四探针测试原理与操作

四探针测试原理与操作目录四探针测试操作方法03.直线四探针测试技术原理分析02.探针法测试技术概述01.通常，半导体材料的电学性能主要包括电阻率、导电类型、载流子浓度及其分布、迁移率和少子寿命等，其中电阻率是最直接、最重要的参数。在室温下，半导体材料的电阻率一般为10^(-5)～10^(9)

Ω·cm，它是介于导体与绝缘体之间的一种固体材料，它反映了补偿后的杂质浓度，与半导体中的载流子浓度有直接的关系，是判断半导体材料掺杂浓度的主要参数之一。在测试半导体电阻率时，一般使用探针法。探针法测试半导体材料电阻率可以分为两探针、三探针和四探针法三种。一、探针法测试技术概述两探针法通常，利用具有两根金属探针的万用表，可以测量材料的电流与电压，从而得到材料的电阻率。但是对于半导体而言，金属材料与半导体材料之间直接接触会产生以下问题：金属材料与半导体材料之间可以构成多数载流子的势垒，使界面缺乏载流子，从而产生很大的电阻，这种电阻称为阻挡层电阻。探针与半导体材料之间的扩散电阻也会影响半导体材料的电阻率测量。阻挡层电阻与扩散电阻都是金属探针与半导体接触所引起的，统称为“接触电阻”。因此，为了避免接触电阻，通常的做法是：在试样合适的位置上，制作两个欧姆电极，然后再将金属探针或导线从电极上引出，这样可以避免金属与半导体材料直接接触产生的接触电阻。一、探针法测试技术概述两探针法两探针法测试半导体材料电阻率示意图一、探针法测试技术概述两探针法虽然两探针法可以利用欧姆电极消除金属和半导体材料之间所产生的接触电阻，但是制作电极费时费事，一般较少采用。如上图所示，流经半导体样品中的电流I为：I=Vs/RsRs为串联的标准电阻；Vs为标准电阻上的电压降（电位差）。样品电阻率为：ρ=（VT·D）/（I·L)VT为样品上距离为L的两个等位面处的电位差；

D为样品的横截面积。这样测出的电阻率与接触电阻无关。一、探针法测试技术概述

三探针法三探针法是利用金属探针与半导体材料接触处的反向电流-电压特性、测定击穿时的电压来获得半导体材料电阻率的。当金属探针与半导体材料接触，金属探针处在反向偏置时，外加电压全部降在接触处，在半导体材料中会产生空间电荷区，由于区内电场很大，区中的空穴和电子可以在其作用下获得很高的能量。它们与晶格原子碰撞时，能把价带电子激发到导带，形成电子-空穴对，这种现象称为碰撞电离。随着外加电压的增加，电场强度进一步增大时，通过逐次碰撞电离使得载流子倍增，因而反向电流迅速增大而致雪崩击穿。由于雪崩击穿的发生与电场强度密切相关，而电场强度又取决于空间电荷量，因此击穿电压与掺杂浓度有关。一、探针法测试技术概述

三探针法三探针法测试原理图从上图中可以看出，探针3是电流与电压公用探针，是为了提高测量重复性而引入的。电压显示单元采用示波器、X-Y记录仪或峰值电压计等。通常将外加电压增加而电流停止增加时的最大电压值定义为击穿电压VB，通过查lgVB-lgρ曲线获得材料电阻率数值。一、探针法测试技术概述

四探针法四探针发展历史1865年汤姆森首次提出四探针测试原理；1920年Schlunberger第一次实际应用，测量地球电阻率；1954年Valdes第一次用于半导体电阻率测试；1980年代具有Mapping技术的四点探针出现；1999年Pertersen开发出首台微观四点探针一、探针法测试技术概述

四探针法四探针法用于测量半导体材料（厚材和薄片）电阻率以及硅片上的扩散层、离子注入层的方块电阻，也可以测量玻璃或其他绝缘材料上所形成的导电膜方块电阻。四探针测试技术已经成为半导体生产工艺中应用最为广泛的工艺监控手段之一。所谓“四探针测试法”，就是利用点电流源向样品中注入小电流，形成等电位面，通过检测样品不同部位的电位差，并根据理论计算公式，可以得出半导体材料的电阻率。由于该方法测试简单，数据处理简单，应用非常广泛。一、探针法测试技术概述

