半導(dǎo)體物理及器件 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)院系： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)： 微電子 課程： 半導(dǎo)體物理與器件 編者： 孫瑋 目 錄實(shí)驗(yàn)一 四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體電阻率和方塊電阻 1實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體非平衡少子壽命測(cè)試 10 實(shí)驗(yàn)一 四探針?lè)y(cè)量半導(dǎo)體電阻率一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?硅單晶的電阻率與半導(dǎo)體器件的性能有著十分密切的關(guān)系，半導(dǎo)體電阻率的測(cè)量是半導(dǎo)體材料常規(guī)參數(shù)測(cè)量項(xiàng)目之一。測(cè)量電阻率的方法很多，如三探針?lè)?、電容電壓法、擴(kuò)展電阻法等。四探針?lè)▌t是一種廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，在半導(dǎo)體工藝中最為常用，其主要優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，精確度高，對(duì)樣品的幾何尺寸無(wú)嚴(yán)格要求。四探針?lè)ǔ擞脕?lái)測(cè)量半導(dǎo)體材料的電阻率以外，在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中還廣泛用來(lái)測(cè)

2、量擴(kuò)散層薄層電阻，以判斷擴(kuò)散層質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求。因此，薄層電阻是工藝中最常需要檢測(cè)的工藝參數(shù)之一。本實(shí)驗(yàn)的目的是掌握四探針?lè)y(cè)量電阻率和薄層電阻的原理及測(cè)量方法，針對(duì)不同幾何尺寸的樣品，掌握其修正方法；了解影響電阻率測(cè)量的各種因素和改進(jìn)措施。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 對(duì)所給的各種樣品分別測(cè)量其電阻率；2. 對(duì)同一樣品，測(cè)量五個(gè)不同的點(diǎn)，由此求出單晶斷面電阻率不均勻度；三、實(shí)驗(yàn)原理與方法：1半導(dǎo)體材料電阻率的測(cè)量將四根探針加在待測(cè)半導(dǎo)體材料樣品表面，由外面兩根探針接恒流源，電流為，由中間兩根探針測(cè)電壓，從而求出材料的電阻率，它在很大程度上消除了探針的接觸勢(shì)壘及注入效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。圖1.1設(shè)樣品為

3、半無(wú)窮大，若樣品的電阻率均勻，引入點(diǎn)電流源的探針其電流強(qiáng)度為，則所產(chǎn)生的電力線具有球面的對(duì)稱性，即等位面為一系列以點(diǎn)電流為中心的半球面，如圖1.1所示。在以r為半徑的半球面上，電流密度的分布是均勻的。 (1-1）若E為r處的電場(chǎng)強(qiáng)度，則 (1-2）由電場(chǎng)強(qiáng)度和電位梯度以及球面對(duì)稱關(guān)系，則取r為無(wú)窮遠(yuǎn)處的電位為零，則 (1-3）(1-3）式就是半無(wú)窮大均勻樣品上離開(kāi)點(diǎn)電流源距離為r的點(diǎn)的電位與探針流過(guò)的電流和樣品電阻率的關(guān)系式，它代表了一個(gè)點(diǎn)電流源對(duì)距離r處的點(diǎn)的電勢(shì)的貢獻(xiàn)。圖1.2對(duì)圖1.2所示的情形，四根探針位于樣品中央，電流從探針1流入，從探針4流出，則可將1和4探針認(rèn)為是點(diǎn)電流源，由(1

4、-3)式可知，2和3探針的電位為： (1-4） (1-5）探針2、3的電位差為： (1-6）由此可得出樣品的電阻率為： 圖1.4 (1-7）圖1.3上式就是利用直流四探針?lè)y(cè)量電阻率的普遍公式。我們只需測(cè)出流過(guò)1、4探針的電流以及2、3探針間的電位差，代入四根探針的間距，就可以求出該樣品的電阻率。圖1.3實(shí)際測(cè)量中，最常用的是直線型四探針，即四根探針的針尖位于同一直線上，并且間距相等，如圖1.3所示。設(shè)，則有 (1-8）式(1-8）就是常見(jiàn)的直線四探針（等間距）測(cè)量電阻率的公式，這一公式是在半無(wú)限大樣品的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，實(shí)用中必需滿足樣品厚度及邊緣與探針之間的最近距離大于四倍探針間距，這樣才能使

