半导体测试与分析1

1、半导体材料的测半导体材料的测 试分析试分析 前言前言 v半导体材料中杂质和缺陷的重要性 v随着半导体技术和科学的发展，对杂质和缺陷的 检测方法在准确性和精度方面要求越来越高 v检测内容也发生了变化。 从材料缺陷宏观观察和电学性质的宏观测量转移到对 表面、界面及薄膜的组分、结构和特征参数的细微研究。 从对杂质和缺陷宏观效果评价发展到对他们电子结构 及相互作用的探索 v人类在自然科学和工程技术方面的长足进步，也 为半导体材料的检测和分析提供了多种物理、化 学方法 电阻率与杂质浓度测试电阻率与杂质浓度测试 v电阻率是半导体材料最重要的电特性之一 v电阻率值的大小是设计器件参数以及器件制造过 程中选择

2、材料、控制工艺条件的重要依据 v半导体生产过程中的电阻率测量是十分频繁的， 也是非常关键的。准确易行的电阻率测量方法对 于保证器件质量以及新材料、新器件、新工艺的 开发都是十分必要的。 v半导体电阻率的测量与导体的电阻率测量是有区别的半导体电阻率的测量与导体的电阻率测量是有区别的 v1、在金属与半导体接触的界面附近也要产生一个耗尽层。因为金属的电子密度 极高，因而这个耗尽层展宽在半导体一边。耗尽层中只有不能自由运动的电离杂 质，它们不能参与导电，因而这是一个高阻层。同时，任何两种材料的小面积接 触都会在接触处产生扩展电阻。尤其是对金属半导体点接触，这个扩展电阻会 很大，人们常常把这两个因接触而

3、产生的高电阻统称为接触电阻。因此，当用欧 姆表来测量半导体时，这个巨大的接触电阻就会使结果面目全非，毫不可信。 v2、功函数不同的两种金属制品在接触时也要因接触电势差而在界面上出现一个 电荷偶层，但这个空间电荷层极薄，每边只有约一个原于层厚，远小于电子的扩 散长度，因而对载流子没有阻挡作用。同时，金属与金属的小面积接触的扩展电 阻也很小。因此，上述方法对测量金属导体的电阻率是精确的。 v3、由非平衡载流子的电注入效应可以想到，如果被测半导 体是n型，那么测量电流将通过正电极向半导体注入空穴； 若被测半导体是P型则会从负电极向半导体注入电子。这些 注入的少数载流子在外电场的驱使下向另一电极漂移，

4、参与 导电。在注入电极附近的某一范围内，载流子密度因此而高 于载流子的热平衡密度，因而测量结果不能反映材料电阻率 的真正大小。对于热平衡载流子密度较低的高阻材料，其接 触电阻更大，少子注入的影响也更加严重。 v半导体的特殊性使我们在测量其电阻率时不能使 用测量金属导体电阻率时通常使用的方法，而必 须使用根据其特点设计的一些专用方法。 v探针法、CV测试法、霍尔测试法等等。 v在这些方法中，探针法最简便易行，因而使用面 最广。 v探针法依其测试原理分为电位探针法、击穿探针 法、扩展电阻探针法 电位探针法电位探针法 v电位探针法原理电位探针法原理 v就是用两根探针测量该物体两点或两等位面间的 电位

5、差，然后根据一定的理论公式换算出该物体 的电阻率。 v导致该物体内有电位分布的电流，是由另外的探 针或其他形式的电极注入的。 v用欧姆表直接测量半导体电阻率的失败，根本原 因在于测试电流的输入和该电流在被测样品上产 生的压降的测量共用一对探针。如果我们使二者 分开，用一对探针专门测量被测样品某两个等位 面或某两点之间的电位差，不让测试电流通过这 两根探针，上述困难是完全可以克服的。这就是 利用电位探针法测量半导体电阻率的基本出发点。 v二探针法二探针法 用两根探针借助于电位差计量取 样品表面某两点(实际上是某两 个等位面)间的电位差U，并量出 流经样品的电流值I，即可算出 该两个等位面间的长方

6、体的电阻 值R。精确量出探针间距L及样 品截面积S， 则样品的电阻率为 v两个改进措施两个改进措施 补偿法来测量电压，以避免探针与半导体之间高 阻接触对测量结果的影响 1.两个端电极与被测半导体之间为欧姆接触，因而 避免了少数载流子的注入 v二探针法的优点和缺点二探针法的优点和缺点 v优点：不受样品尺寸大小的影响和电流源少子注入 的影响等 v缺点：对样品的形状和电阻率的均匀性要求严格， 而且还需要大面积的欧姆接触电极，在实际应用中 颇不方便 v四探针法四探针法 用四探针法测量半导体电阻率的基本实 验装置如图。 四根金属探针相互保持一定距离，同被 测半导体的某一平坦表面接触。恒流源 通过两外侧探

