四探針測試原理與操作

四探針測試原理與操作目錄四探針測試操作方法03.直線四探針測試技術(shù)原理分析02.探針法測試技術(shù)概述01.通常，半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能主要包括電阻率、導(dǎo)電類型、載流子濃度及其分布、遷移率和少子壽命等，其中電阻率是最直接、最重要的參數(shù)。在室溫下，半導(dǎo)體材料的電阻率一般為10^(-5)～10^(9)

Ω·cm，它是介于導(dǎo)體與絕緣體之間的一種固體材料，它反映了補(bǔ)償后的雜質(zhì)濃度，與半導(dǎo)體中的載流子濃度有直接的關(guān)系，是判斷半導(dǎo)體材料摻雜濃度的主要參數(shù)之一。在測試半導(dǎo)體電阻率時，一般使用探針法。探針法測試半導(dǎo)體材料電阻率可以分為兩探針、三探針和四探針法三種。一、探針法測試技術(shù)概述兩探針法通常，利用具有兩根金屬探針的萬用表，可以測量材料的電流與電壓，從而得到材料的電阻率。但是對于半導(dǎo)體而言，金屬材料與半導(dǎo)體材料之間直接接觸會產(chǎn)生以下問題：金屬材料與半導(dǎo)體材料之間可以構(gòu)成多數(shù)載流子的勢壘，使界面缺乏載流子，從而產(chǎn)生很大的電阻，這種電阻稱為阻擋層電阻。探針與半導(dǎo)體材料之間的擴(kuò)散電阻也會影響半導(dǎo)體材料的電阻率測量。阻擋層電阻與擴(kuò)散電阻都是金屬探針與半導(dǎo)體接觸所引起的，統(tǒng)稱為“接觸電阻”。因此，為了避免接觸電阻，通常的做法是：在試樣合適的位置上，制作兩個歐姆電極，然后再將金屬探針或?qū)Ь€從電極上引出，這樣可以避免金屬與半導(dǎo)體材料直接接觸產(chǎn)生的接觸電阻。一、探針法測試技術(shù)概述兩探針法兩探針法測試半導(dǎo)體材料電阻率示意圖一、探針法測試技術(shù)概述兩探針法雖然兩探針法可以利用歐姆電極消除金屬和半導(dǎo)體材料之間所產(chǎn)生的接觸電阻，但是制作電極費(fèi)時費(fèi)事，一般較少采用。如上圖所示，流經(jīng)半導(dǎo)體樣品中的電流I為：I=Vs/RsRs為串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電阻；Vs為標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓降（電位差）。樣品電阻率為：ρ=（VT·D）/（I·L)VT為樣品上距離為L的兩個等位面處的電位差；

D為樣品的橫截面積。這樣測出的電阻率與接觸電阻無關(guān)。一、探針法測試技術(shù)概述

三探針法三探針法是利用金屬探針與半導(dǎo)體材料接觸處的反向電流-電壓特性、測定擊穿時的電壓來獲得半導(dǎo)體材料電阻率的。當(dāng)金屬探針與半導(dǎo)體材料接觸，金屬探針處在反向偏置時，外加電壓全部降在接觸處，在半導(dǎo)體材料中會產(chǎn)生空間電荷區(qū)，由于區(qū)內(nèi)電場很大，區(qū)中的空穴和電子可以在其作用下獲得很高的能量。它們與晶格原子碰撞時，能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。隨著外加電壓的增加，電場強(qiáng)度進(jìn)一步增大時，通過逐次碰撞電離使得載流子倍增，因而反向電流迅速增大而致雪崩擊穿。由于雪崩擊穿的發(fā)生與電場強(qiáng)度密切相關(guān)，而電場強(qiáng)度又取決于空間電荷量，因此擊穿電壓與摻雜濃度有關(guān)。一、探針法測試技術(shù)概述

三探針法三探針法測試原理圖從上圖中可以看出，探針3是電流與電壓公用探針，是為了提高測量重復(fù)性而引入的。電壓顯示單元采用示波器、X-Y記錄儀或峰值電壓計(jì)等。通常將外加電壓增加而電流停止增加時的最大電壓值定義為擊穿電壓VB，通過查lgVB-lgρ曲線獲得材料電阻率數(shù)值。一、探針法測試技術(shù)概述

四探針法四探針發(fā)展歷史1865年湯姆森首次提出四探針測試原理；1920年Schlunberger第一次實(shí)際應(yīng)用，測量地球電阻率；1954年Valdes第一次用于半導(dǎo)體電阻率測試；1980年代具有Mapping技術(shù)的四點(diǎn)探針出現(xiàn)；1999年P(guān)ertersen開發(fā)出首臺微觀四點(diǎn)探針一、探針法測試技術(shù)概述

