张焱森半导体电阻率测量实验.docx
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张焱森半导体电阻率测量实验
半导体电阻率测量实验
201509064272张焱森
一、实验目的
通过用四探针法测量半导体晶片的电阻率，了解半导体材料的基本电学特性与材料中载流子浓度和迁移率的关系，掌握一种测量半导体材料的电阻率并进一步分析其掺杂浓度的实验研究方法。
二、实验原理
一、半导体电阻率及主要影响因素
半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，固体材料按导电能力的分类见表3.2-1。
完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体，其导电能力主要由材料的本征激发决定，通常电阻率偏大且很难调控其电学性质，因此本征半导体材料用途范围很小。
表3.2-1材料按导电能力的分类
分类名称
导电能力
导体
电阻率一般小于10-4Ω·cm
绝缘体
电阻率一般大于108Ω·cm，高的达到1010Ω·cm以上
半导体
电阻一般介于10-3～108Ω·cm
杂质与缺陷对半导体材料的性能有很大的影响，它们在很大程度上决定了半导体材料的电学性质，通过控制杂质的加入量即可控制半导体材料的导电性能。
以硅为例，对于理想的单晶硅材料来说，它的晶体结构呈金刚石结构，每一个硅原子与相邻的四个原子之间共用电子形成共价键。
对于这种理想结构的半导体材料，由于可以自由移动的电荷很少，因此导电性较弱。
图3.2-1半导体材料硅的掺杂示意图
如果采用磷元素掺杂，一个磷原子取代硅原子在晶体中的位置，由于磷原子有5个价电子，形成1个多余的价电子和正电中心磷离子（见图3.2-1）。
多余的价电子很容易挣脱正电中心的束缚进入导带，成为导电电子在晶格中自由运动。
像磷这样的五价元素在硅中电离时，能够释放出导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或N型杂质。
对掺有施主杂质的半导体材料，导电主要靠导带电子进行，这种半导体称为N型半导体。
如果采用三价元素硼进行掺杂，将形成负电中心硼离子和一个空位。
这个空位很容易从价带获得一个价电子成键，在价带中形成一个空穴。
这种能从价带得到电子的杂质原子称为受主杂质或P型杂质。
对掺有受主杂质的半导体材料，导电主要靠空穴进行，这种半导体称为P型半导体。
图3.2-2300K温度下硅半导体材料的电阻率与杂质浓度的关系曲线
电阻率
的大小决定于半导体载流子浓度
和载流子迁移率
：
，其中
为电子电荷，载流子浓度
和载流子迁移率
均与杂质浓度和温度有关，所以半导体电阻率随杂质浓度和温度而异。
300K温度下硅半导体材料的电阻率与杂质浓度的关系曲线如图3.2-2所示。
轻掺杂时（杂质浓度小于1016cm-3），可以认为室温下杂质全部电离，载流子浓度近似等于杂质浓度，而迁移率随杂质的变化不大，可以认为是常数。
因而电阻率随杂质浓度成简单反比关系，在对数坐标图上近似为直线。
当杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因有二：
一是杂质在室温下不能全部电离，在重掺杂的简并半导体中情况更加严重；二是迁移率随杂质浓度的增加将显著下降。
利用图3.2-2可以方便地进行硅半导体电阻率和杂质浓度的换算。
由于半导体的载流子浓度和迁移率随温度变化，因此电阻率受温度影响较大，图3.2-3所示为硅电阻率与温度关系曲线示意图。
在低温区（AB段），不仅由于杂质电离产生的载流子浓度随温度升高而增加，而且迁移率主要取决于杂质散射，它也随温度升高而增加，因此半导体材料的电阻率随温度升高显著下降。
在中温区（BC段），由于杂质已经全部电离，但本征激发尚不明显，载流子浓度基本不变，而迁移率主要受晶格散射影响，它会随温度升高而下降，因此半导体材料的电阻率随温度升高缓慢增加。
在高温区（C段），由于本征激发产生的载流子浓度随温度升高而急剧增加，使电导率增加的因素远远大于迁移率下降的影响，因此半导体材料的电阻率随温度升高急剧下降。
温度高到本征导电起主要作用时，一般器件就不能正常工作，它就是器件的最高工作温度，如硅器件的最高工作温度为250℃。
图3.2-3硅电阻率与温度关系曲线示意图
二、四探针法测量电阻率
L.Valdes首先利用四探针法解决了测量任意形状半导体材料的电阻率的问题，他给出了半无限材料及不同类型边界条件（导电边界及绝缘边界）的解，其中包括探针与样品边界平行或垂直时的有限边界及样品有限厚度的修正系数与曲线。
此后，A.Uhlir全面考虑并计算了有限尺寸样品边界条件的修正。
F.Smith又将此法用来测量二维圆形及矩形的薄层材料的电阻（方块电阻）。
