半導(dǎo)體材料第六章新

半導(dǎo)體材料第六章新第一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體單晶材料性能的評(píng)價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)完整性：晶向，晶格缺陷（位錯(cuò)密度）識(shí)別、密度、分布；絡(luò)合物的特征，組分分析：材料的化學(xué)成分及配比，摻雜原子性質(zhì)、濃度及其分布，氧碳含量，重金屬雜質(zhì)等導(dǎo)電性能：導(dǎo)電類型，電阻率，少子壽命、遷移率、擴(kuò)散長(zhǎng)度、表面復(fù)合速度等光學(xué)性能：薄膜材料的折射率，吸收系數(shù)，光電導(dǎo)特性，發(fā)光特性等

工業(yè)生產(chǎn)中，一般檢測(cè)的參數(shù)有：晶向，位錯(cuò)密度，氧碳含量，導(dǎo)電類型，電阻率，少子壽命等第二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、

定向：光學(xué)定向法；X光定向法2、缺陷：金相觀察法（與半導(dǎo)體專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相同）掃描電子顯微鏡（SEM）透射電子顯微鏡（TEM）原子力顯微鏡（AFM）X射線形貌技術(shù)第三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、組分分析1）摻雜濃度分析霍爾測(cè)量C-V測(cè)量二次離子質(zhì)譜儀（SecondaryIonMassSpectrometry）2）氧碳含量紅外吸收光譜技術(shù)第四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五3）重金屬等痕量雜質(zhì)分析俄歇電子能譜技術(shù)（AES）X光發(fā)射譜（XES）X光電子發(fā)射譜（XPS）中子活化分析（NAA）質(zhì)譜分析原子吸收光譜技術(shù)第五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、導(dǎo)電性能1）電阻率四探針法三探針法非接觸法擴(kuò)展電阻法第六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五三探針法（擊穿電壓法）應(yīng)用：測(cè)試n/n+或p/p+外延層電阻率原理：金屬-半導(dǎo)體接觸具有類似于突變pn結(jié)的特性，pn結(jié)雪崩擊穿電壓與材料電阻率ρ之間存在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系UB=Aρn。若測(cè)出肖特基結(jié)的擊穿電壓則可求出材料的電阻率。第七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五擴(kuò)展電阻測(cè)量用于測(cè)量側(cè)向電阻率變化測(cè)量范圍寬(1012–1021cm?3),分辨率高(30nm以內(nèi))測(cè)量過程標(biāo)準(zhǔn)化:樣品制備，探針準(zhǔn)備，測(cè)量過程，數(shù)據(jù)收集，校準(zhǔn)。第九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五原理探針的直徑通常為0.5mm左右，針尖的曲率半徑r0為20um。探針間距20-100um，步距數(shù)百?。第十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

擴(kuò)展電阻，金屬探針與均勻半導(dǎo)體形成壓力接觸且半導(dǎo)體的線度相對(duì)于探針和半導(dǎo)體的接觸半徑而言可視為窮大，若有電流從探針流入半導(dǎo)體，則電流在接觸點(diǎn)集中，而在半導(dǎo)體中沿方向呈輻射狀。此時(shí)探針止半導(dǎo)體底端的電阻可由微分電阻累加而得。

