半导体测试与分析.ppt
半导体材料的测试分析,前言,半导体材料中杂质和缺陷的重要性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,电阻率是半导体材料最重要的电特性之一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材料、控制工艺条件的重要依据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。,半导体电阻率的测量与导体的电阻率测量是有区别的1、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。2、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。,3、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，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。,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。探针法、CV测试法、霍尔测试法等等。在这些方法中，探针法最简便易行，因而使用面最广。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,电位探针法原理就是用两根探针测量该物体两点或两等位面间的电位差，然后根据一定的理论公式换算出该物体的电阻率。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。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。,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,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,二探针法的优点和缺点优点：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,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。,第一类情形：半无限大样品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探针的布置方法,材料电阻率的表达式不等距四边形触点在同一直线不等距,触点等距直线排列,正方形探针排列,第二类情形：“无限大”薄层样品对于等距直线布置触点，薄层电阻率可表示为,用四探针法测小样品电阻率时的修正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。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,修正的理论依据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。,工程上往往采用一种“镜象法”的方法，使问题简化。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，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。,（1）对第一类情形的修正第一修正因子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。,如果探针和边界平行,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。,第二修正因子对薄片的修正,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。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。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。,第3种修正因子对圆棒测试的修正对于这种边界，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,一些典型(Rs)值下的修正因子F3如表53所示。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。,对第二类情形的修正第4种修正因子一对薄层厚度的修正,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。在实际应用中，厚度在12探针间距以下的薄层就可以按无限薄的薄层处理,第5种修正因子对圆形薄层的修正,修正因子F5定义为,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。,第6种修正因子针对矩形薄层的修正,用四探针法测量半导体电阻率应注意的问题一、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。ro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的大小差不多是被测样品电阻率数值的千倍左右。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。,二、探针尖的处理：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50pm以下。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，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。采用钨针时，可用NaOH溶液电解腐蚀法形成合适的针尖。,三、探针须固定，并有一定的刚性。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。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。,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。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。因此，在可能的情况下，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。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。,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。,六、光电导效应和光伏效应的影响 特别是对近本征材料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。,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，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。,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，必须采取必要的屏蔽措施。,九、须对电阻率的测试结果进行温度修正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。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。,十、测试电路的选择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。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。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,俄歇电子能谱仪,俄歇电子能谱仪（Auger Electronic Spectrom，AES），作为一种最广泛使用的分析方法。优点：在靠近表面5-20埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快；能探测周期表上He以后的所有元素。它可以用于许多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。俄歇效应虽然是在1925年时发现的，但真正使俄歇能谱仪获得应用却是在1968年以后。,少数载流子的寿命测试,少数载流子的寿命测试包括瞬态法和稳态法两大类。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；,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。本节中介绍了几种常用的方法：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。,
