率的表達(dá)式材料電阻率的表達(dá)式v不等距四邊形v觸點(diǎn)在同一直線不等距v觸點(diǎn)等距直線排列正方形探針排列v第二類情形：第二類情形：“無限大無限大”薄層樣品薄層樣品v對(duì)于等距直線布置觸點(diǎn)，薄層電阻率可表示為v用四探針法測(cè)小樣品電阻率時(shí)的修正用四探針法測(cè)小樣品電阻率時(shí)的修正v兩種無窮大邊界是不存在的。任何半導(dǎo)體樣品都只有有限大小的尺寸。v適當(dāng)大的樣品可以視為符合這兩種解的要求。那么，這兩個(gè)解究競(jìng)對(duì)多大的樣品尺寸才適合，尺寸不合適的樣品該怎樣修正v修正的理論依

8、據(jù)修正的理論依據(jù)v電場(chǎng)問題的單值定理指出，滿足邊界條件的解必有且只有一個(gè)。 對(duì)于某個(gè)特定的邊界，如果有一個(gè)解能滿足它所要求的條件，那么這個(gè)解就是唯一正確的，就能真實(shí)地反映該邊界內(nèi)的電場(chǎng)分布。 從原則上說，只要邊界條件確定，就可以通過求解拉普拉斯方程或泊松方程確定其解 但實(shí)際情況往往比較復(fù)雜，難以對(duì)方程進(jìn)行精確的求解。v工程上往往采用一種 “鏡象法”的方法，使問題簡(jiǎn)化。v其解又總可以表示為第1類情形的解或第2類情形的解與一個(gè)因子的乘積，v可以把任何小樣品當(dāng)作情形1或情形2進(jìn)行測(cè)量，但須在其測(cè)試結(jié)果上乘或除以一個(gè)修正因子，這個(gè)因子與探針間距、探針放置方式以及樣品的形狀與大小有關(guān)。v（1）對(duì)第一類情

9、形的修正）對(duì)第一類情形的修正v第一修正因子第一修正因子對(duì)靠近邊緣測(cè)量的修正對(duì)靠近邊緣測(cè)量的修正Po表示忽略有接近探針的邊界存在時(shí)，按情形一測(cè)得電阻率，F(xiàn)1v是考慮到邊界影響時(shí)必須施加于Po的修正因子，是邊界距離與針距之比的函數(shù)。v如果探針和邊界平行v當(dāng)邊界距離與探針間距之比t/s3時(shí)，無論是哪一種探針邊界關(guān)系，其相對(duì)誤差部只有1左右。所以，只要測(cè)量中勿使探針在任何方向上與最近邊界的距離超過針距的三倍，即可作為勿須修正的第一類情形處理。v按半無窮大方式測(cè)量薄片電阻率時(shí)誤差很大，特別是針距較大的時(shí)候。當(dāng)薄片厚度與探針間距之比w/s2，仍然有接近10的相對(duì)誤差。v如果加上儀器、電源、環(huán)境溫度以及光照

10、等等其他因素的影響，測(cè)量結(jié)果就很不準(zhǔn)確了。v所以，對(duì)通常使用的半導(dǎo)體薄片，因其厚度一般不到1mm，即使是使用05mm的小針矩，也需要考慮修正。v第第3種修正因子種修正因子對(duì)圓棒測(cè)試的修正對(duì)圓棒測(cè)試的修正v對(duì)于這種邊界，不適合于用鏡象法求解修正因子。不過，在棒與外界絕緣的情況下，我們可以利用柱坐標(biāo)求解相應(yīng)的拉普拉斯方程，獲得符合其邊界條件的解。n 是常數(shù)，其值在n0時(shí)為1，在n1，2，3時(shí)為2；In是修正的第一類貝塞爾函數(shù)v 一些典型(Rs)值下的修正因子F3如表53所示。v表中數(shù)據(jù)表明，當(dāng)被測(cè)圓捧的半徑與針距之比大于20時(shí)，因所得結(jié)果僅有1的誤差，將其當(dāng)半無窮大看待是完全可以的。在大多數(shù)圓棒測(cè)