7、针向半导体样品输入稳定 电流I，在样品中产生一稳定电流场，然 后借助于两根内探针测量该电流场中某 两点间的电位差U。电流场理论对各种 样品形状提供了I、U与样品材料电阻率 之间的函数关系。 v第一类情形：半无限大样品第一类情形：半无限大样品 v如果电流源位于某一个界面上但距其余各界面足够远，则可视其为半 无限大 v探针的布置方法 v材料电阻率的表达式材料电阻率的表达式 v不等距四边形 v触点在同一直线不等距 v触点等距直线排列 正方形探针排列 v第二类情形：第二类情形：“无限大无限大”薄层样品薄层样品 v对于等距直线布置触点，薄层电阻率可表示为 v用四探针法测小样品电阻率时的修正用四探针法测小

8、样品电阻率时的修正 v两种无穷大边界是不存在的。任何半导体样品都只 有有限大小的尺寸。 v适当大的样品可以视为符合这两种解的要求。那么， 这两个解究竞对多大的样品尺寸才适合，尺寸不合 适的样品该怎样修正 v修正的理论依据修正的理论依据 v电场问题的单值定理指出，满足边界条件的解必有且只有一 个。 对于某个特定的边界，如果有一个解能满足它所要求的条件， 那么这个解就是唯一正确的，就能真实地反映该边界内的电 场分布。 从原则上说，只要边界条件确定，就可以通过求解拉普拉斯 方程或泊松方程确定其解 但实际情况往往比较复杂，难以对方程进行精确的求解。 v工程上往往采用一种 “镜象法”的方法，使问题简化。

9、 v其解又总可以表示为第1类情形的解或第2类情形的解与一个 因子的乘积， v可以把任何小样品当作情形1或情形2进行测量，但须在其测 试结果上乘或除以一个修正因子，这个因子与探针间距、探 针放置方式以及样品的形状与大小有关。 v（1）对第一类情形的修正）对第一类情形的修正 v第一修正因子第一修正因子对靠近边缘测量的修正对靠近边缘测量的修正 Po表示忽略有接近探针的边界存在时，按情形一测得 电阻率，F1v是考虑到边界影响时必须施加于Po的修 正因子，是边界距离与针距之比的函数。 v如果探针和边界平行 v当边界距离与探针间距 之比t/s3时，无论是哪 一种探针边界关系，其 相对误差部只有1左右。 所

10、以，只要测量中勿使 探针在任何方向上与最 近边界的距离超过针距 的三倍，即可作为勿须 修正的第一类情形处理。 v按半无穷大方式测量薄片电 阻率时误差很大，特别是针 距较大的时候。当薄片厚度 与探针间距之比w/s2， 仍然有接近10的相对误 差。 v如果加上仪器、电源、环境 温度以及光照等等其他因素 的影响，测量结果就很不准 确了。 v所以，对通常使用的半导体 薄片，因其厚度一般不到 1mm，即使是使用05mm 的小针矩，也需要考虑修正。 v第第3种修正因子种修正因子对圆棒测试的修正对圆棒测试的修正 v对于这种边界，不适合于用镜象法求解修正因子。 不过，在棒与外界绝缘的情况下，我们可以利用柱 坐

11、标求解相应的拉普拉斯方程，获得符合其边界条 件的解。 n 是常数，其值在n0时为1，在n1，2，3时为2；In 是修正的第一类贝塞尔函数 v 一些典型(Rs)值下的修正 因子F3如表53所示。 v表中数据表明，当被测圆捧 的半径与针距之比大于20时， 因所得结果仅有1的误差， 将其当半无穷大看待是完全 可以的。在大多数圆棒测试 的场合，这个条件都是能满 足的。 v对第二类情形的修正对第二类情形的修正 v第第4种修正因子一对薄层厚度的修正种修正因子一对薄层厚度的修正 v在这里我们也可以看 到，所谓无限薄这个 要求，实际是一个相 对条件。 v在实际应用中，厚度 在12探针间距以下 的薄层就可以按无

12、限 薄的薄层处理 v第第5种修正因子种修正因子对圆形薄层的修正对圆形薄层的修正 修正因子F5定义为 v一些典型ds值下的修正因子F5如表55所示。表 中数据表明，对于针距1mm的四探针系统，测量直 径30mm以上的圆形薄层时完全可以不考虑边界的 影响。 v第第6种修正因子种修正因子针对矩形薄层的修正针对矩形薄层的修正 v用四探针法测量半导体电阻率应注意的问题用四探针法测量半导体电阻率应注意的问题 v一、在电位探针与被测样品表面的接触界面处仍然存在着接一、在电位探针与被测样品表面的接触界面处仍然存在着接 触电阻。触电阻。 v vro是把接触面看成半球时的球半径，是一个m的尺寸，因而接触电阻Rs