四探针法四探针测试方法分类四探针测试技术方法分为直线四探针法和方形四探针法。方形四探针法又分为竖直四探针法和斜置四探针法。方形四探针法具有测量较小微区的优点，可以测试样品的不均匀性，微区及微样品薄层电阻的测量多采用此方法。此外，四探针法按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改进的范德堡法等。值得提出的是每种方法都对被测样品的厚度和大小有一定的要求，当不满足条件时，必须考虑边缘效应和厚度效应的影响问题，对测试结果进行修正。下面将重点介绍直线四探针测试方法。一、探针法测试技术概述体电阻率的测量四根等距探针竖直的排成一排，使之垂直地压在一块相对于探针间距可视为半无穷大的样品上，用恒流源给两个外探针（1、4两处探针）通以小电流I，精准电压表测量内侧两探针（2、3两处探针）间电压V，根据相应理论公式计算出样品的薄膜电阻率。图1.四探针测量原理图图2.四探针测试电流流经样品示意图二、直线四探针法测试原理分析体电阻率的测量电阻率公式为：其中V23为图中2号和3号探针间的电压值，C为四探针的探针系数，它的大小取决于四根探针的排列方法与针距。在无穷大的样片上，当四根探针处于同一平面并且处于同一直线上，并且有r12=r23=r34=S时，那么C=2πS，样品的电阻率为：这就是常见的直线四探针法等间距测试电阻率的公式。对于固定间距的探针而言，探针系数为常数。

二、直线四探针法测试原理分析薄层电阻（方块电阻）的测量半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻。薄层电阻（或称为方块电阻）的概念是为了表征半导体薄膜样品或者是薄的掺杂层的电阻率而引入的。当待测样品很薄，即样品厚度XJ和探针间距S满足W/S﹤0.5条件时则薄层电阻率为：从上式可以看出，薄层材料的电阻率测试与探针间距没有关系。二、直线四探针法测试原理分析薄层电阻（方块电阻）的测量对于厚度为Xj的薄层材料而言，薄层电阻Rs和薄层材料电阻率ρ之间的关系为：因此，由式（2-1）与（2-2）可得：在样品无限薄的情况下，可以近似认为样品对于四探针测试仪满足二维半无限大平面的条件，可得：

ρ=Rs·XJRs=Bo·V23/I式中Bo为所测薄层电阻的修正因子。Bo=π/(In2)=4.532Rs=4.532·V23/I这就是常用的方块电阻计算公式，Rs的单位为欧姆，通常用符号Ω/口表示。二、直线四探针法测试原理分析薄层电阻（方块电阻）的测量如果样品不满足二维半无限大平面的条件，即样品的厚度或直径对于探针间距而言不可忽略时，需要对所测薄层电阻的修正因子Bo进行修正。