=

整個(gè)電阻主要集中在探針接觸點(diǎn)附近，因而這個(gè)電阻又叫集中電阻或擴(kuò)展電阻。

0.5mm探針形狀及尺寸

輻射狀電流示意圖第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五非接觸法常用于在線測(cè)量電阻線圈磁場(chǎng)感應(yīng)使導(dǎo)體中產(chǎn)生渦旋電流。給兩個(gè)間隔幾毫米的傳感器（鐵芯線圈）加上幾MHz的高頻電流,當(dāng)晶片插入傳感器的中間，通過高頻電感的耦合，在晶片內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦旋電流正比電導(dǎo)率和厚度，反比方塊電阻。線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)被導(dǎo)體電渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)部分抵消，使線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、導(dǎo)電類型冷熱探針法三探針法單探針點(diǎn)接觸整流法第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五檢流計(jì)左偏為N型，右偏為P型第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五XRD、XPS、SEM等現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五電子和物質(zhì)的相互作用第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五背散射電子：被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子；二次電子：被入射電子轟擊出來(lái)的核外電子；吸收電子：進(jìn)入樣品的入射電子，經(jīng)多次非彈性散射，能量損失殆盡，被樣品吸收的電子。透射電子；入射束的電子透過樣品而得到的電子。它僅僅取決于樣品微區(qū)的成分、厚度、晶體結(jié)構(gòu)及位向等。樣品質(zhì)量厚度越大，則透射系數(shù)越小，而吸收系數(shù)越大；樣品背散射系數(shù)和二次電子發(fā)射系數(shù)的和也越大。特征X射線：原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在能級(jí)躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的電磁輻射；俄歇電子：原子內(nèi)層電子躍遷過程中釋放的能量，不以X射線的形式釋放，而是使用該能量將核外另一電子打出成二次電子，該二次電子稱為俄歇電子。第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五光學(xué)顯微鏡的分辨率：光學(xué)顯微鏡的最大分辨率：0.2μm；人眼的分辨本領(lǐng)是大約0.2mm；故光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般最高在1000~1500倍。欲提高分辨率，只有降低光源的波長(zhǎng)。第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五掃描電子顯微術(shù)放大倍數(shù)：10——50萬(wàn)倍；分辨率：3nm—10nm；應(yīng)用：表面形貌，材料斷口，腐蝕坑的形狀；工藝缺陷；生長(zhǎng)條紋；復(fù)合中心。配置各種附件，做表面成份分析。第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五SEM的成像原理掃描電鏡的成像原理，象閉路電視系統(tǒng)那樣，用電子束在樣品表面逐點(diǎn)逐行掃描成像。由三極電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束，在加速電壓作用下，經(jīng)過2-3個(gè)電子透鏡聚焦后，在樣品表面按順序逐行進(jìn)行掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)，如二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子等。這些物理信號(hào)的強(qiáng)度隨樣品表面特征而變。它們分別被相應(yīng)的收集器接受，經(jīng)放大器按順序、成比例地放大后，送到顯像管。供給電子光學(xué)系統(tǒng)使電子束偏向的掃描線圈的電源也是供給陰極射線顯像管的掃描線圈的電源，此電源發(fā)出的鋸齒波信號(hào)同時(shí)控制兩束電子束作同步掃描。樣品上電子束的位置與顯像管熒光屏上電子束的位置是一一對(duì)應(yīng)。這樣，在熒光屏上就可顯示樣品表面起伏的二維圖像。第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五掃描電鏡系統(tǒng)組成(1)電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）

(2)掃描系統(tǒng)

(3)信號(hào)收集系統(tǒng)

(4)圖像顯示和記錄系統(tǒng)

(5)真空系統(tǒng)

(6)電源系統(tǒng)第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五SEM樣品制備

SEM固體材料樣品制備方便，只要樣品尺寸適合，就可以直接放到儀器中去觀察。樣品直徑和厚度一般從幾毫米至幾厘米，視樣品的性質(zhì)和電鏡的樣品室空間而定。

對(duì)于絕緣體或?qū)щ娦圆畹牟牧蟻?lái)說，則需要預(yù)先在分析表面上蒸鍍一層厚度約10～20nm的導(dǎo)電層。否則，在電子束照射到該樣品上時(shí)，會(huì)形成電子堆積，阻擋入射電子束進(jìn)入和樣品內(nèi)電子射出樣品表面。導(dǎo)電層一般是二次電子發(fā)射系數(shù)比較高的金、銀、碳和鋁等真空蒸鍍層。第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五透射電子顯微術(shù)分辨率：0.2nm；放大倍數(shù)：150萬(wàn)倍。應(yīng)用：缺陷（位錯(cuò)、層錯(cuò)、晶格點(diǎn)陣無(wú)序）第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五透射電鏡：是以波長(zhǎng)極短的電子束作為照明源，利用透射電子通過磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領(lǐng)、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。四部分：電子光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五制樣技術(shù)由于電子束的穿透力較弱，難以穿過0.1μm以上的切片，所以TEM對(duì)樣品的厚度有極高的要求。因此，制樣技術(shù)是TEM應(yīng)用中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。透射電鏡樣品非常薄，約為100nm，必須用銅網(wǎng)支撐著。常用的銅網(wǎng)直徑為3mm左右，孔徑約有數(shù)十μm。第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五電子能譜技術(shù)

用能量足夠高的高能粒子（光子和電子）入射被分析材料，使之發(fā)射具有特征能量的電子或同時(shí)相伴發(fā)射具有特征能量的光子，收集這些發(fā)射電子和光子，通過對(duì)其特征能量的分析，從而推斷被分析材料的組分的技術(shù)，統(tǒng)稱為電子能譜術(shù)。分析技術(shù)高能電子入射光子或X射線俄歇能譜法AESX光能譜法XES陰極熒光光譜法X光光電子能譜法XPSX射線衍射方法掃描電子顯微鏡SEM透射電子顯微鏡TEM高能離子入射二次離子質(zhì)譜法第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五X射線在晶體中的衍射