13、的大小差不多是被测样品电阻率数值的千倍左右。 v为了避免这个大电阻对电位测量的影响， 应选用高内阻数字电压表或 电位差计来测量探针2、3之间的电位差。电位差计的阻抗要适中，阻抗 太高时测量不灵敏，太低又容易在接触上产生足以影响精确度的压降， 通常以阻抗不小于被测样品电阻率值十万到一百万倍为宜。 v二、探针尖的处理二、探针尖的处理： v以上的全部讨论都是从点电流源出发的，亦即探针与 被测表面的接触是半径很小的半球面，这就要求针尖 十分锐利，其曲率半径须在50m以下。 v如果针尖很秃，其接触就有可能是某种任意形状的小 平面或几个点，使电流源的性质发生变化。这种变化， 必然引起电场性质的变化。同时，

14、针尖太粗还可能导 致针距的改变。所有这些都有可能带来测量误差。 v采用钨针时，可用NaOH溶液电解腐蚀法形成合适的 针尖。 v三、探针须固定，并有一定的刚性三、探针须固定，并有一定的刚性。 v其摆动不仅会造成针距的变化，而且会引起接触电阻的变化。 v为了使探针与样品表面形成良好的欧姆接触，应在探针与被 测表面之间施加一定的压力，一般为12N。 v四、在测量过程中，电流探针有可能向被测四、在测量过程中，电流探针有可能向被测 样品注入少数载流于，需要极力避免。样品注入少数载流于，需要极力避免。 v对于高阻材料和少于寿命较高的材料，少子注入可能使电流 探针附近较大范围内的电阻率下降。 v因此，在可能

15、的情况下，采取对被测表面做粗磨处理，以提 高表面复合率、降低少子寿命。 v适当保持较宽的针距，对避免少数载流子的影响也是有益的。 v五、选取适当大小的测试电流。五、选取适当大小的测试电流。 测试电流的大小直接影响到注 入少子的浓度， 电流过大还会使测试区域因欧 姆热而升温，使载流子浓度增 加或使晶格振动加剧而降低载 流子的迁移率。 v六、光电导效应和光伏效应的影响六、光电导效应和光伏效应的影响 v v特别是对近本征材料 v测量应在暗室中进行，除非经验证明周围的光照对 测试结果并无明显影响。 v七、为了减少金属探针与半导体表面接触的七、为了减少金属探针与半导体表面接触的 整流效应，以及触点的非对

16、称性导电和不相整流效应，以及触点的非对称性导电和不相 等接触电阻等因素对测试结果精度的影响，等接触电阻等因素对测试结果精度的影响， 每一次测量都要用正反向电流各测一次，以每一次测量都要用正反向电流各测一次，以 两个测试值的平均作为测试结果。两个测试值的平均作为测试结果。 v八、当测试在靠近高频发生器的地方进行时，八、当测试在靠近高频发生器的地方进行时， 测量回路中可能会感生出乱真电流，因而应测量回路中可能会感生出乱真电流，因而应 尽量避免这种情况的发生。如果测试仪器不尽量避免这种情况的发生。如果测试仪器不 得不靠近这类电源放置时，必须采取必要的得不靠近这类电源放置时，必须采取必要的 屏蔽措施。

17、屏蔽措施。 v九、须对电阻率的测试结果进行温度修正九、须对电阻率的测试结果进行温度修正 v样品温度不仅与环境温度有关，还与测量电流产生 的欧姆热有关。 v简便的办法是在测量电阻率的同时测定被测样品的 实际温度，然后用温度系数把该温度下的电阻率测 量值换算成某个规定温度(例如23)下的标称值。 v十、测试电路的选择十、测试电路的选择 v对半导体单晶材料的四探针电阻率测试，一般采用 直流测量电路。 v对于多晶材料，为了避免晶粒间界的影响，须采用 交流测量电路。 v对于热电材料，为了避免温差电效应对电阻率测试 的影响，一般也采用交流测量电路 少数载流子的寿命测试 v少数载流子的寿命测试包括瞬态法和稳

18、态法 两大类。 v瞬态法根据半导体样品从非平衡状态状态过 渡的快慢来确定载流子的寿命。包括以均匀 半导体材料作测试试样的光电导衰减法，双 脉冲法和相移法。以pn结作为测试对象的反 复时间测试法和开路电压衰减法； v稳态发根据半导体样品处于稳定平衡状态 下的某些与寿命有关的易测量的量。来换 算少数载流子寿命，包括扩散长度测试法， 稳态光电导法，光磁效应法以及光电压法 等等。 v本节中介绍了几种常用的方法： v直流光电导衰减法 这种方法简便迅速，结果比较可靠，但只 适用于锗和硅等具有间接禁带，少子寿命 较长的半导体材料。 v测量条件： 1.电场：样品量端电压不能太大，以免导致注 入载流子被强电场扫出辐射区域，影响表观 寿命的测量准确度。 2.注入水平：载流子寿命的测试应在小注入条 件下进行，否则载流子寿命与外加电场的大 小有关。 3.高次模的抑制。 高频光电导衰减法 v为免除样品加工的麻烦而直接对各种原形材 料进行载流子寿命测量，可在直流电导衰减 法基础上，采取电容耦合方式将高频载波信 号耦合到勿须加工的待测晶锭上，利用信号 的调制-载波-解调原理，将光生载流子密度的 衰减过程通过一个调幅正弦波表现出来，经 放大，检波之后