5、該式具有足夠的精確度。如果被測(cè)樣品不是半無(wú)窮大，而是厚度，橫向尺寸一定，進(jìn)一步的分析表明，在四探針?lè)ㄖ兄灰獙?duì)公式引入適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)即可，此時(shí)： (1-9)修正系數(shù)與樣品的尺寸及所處條件的關(guān)系見(jiàn)表1.1和表1.2。圖1.4另一種情況是極薄樣品，極薄樣品是指樣品厚度比探針間距小很多，而橫向尺寸為無(wú)窮大的樣品，如圖1.4所示。這時(shí)從探針1流入和從探針4流出的電流，其等位面近似為圓柱面高為任一等位面的半徑設(shè)為，類似于上面對(duì)半無(wú)窮大樣品的推導(dǎo)，很容易得出當(dāng)時(shí)，極薄樣品的電阻率為： (1-10）上式說(shuō)明，對(duì)于極薄樣品，在等間距探針情況下、探針間距和測(cè)量結(jié)果無(wú)關(guān)，電阻率和被測(cè)樣品的厚度成正比。表1.1 四探

6、針平行于樣品邊緣的修正系數(shù) L/SS/d00.10.20.51.02.05.010.00.02.0001.96611.87641.51981.18901.03791.00291.00040.12.0021.971.881.521.191.0401.0041.00170.22.0151.931.891.531.201.0521.0141.00940.52.1882.152.051.701.351.1761.1091.09771.03.0092.972.872.451.981.6671.5341.5122.05.5605.495.344.613.723.1042.8382.7955.013.863

7、13.7213.3211.519.283.7447.0786.69910.027.72627.4326.7123.0318.5615.4914.15613.938說(shuō)明：樣品為片狀單晶，四探針針尖所連成的直線與樣品一個(gè)邊界平行，距離為L(zhǎng)，除樣品厚度及該邊界外，其余周界均為無(wú)窮遠(yuǎn)，樣品周圍為絕緣介質(zhì)包圍。同樣需要注意的是當(dāng)片狀樣品不滿足極薄樣品的條件時(shí)，仍需按(1-9)式計(jì)算電阻率。其修正系數(shù)列在表1.3中。表1.2 四探針垂直于樣品邊緣的修正系數(shù) L/SS/d00.10.20.51.02.05.010.00.01.45001.33301.25551.13331.05951.01941.00281

8、.00051.00000.11.45011.33311.25561.13351.05971.01931.00351.00151.00090.21.45191.33521.25791.13641.06371.02551.01071.00841.00700.51.52851.41631.34761.23071.16481.12631.10291.09671.09391.02.03351.92561.85261.72941.63801.56901.52251.51021.50452.03.72363.56603.44863.22623.04702.90902.81602.79132.77995.09

9、.28158.89438.60258.04727.59917.25427.02166.96006.931510.018.563017.783617.205016.094415.198314.508314.043113.919913.8629說(shuō)明：樣品為片狀單晶，四探針針尖所連成的直線與樣品一個(gè)邊界垂直，探針與該邊界的最近距離為L(zhǎng)，除樣品厚度及該邊界外，其余周界為無(wú)窮遠(yuǎn)，樣品周圍為絕緣介質(zhì)包圍。表1.3 薄樣品的修正系數(shù)s/ds/ds/d0.11.00090.61.15121.21.73290.21.00700.71.22251.41.9090.31.02270.81.30621.62.2410

10、0.41.05110.91.40081.82.50830.51.09391.01.50452.02.77992.53.4674說(shuō)明：樣品為片狀單晶，除樣品厚度外，樣品尺寸相對(duì)探針間距為無(wú)窮大，四探針垂直于樣品表面測(cè)試，或垂直于樣品側(cè)面測(cè)試。2擴(kuò)散層的薄層電阻測(cè)量圖1.5四探針?lè)ㄔ诎雽?dǎo)體工藝中還普遍用來(lái)測(cè)量擴(kuò)散層的薄層電阻，由于反向PN結(jié)的隔離作用，擴(kuò)散層下的襯底可視為絕緣層，對(duì)于擴(kuò)散層厚度(即結(jié)深)遠(yuǎn)小于探針間距S，而橫向尺寸無(wú)限大的樣品，則薄層電阻率又稱方塊電阻，其定義就是表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向所呈現(xiàn)的電阻，見(jiàn)1.5圖，單位為/。所以： (1-11）因此有： (1-12）實(shí)際的