X射線波長(zhǎng)很短（其波長(zhǎng)范圍為10nm-0.001nm）、能量極高、具有很強(qiáng)的穿透能力。廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)影像、地質(zhì)勘探和材料科學(xué)研究中，發(fā)揮著巨大的作用在晶體中原子的間距和x射線波長(zhǎng)具有相同的數(shù)量級(jí)，在一定方向上構(gòu)成衍射極大。第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五X射線衍射技術(shù)XRD（X-rayDiffraction）Bragg定律2dhklsin=n是入射X射線的波長(zhǎng)，是晶面族的面間距，是布喇格衍射角，表示衍射級(jí)數(shù)的整數(shù)對(duì)某一晶體來(lái)說dhkl是確定不變的，當(dāng)一定時(shí)只有特定的值才能滿足以上方程，也就是說只有晶體處于某一方位時(shí)才能產(chǎn)生衍射。第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五晶面間距(d)公式：立方晶系：四方晶系：正交晶系：第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五

X射線衍射儀測(cè)試原理示意圖

第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五XRD技術(shù)的應(yīng)用粉末x射線衍射高分辨率X射線雙晶衍射高分辨率X射線雙晶衍射是指測(cè)量樣品的搖擺曲線（rockingcurve）。搖擺曲線是指衍射強(qiáng)度隨X射線入射角（X射線入射線與樣品表面的夾角）變化的曲線。研究材料的結(jié)晶完整性、均勻性、層厚、組分、應(yīng)變、缺陷和界面等信息時(shí)，高分辨率X射線雙晶衍射方法具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。從樣品的X射線搖擺曲線主要可獲知外延層晶格質(zhì)量、失配度的正負(fù)及大小、各層厚度及量子阱結(jié)構(gòu)材料的周期特性等信息（DCXRD:DoublecrystalX-raydiffraction）主要測(cè)量單晶的材料特性單晶，多晶粉末，或固體片X光衍射測(cè)量中最主要的參數(shù)是衍射峰的角位置和半高寬FWHM(Fullwidthathalfmaximum)第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五XRD測(cè)試結(jié)果實(shí)例1自碳飽和硅熔體中生長(zhǎng)β-SiC晶體看出在2θ掃描范圍內(nèi),出現(xiàn)了分別與6H-SiC(101)、β-SiC(111)、6H-SiC(110)、β-SiC(220)和β-SiC(311)五個(gè)最強(qiáng)的衍射晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰，表明所制備的β-SiC樣品中含有6H-SiC的成分第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五僅出現(xiàn)β-SiC的三個(gè)衍射峰，進(jìn)一步的分析表明對(duì)應(yīng)于β-SiC(111)、β-SiC(220)和β-SiC(311)衍射晶面，表明樣品為β-SiC多晶體XRD測(cè)試結(jié)果實(shí)例2第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五X射線衍射儀基本構(gòu)成常用的高分辨率X射線雙晶衍射設(shè)備，其主要組成部分包括：X光機(jī)，提供穩(wěn)定的X光源；測(cè)角儀，衍射儀的核心，起支撐作用，并使試樣與探測(cè)器相關(guān)地轉(zhuǎn)動(dòng)，支持狹縫系統(tǒng)，限制X射線光路；探測(cè)器，檢測(cè)X射線的部件，主要有蓋格計(jì)數(shù)管，正比計(jì)數(shù)管，閃爍探測(cè)器和Si（Li）探測(cè)器等；記錄器，放大探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)并傳送給后繼的分析系統(tǒng)；電腦控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)測(cè)量過程進(jìn)行機(jī)械化的精確控制，并對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、輸出和模擬分析第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五X射線光電子譜(XPS)

X-rayPhotoelectronSpectroscopy俄歇能譜儀（AES）Augerphotoelectronspectroscopy第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五X射線光電子能譜儀（XPS）/俄歇能譜儀（AES）儀器型號(hào)：AXISULTRA生產(chǎn)廠家：英國(guó)KRATOSANALYTICALLtd.第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五基本原理hX射線光電子能譜eAuger電子能譜單色X射線光子的能量在1000～1500ev之間，不僅可使分子的價(jià)電子電離而且也可以把內(nèi)層電子激發(fā)出來(lái)，同一原子的內(nèi)層電子結(jié)合能在不同分子中相差很小，不同能級(jí)上的電子結(jié)合能不同，故它是特征的。光子入射到固體表面激發(fā)出光電子，產(chǎn)生由一系列峰組成的電子能譜圖，每個(gè)峰對(duì)應(yīng)于一個(gè)原子能級(jí)（s、p、d、f）；利用能量分析器對(duì)光電子進(jìn)行分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)稱為光電子能譜。第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五電子能譜分析儀示意圖（多功能）

激發(fā)源試樣裝置電子能量分析器檢測(cè)器計(jì)算機(jī)第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五XPS