11、試的場(chǎng)合，這個(gè)條件都是能滿足的。v對(duì)第二類情形的修正對(duì)第二類情形的修正v第第4種修正因子一對(duì)薄層厚度的修正種修正因子一對(duì)薄層厚度的修正v在這里我們也可以看到，所謂無限薄這個(gè)要求，實(shí)際是一個(gè)相對(duì)條件。v在實(shí)際應(yīng)用中，厚度在12探針間距以下的薄層就可以按無限薄的薄層處理v第第5種修正因子種修正因子對(duì)圓形薄層的修正對(duì)圓形薄層的修正修正因子F5定義為v一些典型ds值下的修正因子F5如表55所示。表中數(shù)據(jù)表明，對(duì)于針距1mm的四探針系統(tǒng)，測(cè)量直徑30mm以上的圓形薄層時(shí)完全可以不考慮邊界的影響。v第第6種修正因子種修正因子針對(duì)矩形薄層的修正針對(duì)矩形薄層的修正v用四探針法測(cè)量半導(dǎo)體電阻率應(yīng)注意的問題用四探

12、針法測(cè)量半導(dǎo)體電阻率應(yīng)注意的問題v一、在電位探針與被測(cè)樣品表面的接觸界面處仍然存在著接一、在電位探針與被測(cè)樣品表面的接觸界面處仍然存在著接觸電阻。觸電阻。v vro是把接觸面看成半球時(shí)的球半徑，是一個(gè)m的尺寸，因而接觸電阻Rs的大小差不多是被測(cè)樣品電阻率數(shù)值的千倍左右。v為了避免這個(gè)大電阻對(duì)電位測(cè)量的影響， 應(yīng)選用高內(nèi)阻數(shù)字電壓表或電位差計(jì)來測(cè)量探針2、3之間的電位差。電位差計(jì)的阻抗要適中，阻抗太高時(shí)測(cè)量不靈敏，太低又容易在接觸上產(chǎn)生足以影響精確度的壓降，通常以阻抗不小于被測(cè)樣品電阻率值十萬到一百萬倍為宜。v二、探針尖的處理二、探針尖的處理：v以上的全部討論都是從點(diǎn)電流源出發(fā)的，亦即探針與被測(cè)

13、表面的接觸是半徑很小的半球面，這就要求針尖十分銳利，其曲率半徑須在50m以下。v如果針尖很禿，其接觸就有可能是某種任意形狀的小平面或幾個(gè)點(diǎn)，使電流源的性質(zhì)發(fā)生變化。這種變化，必然引起電場(chǎng)性質(zhì)的變化。同時(shí)，針尖太粗還可能導(dǎo)致針距的改變。所有這些都有可能帶來測(cè)量誤差。v采用鎢針時(shí)，可用NaOH溶液電解腐蝕法形成合適的針尖。v三、探針須固定，并有一定的剛性三、探針須固定，并有一定的剛性。v其擺動(dòng)不僅會(huì)造成針距的變化，而且會(huì)引起接觸電阻的變化。v為了使探針與樣品表面形成良好的歐姆接觸，應(yīng)在探針與被測(cè)表面之間施加一定的壓力，一般為12N。v四、在測(cè)量過程中，電流探針有可能向被測(cè)四、在測(cè)量過程中，電流探針

14、有可能向被測(cè)樣品注入少數(shù)載流于，需要極力避免。樣品注入少數(shù)載流于，需要極力避免。v對(duì)于高阻材料和少于壽命較高的材料，少子注入可能使電流探針附近較大范圍內(nèi)的電阻率下降。v因此，在可能的情況下，采取對(duì)被測(cè)表面做粗磨處理，以提高表面復(fù)合率、降低少子壽命。v適當(dāng)保持較寬的針距，對(duì)避免少數(shù)載流子的影響也是有益的。 v五、選取適當(dāng)大小的測(cè)試電流。五、選取適當(dāng)大小的測(cè)試電流。測(cè)試電流的大小直接影響到注入少子的濃度，電流過大還會(huì)使測(cè)試區(qū)域因歐姆熱而升溫，使載流子濃度增加或使晶格振動(dòng)加劇而降低載流子的遷移率。v六、光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)的影響六、光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)的影響v v特別是對(duì)近本征材料v測(cè)量應(yīng)在暗室中進(jìn)