11、擴(kuò)散片尺寸一般不很大，并且實(shí)際的擴(kuò)散片又有單面擴(kuò)散與雙面擴(kuò)散之分，因此，需要進(jìn)行修正，修正后的公式為： (1-13)式中見(jiàn)表1.4和3.5。表1.4 單面擴(kuò)散樣品薄層電阻修正系數(shù)圓長(zhǎng) 方 形1.00.99880.99941.251.24671.22481.51.47881.48931.48931.751.71961.72381.72382.01.94541.94751.94752.52.35322.35412.35413.02.26622.45752.70002.70052.70054.02.92893.11373.22463.22483.22485.03.36253.50983.57493.

12、37503.57507.53.92734.00954.03614.03524.036210.04.17164.22094.23574.23574.235715.04.36464.38824.39474.39474.394720.04.43644.45164.45534.45534.455340.04.50764.51204.51294.51294.51294.53244.53244.53244.53214.5321說(shuō)明：四探針的中心點(diǎn)在樣品的中心表1.5 雙面擴(kuò)散樣品薄層電阻修正系數(shù) 圓長(zhǎng) 方 形1.01.99761.94971.252.37412.35501.52.95752.71132.7

13、0101.753.15962.99532.98872.03.33813.22953.22482.53.64083.57783.57513.04.53244.91243.85433.81273.81094.04.53244.64774.11134.08994.03885.04.53244.57904.25044.62324.23567.54.53244.54154.40084.39464.394310.04.53244.53534.45714.45364.453515.04.53244.53294.49854.49694.496920.04.53244.53264.51324.51244.512

14、440.04.53244.53254.52754.52734.52734.53244.53244.53244.52344.5324說(shuō)明：四探針的中心點(diǎn)在樣品的中心四、實(shí)驗(yàn)條件：本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試裝置主要由四探針頭和RT-8型四探針測(cè)深儀組成。測(cè)試要求四探針頭的導(dǎo)電性能必須好，且質(zhì)硬耐磨。針尖的曲率半徑25-50m，四根探針要固定且等距排列在一條直線上，其間距通常為1mm，探針與被測(cè)樣品間的壓力一般為20牛頓左右。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1. 接好測(cè)量線路；2. 將被測(cè)樣品表面用金鋼砂研磨(指單晶硅樣品)，沖洗干凈后，再用酒精棉球擦洗干凈，晾干，這樣處理后就可以獲得新鮮磨毛的測(cè)試平面，以使探針和樣品實(shí)現(xiàn)較好的歐

15、姆接觸，當(dāng)樣品與室溫相同后方可開(kāi)始測(cè)量。注意：操作過(guò)程中保持樣品的清潔，不要用手觸摸樣品表面；3. 放置樣品于測(cè)試臺(tái),操作探針臺(tái)壓下四探針頭,使樣品接通電流；4. 估計(jì)測(cè)試樣品的測(cè)量范圍，確定測(cè)試的電流量程；5. 根據(jù)四種測(cè)試類別各自的測(cè)試電流公式得出測(cè)試電流值；7. 在選擇電流狀態(tài)下調(diào)節(jié)主機(jī)電位器使測(cè)試電流為計(jì)算出的電流；8.切換到電阻測(cè)量狀態(tài)，根據(jù)不同測(cè)試類別，獲得電阻率、方塊電阻、電阻值。六、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1.為增加表面復(fù)合，減少少子壽命及避免少子注入，被測(cè)表面需粗磨或噴砂處理；2.對(duì)高阻材料及光敏材料，由于光電導(dǎo)及光壓效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響電阻率的測(cè)量，這時(shí)測(cè)量應(yīng)在暗室進(jìn)行；3.電流要選擇適

