8_扩展电阻法测硅片微区电阻率变化

理学院应用物理系专业实验指导书58 实验八 扩展电阻法测硅片微区电阻率变化扩展电阻探针法用于定量测量某些半导体材料的局部点导率， 空间分辨率高测量取样体积为 10-10cm3 左右，测量重复精度优于 1%。将硅片磨角后用扩展电阻法可以测量分辨深度方向 30nm 以内电阻率的变化。因此， 扩展电阻探针是硅材料及器件生产工艺质量测试手段，也可以用于砷化镓、 化铟等其他半导体材料的电阻率分布测试。一、实验目的1、了 解扩展电阻探针法的物理模型及测试原理；2、学会用扩展电阻探针法测量硅单晶片微区电阻率的不均匀性；3、掌握硅片小磨抛技术；测量离子注入、扩散和外延片中电阻率在深度方向的分布。二、实验原理扩展电阻， 又叫集中电阻， 它的基本现象是从点接触二极管中发现的。 金属探针与均匀半导体形成压力接触 （探针形状及尺寸如图 8.1 所示） 且半导体的线度相对于探针和半导体的接触半径 r 0 而言可视为穷大，若有电流从探针流入半导体，则电流在接触点集中，而在半导体中沿 方向呈辐射状，如图 8.2 所示。此时探针止半导体底端的电阻可由微分电阻累加而得。R s= △ R +△ R 2 +?+ △ R = R i （ 8.1 ）式中每个小电阻是距离接触中心为 r i 处的半球面的微分电阻，即△ R i = r i221r （ 8.2 ）式中 为电阻率。直径 0.5mm 图 8.1 探针形状及尺寸 图 8.2 辐射状电流示意图理学院应用物理系专业实验指导书59 当 0r 时， （ 8.1 ）式可变换为积分形式SR = r r0221dr= r 02 （ 8.3 ）若把积分分为 r 0 ~ r1 和 r1 ~ r 两个区域， r 0 ~r1 范围内的总电阻 R 10 为R 10 = rrrrr 1001012112（ 8.4 ）既 r 1 ~r 的贡献只占电阻的 rr 10。 由此可见整个电阻主要集中在探针接触点附近， 因而这个电阻又叫集中电阻或扩展电阻。 上面的分析是假定探针和半导体接触后， 接触面呈半球状。如图 8.2 所示。在实际应用中，探针的直径通常为 0.5mm左右 , 针尖的椎角为 45°左右，针尖的曲率半径 r 0为 20um左右，见图 8.1 。这样小的针尖与半导体接触时探针尖要产生微小的变化， 因此探针与半导体的接触面更接近于以 a 为半径的圆盘， 如图 8.2 所示， 在金属半导体接触电势差与接触电阻可以忽略的情况下，可以计算出理想的扩展电阻值为40Rs （ 8.5 ）其中 a 为探针与半导体接触的圆盘半径。 值可以由下式求得：EErF21011211.121 （ 8.6 ）式中， F 是加在接触探针上的压力， E1 、 E2 是两种接触材料的杨氏模量。实验中可以通过显微镜测量压压痕来估计 值的大小，但压痕并非是理想的圆盘。由于针尖的结构毛糙， 压痕是许多接触点集合组成的。 另外， 上面的讨论建立在金属探针与半导体完全欧姆接触的理想情况上， 实际上金属于半导体接触后， 由于它们之间功函数的差别，都程度不同的存在接触电势差， 在探针与半导体接触出会形成势垒。 此时， 金属探针与半导体之间的总电阻，即实际测得的扩展电阻可表示为RRR bSs 00 （ 8.7 ）式中， Rb0是接触电阻，无法从理论上计算。