15、行，除非經(jīng)驗(yàn)證明周圍的光照對(duì)測(cè)試結(jié)果并無明顯影響。v七、為了減少金屬探針與半導(dǎo)體表面接觸的七、為了減少金屬探針與半導(dǎo)體表面接觸的整流效應(yīng)，以及觸點(diǎn)的非對(duì)稱性導(dǎo)電和不相整流效應(yīng)，以及觸點(diǎn)的非對(duì)稱性導(dǎo)電和不相等接觸電阻等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果精度的影響，等接觸電阻等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果精度的影響，每一次測(cè)量都要用正反向電流各測(cè)一次，以每一次測(cè)量都要用正反向電流各測(cè)一次，以兩個(gè)測(cè)試值的平均作為測(cè)試結(jié)果。兩個(gè)測(cè)試值的平均作為測(cè)試結(jié)果。 v八、當(dāng)測(cè)試在靠近高頻發(fā)生器的地方進(jìn)行時(shí)，八、當(dāng)測(cè)試在靠近高頻發(fā)生器的地方進(jìn)行時(shí)，測(cè)量回路中可能會(huì)感生出亂真電流，因而應(yīng)測(cè)量回路中可能會(huì)感生出亂真電流，因而應(yīng)盡量避免這種情況的發(fā)生。

16、如果測(cè)試儀器不盡量避免這種情況的發(fā)生。如果測(cè)試儀器不得不靠近這類電源放置時(shí)，必須采取必要的得不靠近這類電源放置時(shí)，必須采取必要的屏蔽措施。屏蔽措施。v九、須對(duì)電阻率的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度修正九、須對(duì)電阻率的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度修正v樣品溫度不僅與環(huán)境溫度有關(guān)，還與測(cè)量電流產(chǎn)生的歐姆熱有關(guān)。v簡(jiǎn)便的辦法是在測(cè)量電阻率的同時(shí)測(cè)定被測(cè)樣品的實(shí)際溫度，然后用溫度系數(shù)把該溫度下的電阻率測(cè)量值換算成某個(gè)規(guī)定溫度(例如23)下的標(biāo)稱值。v十、測(cè)試電路的選擇十、測(cè)試電路的選擇v對(duì)半導(dǎo)體單晶材料的四探針電阻率測(cè)試，一般采用直流測(cè)量電路。v對(duì)于多晶材料，為了避免晶粒間界的影響，須采用交流測(cè)量電路。v對(duì)于熱電材料，為了避免

17、溫差電效應(yīng)對(duì)電阻率測(cè)試的影響，一般也采用交流測(cè)量電路少數(shù)載流子的壽命測(cè)試v少數(shù)載流子的壽命測(cè)試包括瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩大類。v瞬態(tài)法根據(jù)半導(dǎo)體樣品從非平衡狀態(tài)狀態(tài)過渡的快慢來確定載流子的壽命。包括以均勻半導(dǎo)體材料作測(cè)試試樣的光電導(dǎo)衰減法，雙脈沖法和相移法。以pn結(jié)作為測(cè)試對(duì)象的反復(fù)時(shí)間測(cè)試法和開路電壓衰減法；v穩(wěn)態(tài)發(fā)根據(jù)半導(dǎo)體樣品處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)下的某些與壽命有關(guān)的易測(cè)量的量。來換算少數(shù)載流子壽命，包括擴(kuò)散長(zhǎng)度測(cè)試法，穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法，光磁效應(yīng)法以及光電壓法等等。v本節(jié)中介紹了幾種常用的方法：v直流光電導(dǎo)衰減法 這種方法簡(jiǎn)便迅速，結(jié)果比較可靠，但只適用于鍺和硅等具有間接禁帶，少子壽命較長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料。v測(cè)量條件：1.電場(chǎng)：樣品量端電壓不能太大，以免導(dǎo)致注入載流子被強(qiáng)電場(chǎng)掃出輻射區(qū)域，影響表觀壽命的測(cè)量準(zhǔn)確度。2.注入水平：載流子壽命的測(cè)試應(yīng)在小注入條件下進(jìn)行，否則載流子壽命與外加電場(chǎng)的大小有關(guān)。3.高次模的抑制。高頻光電導(dǎo)衰減法v為免除樣品加工的麻煩而直接對(duì)各種原形材料進(jìn)行載流子壽命測(cè)量，可在直流電導(dǎo)衰減法基礎(chǔ)上，采取電容耦合方式將高頻載波信號(hào)耦合到勿須加工的待測(cè)晶錠上，利用信號(hào)的調(diào)制-載波-解調(diào)原理，將光生載流子密度的衰減過程通過一個(gè)調(diào)幅正弦波表現(xiàn)出來，經(jīng)放大