硅單晶外延層的質(zhì)量檢測與分析

表征外延層片質(zhì)量的主要參數(shù)是外延層電阻率、厚度、層錯及位錯密度、少數(shù)載流子
壽命、遷移率和表面狀態(tài)等。下面僅介紹電阻率、厚度和層錯密度的測量方法。

測量外延層電阻率的方法很多，對于在n＋襯底上外延N型層或p+襯底上外延P型層的硅
片，可用三探針法進行測量。其特點是測量方便，而且是非破壞性的，因此在生產(chǎn)和科研
中被廣泛采用。
一、實驗目的
1. 了解三探針的測量裝置。
2. 掌握三探針測量電阻率的基本原理。3.熟悉三探針的測量方法及注意事項。

二、三 探針法的測量裝置
針法的測量裝置主要分探頭，電源和顯示三個主要部分。
電源：調(diào)壓器、變壓器和整流元件組成。
顯示：由示波器和電壓表組成，整個裝置如圖2.1 所示。

圖2.1 三探針測試線路圖

三、 三探針測量的基本原理

我們知道，當金屬探針與半導體材料接觸時會形成肖特基勢壘，而金屬探針又處在反

圖2.2
襯 底
三探針法測量原理圖

變探針1 和2 之間的電源電壓，當電源電壓達到某一值時，電流突然增大，產(chǎn)生雪崩擊穿，對應一個反向擊穿電壓值。但是，這個擊穿電壓值很難由探針1 和2 之間測出，因為電流
經(jīng)過探針1 時，在其周圍產(chǎn)生一定電壓降。為了能準確測量出探針2 與硅材料接觸處的反向擊穿電壓值，引進探針3，一般稱此為電壓測量探針。在外延層中，除探針1 和2 附近外，其它區(qū)域基本上沒有電流流過，可以認為除探針1 和2 附近外，其它各點是等電位的。
因此，探針2 和3 這間的電壓就是肖特基結上的電壓。加大探針1 和2 之間的電壓，當電
流突然增大時，所對應的探針2 與3 之間的電壓就是肖特基擊穿電壓值。只要能測出這個
擊穿電壓值，通過摻雜濃度與電阻率的關系曲線，就可得到外延層的電阻率。

四、三探針的使用方法
將待測外延片放在樣品臺上，使三探針接觸樣品，然后轉動調(diào)壓器，慢慢增加電壓，
電壓表上給出電壓增加的數(shù)值，同時示波器屏幕上的圖形逐漸拉長。當外加電壓加到一定數(shù)值時，電壓表數(shù)值不再增加，示波器上的圖形電壓軸方向不再拉而電流軸方向突然增加，如圖2.3 所示。此時的電壓稱之為擊穿電壓。如再增加電壓，電壓表指示數(shù)值下降，示波器上圖形被破壞，此時外延層就被擊穿了，所測得的最大電壓值即為擊穿電壓值。通過查對照表（表1）即得被測電阻率的數(shù)值。

2．隨著鎢絲壓力的增加，肖特基結的漏電流顯著增加，而擊穿電壓則慢慢減小，因5．擊穿電壓隨觸點直徑增加而降低
II、外延層厚度的測量和
在一塊理想硅單晶內(nèi)部，所有構成這塊硅單晶的原子，
律，周期性地排列著。外延層是在單晶襯底上生長起來的，
擊穿電壓值，引進探針3，一般稱此為電壓測量探針。在外延層中，除探針1 和2 附近
電壓稱之為擊穿電壓。如再增加電壓，電壓表指示數(shù)
值下降，示波器上圖形被破壞，此時外延層就被擊穿
了，所測得的最大電壓值即為擊穿電壓值。通過查對
照表（表1）即得被測電阻率的數(shù)值。
五、三探針測量的注意事項
1．外延層表面必須保持清潔，如果有沾污就會使擊穿特性不穩(wěn)定。
此測量要在盡量小的壓力下進行。
3．擊穿電壓的重復性不夠好。應作幾次測量取其平均值。
長，
圖2.3 三針的使用方法
4．要保持鎢絲針尖的清潔度。
，因此應經(jīng)常更換鎢絲探針以保持小的觸點。
層錯密度的測量在三維空間內(nèi)都按著一定的規(guī)其結構也應和理想硅單晶一樣，

但在實際的外延層內(nèi)部，原子的排列往往在某些局部范圍偏離這些規(guī)律，使其周期性受到
破壞，造成各種晶體缺陷，層錯就是一種典型的面缺陷。
一、實驗目的
1．了解小金相顯微鏡的基本結構和使用方法。2．掌握層錯的顯示、觀察和計算方法
3．了解外延層厚度的測量方法。

二、金相顯微鏡的結構

只要在硅片表面顯現(xiàn)出層錯的正三角形邊界，就可以根據(jù)公式由三角形邊長L 求得外
延層厚度。

五、層錯密度的測量

上式中視場面積根據(jù)顯微鏡的鏡頭和放大倍數(shù)決定，不同的放大倍數(shù)對應的視場面積是不
同的，我們用的視場面積為0.5mm2。
表2.1 擊穿電壓與電阻率的數(shù)值對照表

附：思考題