16、當(dāng)，電流太小影響電壓檢測(cè)精度，電流太大會(huì)引起發(fā)熱或非平衡載流子注入；4.半導(dǎo)體材料的電阻率受溫度的影響十分敏感，因此，必須在樣品達(dá)到熱平衡情況下進(jìn)行測(cè)量并記錄測(cè)量溫度；5.由于正向探針有少子注入及探針移動(dòng)的存在，所以在測(cè)量中總是進(jìn)行正反兩個(gè)電流方向的測(cè)量，然后取其平均以減小誤差。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1. 對(duì)所給樣品測(cè)量五個(gè)不同的點(diǎn)，計(jì)算(修正)當(dāng)I=1mA時(shí)的電阻率；2. 對(duì)樣品進(jìn)行不同電流但測(cè)量點(diǎn)相同情況下的測(cè)量，計(jì)算(修正)同點(diǎn)電流不同時(shí)的電阻率；3. 對(duì)上述情況計(jì)算方塊電阻值實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體非平衡少子壽命測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?熟悉半導(dǎo)體中非平衡載流子的產(chǎn)生、消失原理及特性，掌握用非平衡載流子

17、壽命測(cè)試儀和示波器觀測(cè)、測(cè)試壽命的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.了解非平衡少子壽命測(cè)試儀和示波器的工作原理及使用方法。2.測(cè)試不同起始濃度下非平衡少子壽命，比較實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的少子壽命曲線的區(qū)別。檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性及穩(wěn)定性。3.改變示波器的實(shí)驗(yàn)參量設(shè)置，觀察實(shí)驗(yàn)參量設(shè)置對(duì)少子壽命曲線的影響，學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的曲線進(jìn)行選取的有效方法。三、實(shí)驗(yàn)原理與方法：1. 熱平衡態(tài)和熱平衡載流子熱平衡態(tài)：沒(méi)有外界作用，半導(dǎo)體材料有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，和確定的載流子濃度。熱平衡時(shí)，電子和空穴的產(chǎn)生率等于復(fù)合率。2.非平衡態(tài)和非平衡載流子1）如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，半導(dǎo)體材料的載流子濃度對(duì)熱平衡態(tài)下的載流子濃度發(fā)生偏離，這時(shí)材料

18、所處的狀態(tài)為非平衡狀態(tài)。2）非平衡載流子的引入方法有光注入和電注入。根據(jù)注入程度的不同，又分為小注入和大注入，通常我們只研究小注入的情況。3）半導(dǎo)體中載流子隨時(shí)間變化的過(guò)程，稱為弛豫過(guò)程，如下圖2-1所示3. 非平衡載流子的平均生存時(shí)間 稱為非平衡載流子的壽命。以一塊n 型半導(dǎo)體為例，在t=0 時(shí)刻，非平衡載流子濃度為(P)0，此時(shí)停止光照，非平衡載流子濃度隨時(shí)間衰減P(t)= (P)0e-t/，則壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度衰減至起始值的1/e倍時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，如圖2-2所示。圖2-1 弛豫過(guò)程 圖2-2 少子壽命 四、實(shí)驗(yàn)條件：本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試裝置主要由LT-2型單晶少子壽命測(cè)深儀和示波器組成。少子壽命測(cè)深儀根據(jù)國(guó)際通用的高頻光電導(dǎo)衰退法的原理設(shè)計(jì)，備有紅外光源，測(cè)試靈敏度較高。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1. 接通電源，用高頻連接線將少子壽命測(cè)深儀的信號(hào)輸出與示波器的Y輸入接替，開(kāi)機(jī)并預(yù)熱15分鐘；2. 將清潔處理后的樣品置于電極上，檢波電壓出現(xiàn)；3截圖紅外發(fā)光管工作電源，調(diào)整電壓；4. 調(diào)整示波器電平、釋抑時(shí)間內(nèi)同步及調(diào)整各有關(guān)參數(shù)，是輸出光電導(dǎo)信號(hào)波形穩(wěn)定，并盡量與屏幕標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)曲線吻合；5. 觀測(cè)波形并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1. 了解少子壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)習(xí)使用實(shí)驗(yàn)儀器；2. 如何處理光電導(dǎo)信號(hào)衰減波形偏離指數(shù)曲線的情況？3. 實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的不同光強(qiáng)下少子壽命的數(shù)值對(duì)比、分析