《半導(dǎo)體測試與分析》PPT課件

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1、半導(dǎo)體材料的測試分析前言半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)和缺陷的重要性隨著半導(dǎo)體技術(shù)和科學(xué)的發(fā)展，對雜質(zhì)和缺陷的檢測方法在準(zhǔn)確性和精度方面要求越來越高檢測內(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)的宏觀測量轉(zhuǎn)移到對表面、界面及薄膜的組分、結(jié)構(gòu)和特征參數(shù)的細(xì)微研究。從對雜質(zhì)和缺陷宏觀效果評價(jià)發(fā)展到對他們電子結(jié)構(gòu)及相互作用的探索人類在自然科學(xué)和工程技術(shù)方面的長足進(jìn)步，也為半導(dǎo)體材料的檢測和分析提供了多種物理、化學(xué)方法電阻率與雜質(zhì)濃度測試電阻率是半導(dǎo)體材料最重要的電特性之一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)半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的電

2、阻率測量是十分頻繁的，也是非常關(guān)鍵的。準(zhǔn)確易行的電阻率測量方法對于保證器件質(zhì)量以及新材料、新器件、新工藝的開發(fā)都是十分必要的。半導(dǎo)體電阻率的測量與導(dǎo)體的電阻率測量是有區(qū)別的1、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在接觸處產(chǎn)生擴(kuò)展電阻。尤其是對金屬—半導(dǎo)體點(diǎn)接觸，這個(gè)擴(kuò)展電阻會很大，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)用歐姆表來測量半導(dǎo)體時(shí)，這個(gè)巨大的接觸電

3、阻就會使結(jié)果面目全非，毫不可信。2、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)散長度，因而對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，上述方法對測量金屬導(dǎo)體的電阻率是精確的。3、由非平衡載流子的電注入效應(yīng)可以想到，如果被測半導(dǎo)體是n型，那么測量電流將通過正電極向半導(dǎo)體注入空穴；若被測半導(dǎo)體是P型則會從負(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

4、于載流子的熱平衡密度，因而測量結(jié)果不能反映材料電阻率的真正大小。對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。半導(dǎo)體的特殊性使我們在測量其電阻率時(shí)不能使用測量金屬導(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。探針法、C—V測試法、霍爾測試法等等。在這些方法中，探針法最簡便易行，因而使用面最廣。探針法依其測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原理就是用兩根探針測量該物體兩點(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。導(dǎo)致該物體內(nèi)有電位分布的電流，是

5、由另外的探針或其他形式的電極注入的。用歐姆表直接測量半導(dǎo)體電阻率的失敗，根本原因在于測試電流的輸入和該電流在被測樣品上產(chǎn)生的壓降的測量共用一對探針。如果我們使二者分開，用一對探針專門測量被測樣品某兩個(gè)等位面或某兩點(diǎn)之間的電位差，不讓測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量半導(dǎo)體電阻率的基本出發(fā)點(diǎn)。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，則樣品的電阻率為兩個(gè)改進(jìn)措施補(bǔ)償法來

6、測量電壓，以避免探針與半導(dǎo)體之間高阻接觸對測量結(jié)果的影響兩個(gè)端電極與被測半導(dǎo)體之間為歐姆接觸，因而避免了少數(shù)載流子的注入二探針法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)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缺點(diǎn)：對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)用中頗不方便四探針法用四探針法測量半導(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，然后借助于兩根內(nèi)探針測量該電流場中某兩點(diǎn)間的電位差U。電流場理論對各種樣品形狀提

7、供了I、U與樣品材料電阻率ρ之間的函數(shù)關(guān)系。第一類情形：半無限大樣品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探針的布置方法材料電阻率的表達(dá)式不等距四邊形觸點(diǎn)在同一直線不等距觸點(diǎn)等距直線排列正方形探針排列第二類情形：“無限大”薄層樣品對于等距直線布置觸點(diǎn)，薄層電阻率可表示為用四探針法測小樣品電阻率時(shí)的修正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。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)解究競對多大的樣品尺寸才適合，尺寸不合適的樣品該怎樣修正修正的理論依據(jù)電場問題的單值定理指出，滿足邊界條件的解必有

8、且只有一個(gè)。對于某個(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