簡(jiǎn)介X射線光電子能譜是瑞典Uppsala大學(xué)K.Siegbahn及其同事經(jīng)過近20年的潛心研究而建立的一種分析方法。他們發(fā)現(xiàn)了內(nèi)層電子結(jié)合能的位移現(xiàn)象，解決了電子能量分析等技術(shù)問題，測(cè)定了元素周期表中各元素軌道結(jié)合能，并成功地應(yīng)用于許多實(shí)際的化學(xué)體系。X射線光電子譜是重要的表面分析技術(shù)之一。它不僅能探測(cè)表面的化學(xué)組成，而且可以確定各元素的化學(xué)狀態(tài)，因此，在化學(xué)、材料科學(xué)及表面科學(xué)中得以廣泛地應(yīng)用。K.Siegbahn給這種譜儀取名為化學(xué)分析電子能譜(ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)，簡(jiǎn)稱為“ESCA”，這一稱謂仍在分析領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用。第四十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五X射線光電子發(fā)射的3步驟X射線照射樣品入射光子和樣品原子相互作用，光致電離產(chǎn)生光電子光電子輸運(yùn)到表面，克服逸出功發(fā)射理論基礎(chǔ)－光電效應(yīng)根據(jù)Einstein的能量關(guān)系式有：h=EB+EK其中為光子的頻率，EB

是內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能，EK

是入射光子所激發(fā)出的光電子的動(dòng)能。第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五XPS定性分析XPS分析,利用已出版的XPS手冊(cè)。第五十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五化合態(tài)識(shí)別由于元素所處的化學(xué)環(huán)境不同，它們的內(nèi)層電子的軌道結(jié)合能也不同，即存在所謂的化學(xué)位移。其次，化學(xué)環(huán)境的變化將使一些元素的光電子譜雙峰間的距離發(fā)生變化，這也是判定化學(xué)狀態(tài)的重要依據(jù)之一。元素化學(xué)狀態(tài)的變化有時(shí)還將引起譜峰半峰高寬的變化。Ti及TiO2中2p3/2峰的峰位及2p1/2和2p3/2之間的距離第五十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五Auger電子能譜原理

原子處于基態(tài)時(shí)，核外電子依次排列在具有一定能量的能級(jí)K、L、M、N上。在入射電子的作用下，K能級(jí)上的電子被激發(fā)電離留下空位，原子處于不穩(wěn)定的狀態(tài)要達(dá)到穩(wěn)定，假定L1層上的電子躍遷到K層填補(bǔ)空位，這時(shí)將釋放多余能量EK－EL1兩種釋放方式：發(fā)射特征X射線－XES探測(cè)的對(duì)象將L23層上的電子激發(fā)電離－產(chǎn)生俄歇電子KL1L23MEF1839ev149ev99ev13ev0ev入射電子XES俄歇電子Auger電子能量與元素序數(shù)和產(chǎn)生的能級(jí)有關(guān)，具有特征性；對(duì)于3~14的元素，Auger峰類型為：KLL型；對(duì)于14~40的元素，Auger峰類型為：LMM型；大于40的元素，Auger峰類型為：MNN型第五十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五Auger電子能譜分析法

Augerphotoelectronspectroscopy入射電子能量約為2－10kev，在樣品中只能穿透很薄的表層，俄歇電子能量比較低20－2000ev，在固體中自由程很短，1nm左右，因而俄歇譜不能揭示樣品內(nèi)部信息只能給出表層信息。如果結(jié)合濺射離子槍對(duì)樣品進(jìn)行剝層技術(shù)，則可以得到材料的組分和雜質(zhì)元素的縱向分布。俄歇電子具有的能量為：EKLL=EK-EL1-EL23即俄歇電子能量只與原子的有關(guān)電子殼層的能量本征值有關(guān)。故俄歇電子能譜分析可識(shí)別材料組分原子和雜質(zhì)原子。第五十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五Auger電子能譜分析實(shí)例第五十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五XPS和AES的比較XPSAES對(duì)樣品表面損傷小，定量分析最好。XPS不會(huì)對(duì)樣品充電，可分析絕緣材料可分析價(jià)態(tài)和化學(xué)鍵類型X射線難于聚焦XPS橫向分辨率差靈敏度0.1%入射電子束斑可以很小很好的微區(qū)分析能力，很高的橫向與深度分辨率性能指標(biāo)適中、分析速度較快特別適合分析原子序數(shù)小的元素可鑒別元素的化學(xué)狀態(tài)結(jié)合剝層技術(shù)可進(jìn)行深度分布分析靈敏度0.1%隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，XPS也在不斷地完善。目前，已開發(fā)出的小面積X射線光電子能譜，大大提高了XPS的空間分辨能力。第五十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五二次