四探针法的测量范围为10-3~104Ω·cm，能分辨毫米级材料的均匀性，适用于测量半导体体材料、异型层、外延材料及扩散层、离子注入层的电阻率，并能够提供一个迅速的、不破坏的、较准确的测量。
图3.2-4四探针法排列示意图
四根金属探针排成一条直线，压在一块任意形状的、半无限大的半导体平坦表面上，如图3.2-4所示。
探针引入的点电流源的电流强度为I，那么对于半无穷大样品上的这个点电流源而言，样品中的等电位面是一个球面，对于离开点电流源半径为r的P点，其电流密度
可以表示为
（3.2-1）
其中
为半球等位面的面积。
P点的电场强度
（3.2-2）
式中
是材料的电阻率。
由于P点电场强度
的负值等于电势
对位移的导数，若设无穷远处电位为零，则P点处的电位
（3.2-3）
则当电流由探针1，4通过时，根据点源迭加原理，某一点的电位应是不同点源产生的电位的和，因此探针2，3的电位分别为：
（3.2-4）
（3.2-5）
所以探针2，3间的电位差为
（3.2-6）
若四探针在同一平面的同一直线上，且
时，由上式可得
。
（3.2-7）
这就是常见的直流等间距四探针法测电阻率的公式。
如果样品不是半无限导体，则由探针流入导体的电流为边界表面反射（非导电边界）或吸收（导电边界），结果分别使电压探针处的电位升高或降低。
因此，在这种情况下电阻率的测量值高于或低于材料的真实值，称为表观电阻率
。
它与材料真实电阻率
的关系为
，（3.2-8）
式中
称为修正因子或修正除数。
在非导电边界情况下，修正除数
为
，（3.2-9）
式中
。
（3.2-10）
当样品厚度W与探针间距S可以相比时，修正系数
可以用函数N来表示，
，（3.2-11）
式中
（3.2-12）
是Hankel函数。
当样品厚度W≤
时，则
。
（3.2-13）
代入式（3.2-8）得
（3.2-14）
这就是常用的半导体晶片电阻率的测量公式。
在样品无限薄的情况下，可视为二维平面，从上式可得到面电阻率
为
。
（3.2-15）
这就是常用的方块电阻公式，
的单位为欧姆，通常用符号Ω/□表示。
它表示一个正方形薄层的电阻。
值得注意的是，它与正方形边长的大小无关，所以取名为方块电阻。
三、实验设备
本实验的测试装置是RTS-8型四探针测试仪（广州四探针公司），如图3.2-5所示，主要由探针测试台、四探针测试系统、程序控制系统等组成。
图3.2-5RTS-8型四探针测试仪
在测试仪电路中，电流由稳定度为±0.1%、能够通过0.01~100mA电流、连续可调的恒流源供给，电压表采用电位差计或数字电压表。
在探针设计中，要求采用耐磨材料、探针等距配置、并使之具有小的游移误差。
在探针上需负荷适当的负载，以减小金属与半导体材料间的接触电阻。
一般选择具有较高杨氏模量的金属材料如钨、碳化钨或其它硬质合金材料。
在测量过程中，需注意下述问题：
（1）半无限大的样品，是指厚度及任一探针距样品最近边缘的距离，至少要比探针间距S大四倍以上的样品。
如果上述条件不能满足则需进行边界条件的修正。
（2）为了增加表面复合速度，避免少子注入，待测样品的表面需经粗磨或喷砂处理。
少子注入对测量结果的影响取决于测量电流、探针间距以及少子寿命等，电流大，针距小，少子寿命长，影响就大。
（3）在测定高阻材料及光敏材料时，由于光电导及光压效应会严重影响电阻率的测量，因此需在暗室中进行。
（4）需在电场强度E≤1V/cm的弱场下进行测量，电场太大会使载流子迁移率降低，导致电阻率的测量值增大。
（5）测试电流不宜过大，否则在样品中会引起温度梯度，而产生一个热电压干扰测量信号。
因此，在测量时，测试电流要尽可能低，但必须保证电压的测试精度。
采用较小的测量电流也可减少少子注入的机率。
（6）探针与半导体材料之间应保持良好接触，可通过选择合适的探针材料及采用适当的探针压力来达到。
对于体材料，探针压力一般选取1~2kg；对于薄层或外延材料，一般选取200g左右。
（7）在室温附近，由于半导体材料的电阻率与温度有关，因此测试环境尽量保持恒温。
四、实验内容
1.测量给定硅片样品的电阻率和薄层电阻。
薄圆片
方块
2.测量同一样品八个不同的对称点，计算电阻率不均匀度。
由实验结果得电阻率的不均匀度为7.09%。
3.根据硅电阻率与杂质浓度的关系曲线估算所测硅片的掺杂浓度。
1016cm-3
五、实验注意事项
1.对于尺寸较小的样品，需要考虑边缘效应的影响，对测量结果进行适当的修正。
2.测试环境尽量保持恒温和弱电磁场，避免强光照射。
六、思考题
1．分析电阻率误差的来源。
温度、湿度、硅片制作不均匀、系统误差。
2.如果只用两根探针既作电流探针又作电压探针，是否能够对样品进行准确的测量，为什么?
不能。
因为只用两根探针既作电流探针又作电压探针，就不能消除势垒所产生的影响。
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