因此由于实际接触不是理想的平面欧姆接触，需对（ 8.7 ）式用实验的校正因子 K 进行校正，既理学院应用物理系专业实验指导书60 KRR Ss 0 4K （ 8.8 ）式中 K 值和无法求出的 值都是 ~RS 关系的比例系数， K 还是样品电阻率的函数， 所以一般通过实验来确定 ~RS 校正曲线。有了校正曲线， 只要测扩展电阻值， 就可以从校正曲线上查处对应的电阻率。确定校正曲线的方法如下：（ 1）先选电阻率处于测量范围的单晶片作标准样品。在每个样品上进行 20 次以上的扩展电阻测量，检验其电阻率的均匀性。标准偏差小于 10%则认为该标准样品可用。标准样品应与被测有相同的表面状态、导电类型和晶向。（ 2）用四探针准确测量标定个标准样品的电阻率。（ 3）四探针测量区域内，至少作 20 次扩展电阻测量，计算扩展电阻的平均值。（ 4）在双对数坐标纸上画出 ~RS 定标曲线。扩展电阻探针在测量外延、 扩散和离子注入等分层结构的样品时， 由于被测样品为厚度小于 10 的薄层（如薄外延，器件工艺中的隐埋、硼、磷扩散，离子注入层等）样品就不能被视为半无边大。此时， （ 8.8 ）式应改写为CFRs 4 1（ 8.9 ）式中， 1 为探针接触的表层电阻率； CF 为被测材料与探针有关的修正因子。三、实验仪器与设备四探针电阻率测试仪、稳恒电流源、探针、 Si 片样品四、实验内容与步骤1．测试硅单晶片径向电阻率的均匀性（ 1） 将以知导电类型和晶向的硅单晶片进行镜面抛光，然后去蜡并清洗、干燥，同时保证表面不能有灰尘及受到损伤，否则会影响测量的准确性。（ 2） 把被测样品放置在样品台上，放置前，在样品背面或样品台上滴入少量的水，以便样品本样品台吸住，移动样品台，使样品处于被测量的位置。（ 3）读出电压表读数，计算电阻率。2．测量 n+pnp（或外延片）晶体管结构样品电阻率深度分布理学院应用物理系专业实验指导书61 （ 1） 将已知导电类型、晶向和结构的硅片清洗干燥。加热磨角器中的样品座，并在其斜面上涂少许白蜡， 把样品按测量位置贴在斜面上， 注意使样品与斜面紧贴。 把样品座放在固定架中，使其处于适当位置，旋紧调整螺丝。（ 2） 在打毛的平面玻璃上， 放少许粒度为 0.5um 的研磨膏， 把装好样品的磨角器放置其上， 用轻力进行研磨， 使研磨的斜面与原始表面的交线成一明显的直线， 估计磨出的斜面正好包含需测试的深度为止。有丙酮擦去样品表面的白蜡，然后用乙醇将研磨过的表面擦净，注意不要沾水，处理净洁后，把样品放置在样品台上准备测量。（ 3） 调整样品台， 使样品斜面与原始表面的交线平行于样品台上 x 轴上。 用显微镜观察，调整样品台， 是两根探针针尖正好能压在斜面与表面的交线上， 既定好测量第一点的起始位置。（ 4）读出电压表读数，计算电阻率。五、实验数据与处理1．计算每个样品上 20 次的扩展电阻测量的平均值，检验其电阻率的均匀性；2．双对数坐标纸上画出 ~RS 定标曲线；3．依据计算结果鉴定样品的结构。六、注意事项1．测试时一定不要用手直接碰触标准样品，应该带好一次性塑料手套后再进行操作，以免对硅片的污染和破坏；2．计算不同样品的 U、 I 值时，应等到示值稳定之后再进行记录；3．硅片易碎，样品开封和装盒时应轻拿轻放。七、思考题1．扩展电阻法测量硅片微区电阻率的基本原理？2．分析讨论测量方案中对测试精确度有较大影响的因素？3．在样品处理时，应加热磨角器中的样品座，并在其斜面上涂少许白蜡，把样品按测量位置贴在斜面上，为什么需要涂少许白蜡？