需要注意的是，薄层电阻表示一个正方形薄层的电阻，所以取名为方块电阻。其一个很重要的特性是：它与正方形边长的大小无关，即任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1m还是0.1m，它们的方块电阻都是一样的。二、直线四探针法测试原理分析直线四探针法测准条件分析测量区域的电阻率应该是均匀的，为此针距不宜过大，一般采用1mm较为合适。四根探针应该处于同一平面的同一条直线上，因此样品表面应该平整。四探针应与试样应有良好的欧姆接触。因此探针应当比较尖，与样品的接触点应为半球形，使电流入射状发散，且接触半径应远远小于针距。电流通过样品时不应该引起样品的电导率发生变化。因为由探针流入到半导体样品中的电流往往是以少子方式注入的。例如n型材料样品，电流往往不以电子（多子）从样品流出进入探针，而是以空穴（少子）向n型样品注入。这种少子注入效应随电流密度增加而增加，当电流密度较大时，注入到样品的少子浓度就可以大大增加，以致样品在测量区域的电导率增加，这样测量出的电阻率就不能代表样品的实际电阻率。因此，应在小注入弱电场情况下进行测量。二、直线四探针法测试原理分析直线四探针法测准条件分析上面提到的少子注入效应，一方面与电流密度有关；另一方面还与注入处的表面状况和样品本身电阻率有关。因为注入进去的少子时非平衡载流子，依靠杂质能级和表面复合中心与多子相复合，因此如果材料的本身电阻率低，那么非平衡少子寿命也低。若表面经过粗磨或喷砂处理，产生很多复合中心，这样注入到样品中的少子就在探针与样品接触点附近很快复合掉，减少了少子对测量区电导率的影响，从而保证电阻率测量的正确性。电阻率测量值要通过测量2、3探针间的电位差进行换算。用电压表测量会产生压降，因此，要测量精确的电压V23，所以规定使用电位差计或高输入阻抗的电子仪器（如多位数字电压表）来进行测量。二、直线四探针法测试原理分析直线四探针法测准条件分析电流I在测量间应该保持恒定。特别是探针压力不够时，往往会发生变动。另外，电流I的大小还与电流表的精度有很大的关系应关注探针间距对测试结果的影响。探针间距直接关系到四探针电阻率的计算，因此，如果间距都相等，那么测定间距的任何误差都转化为相同的电阻率的误差。测量区域、边缘修正和厚度修正：一般当样品直径方向上最小尺寸大于40S（S为探针间距）时，边缘效应的修正因子就不需要再修正；样品厚度大于5S时，厚度修正因子也不需要修正。薄片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，因此测量时需提供修正系数。测试环境与温度修正：一般来说，四探针测试过程中要求测试室的环境恒温、恒湿、避光、无磁、无震。通常四探针电阻率测量的参考温度为23±0.5℃。二、直线四探针法测试原理分析测量电流的选择在测量过程中，通过样品的电流从两方面影响电阻率：（1）少子注入并被电场扫到2、3内探针附近使电阻率减小。（2）当电流较大时使样品发热，样品测量区温度升高。一般杂质半导体当温度升高（在室温附近）时，载流子的晶格散射作用加强，会引起电阻率的升高。少子注入的影响取决于电流I、探针间距及少子寿命等。电流大，针距小，少子寿命长，影响就大，为此测量时应注意以下几点：（1）为增加表面复合，减少少子寿命及避免少子注入，被测表面需粗磨或喷砂处理。（2）选取容易得到欧姆接触的材料做探针，并给与一定的接触压力，以减少少子注入的影响。（3）适当加大探针间距，但又要保证在测量区域内电阻率均匀。二、直线四探针法测试原理分析测量电流的选择综上所述，为了避免电流通过样品时产生焦耳热和少子注入的影响，应适当减小测量电流。（4）应当降低测量电流以保证测量在弱电场下进行。若样品中电场过强，则少子的漂移距离很长，使样品的电导率增大。少子注入一般对高阻样品影响较大，因为高阻样品本身多子浓度低，少子寿命长，因此少子的漂移距离长一些。对低阻硅来说，为了得到一定一定大小的电压往往要求测量电流大一些，这时误差主要由焦耳热引起。二、直线四探针法测试原理分析开机准备检查测试仪器运行的环境要求是否合适，检查电力供应是否正常，所有条件具备后，启动电脑，启动测试台。注意开机需要预热5分钟。物料准备着装要求：按照扩散车间工作要求，穿戴好洁净服，手套和一次性口罩。抽取测试片：用镊子从出炉石英舟上一次取下5片测试片，抽取的顺序和位置应该从炉尾的石英舟开始抽取，从炉尾石英舟抽取第一片，炉口石英舟抽取最后一片，抽取中间三片分别是第一片和最后一片中间石英舟的均匀分布点。三、四探针测试操作方法上料在检查测试台无碎片的情况下，把待测硅片放置测试机上，扩散面朝上，开始测试。三、四探针测试操作方法测试每片硅片要求测试五个点，分别为：中点、左上、右上、左下、右下，测试时先从炉口的第一片开始测试，后按顺序一直测试到炉尾的最后一片。测试结束做好数据记录。测试出来的方块电阻应控制在要求范围内，若超出范围，应及时通知工艺人员，由工艺人员做出调整。测试方阻的Mapping测试方阻操作三、四探针测试操作方法测试温区中心右上右下左上左下平均方阻片内极差片内方阻不均匀性片间方阻不均匀性25点方阻不均匀性总平均方阻173.872.169.473.172.672.24.43.07%4.38%8.89%69.1275.275.074.868.469.272.56.84.72%367.766.767.969.565.567.54.02.99%468.863.065.869.866.366.76.85.13%567.662.966.870.464.566.47.45.58%测试方阻的数据：以方阻的Mapping为例，可以看出方阻在片内分布很不均匀，中心方阻高，四边