四探針法四探針法用于測量半導(dǎo)體材料（厚材和薄片）電阻率以及硅片上的擴(kuò)散層、離子注入層的方塊電阻，也可以測量玻璃或其他絕緣材料上所形成的導(dǎo)電膜方塊電阻。四探針測試技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝中應(yīng)用最為廣泛的工藝監(jiān)控手段之一。所謂“四探針測試法”，就是利用點(diǎn)電流源向樣品中注入小電流，形成等電位面，通過檢測樣品不同部位的電位差，并根據(jù)理論計(jì)算公式，可以得出半導(dǎo)體材料的電阻率。由于該方法測試簡單，數(shù)據(jù)處理簡單，應(yīng)用非常廣泛。一、探針法測試技術(shù)概述

四探針法四探針測試方法分類四探針測試技術(shù)方法分為直線四探針法和方形四探針法。方形四探針法又分為豎直四探針法和斜置四探針法。方形四探針法具有測量較小微區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，可以測試樣品的不均勻性，微區(qū)及微樣品薄層電阻的測量多采用此方法。此外，四探針法按發(fā)明人又分為Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改進(jìn)的范德堡法等。值得提出的是每種方法都對被測樣品的厚度和大小有一定的要求，當(dāng)不滿足條件時，必須考慮邊緣效應(yīng)和厚度效應(yīng)的影響問題，對測試結(jié)果進(jìn)行修正。下面將重點(diǎn)介紹直線四探針測試方法。一、探針法測試技術(shù)概述體電阻率的測量四根等距探針豎直的排成一排，使之垂直地壓在一塊相對于探針間距可視為半無窮大的樣品上，用恒流源給兩個外探針（1、4兩處探針）通以小電流I，精準(zhǔn)電壓表測量內(nèi)側(cè)兩探針（2、3兩處探針）間電壓V，根據(jù)相應(yīng)理論公式計(jì)算出樣品的薄膜電阻率。圖1.四探針測量原理圖圖2.四探針測試電流流經(jīng)樣品示意圖二、直線四探針法測試原理分析體電阻率的測量電阻率公式為：其中V23為圖中2號和3號探針間的電壓值，C為四探針的探針系數(shù)，它的大小取決于四根探針的排列方法與針距。在無窮大的樣片上，當(dāng)四根探針處于同一平面并且處于同一直線上，并且有r12=r23=r34=S時，那么C=2πS，樣品的電阻率為：這就是常見的直線四探針法等間距測試電阻率的公式。對于固定間距的探針而言，探針系數(shù)為常數(shù)。

二、直線四探針法測試原理分析薄層電阻（方塊電阻）的測量半導(dǎo)體工藝中普遍采用四探針法測量擴(kuò)散層的薄層電阻。薄層電阻（或稱為方塊電阻）的概念是為了表征半導(dǎo)體薄膜樣品或者是薄的摻雜層的電阻率而引入的。當(dāng)待測樣品很薄，即樣品厚度XJ和探針間距S滿足W/S﹤0.5條件時則薄層電阻率為：從上式可以看出，薄層材料的電阻率測試與探針間距沒有關(guān)系。二、直線四探針法測試原理分析薄層電阻（方塊電阻）的測量對于厚度為Xj的薄層材料而言，薄層電阻Rs和薄層材料電阻率ρ之間的關(guān)系為：因此，由式（2-1）與（2-2）可得：在樣品無限薄的情況下，可以近似認(rèn)為樣品對于四探針測試儀滿足二維半無限大平面的條件，可得：

ρ=Rs·XJRs=Bo·V23/I式中Bo為所測薄層電阻的修正因子。Bo=π/(In2)=4.532Rs=4.532·V23/I這就是常用的方塊電阻計(jì)算公式，Rs的單位為歐姆，通常用符號Ω/口表示。二、直線四探針法測試原理分析薄層電阻（方塊電阻）的測量如果樣品不滿足二維半無限大平面的條件，即樣品的厚度或直徑對于探針間距而言不可忽略時，需要對所測薄層電阻的修正因子Bo進(jìn)行修正。

需要注意的是，薄層電阻表示一個正方形薄層的電阻，所以取名為方塊電阻。其一個很重要的特性是：它與正方形邊長的大小無關(guān)，即任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的，不管邊長是1m還是0.1m，它們的方塊電阻都是一樣的。二、直線四探針法測試原理分析直線四探針法測準(zhǔn)條件分析測量區(qū)域的電阻率應(yīng)該是均勻的，為此針距不宜過大，一般采用1mm較為合適。四根探針應(yīng)該處于同一平面的同一條直線上，因此樣品表面應(yīng)該平整。四探針應(yīng)與試樣應(yīng)有良好的歐姆接觸。因此探針應(yīng)當(dāng)比較尖，與樣品的接觸點(diǎn)應(yīng)為半球形，使電流入射狀發(fā)散，且接觸半徑應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于針距。電流通過樣品時不應(yīng)該引起樣品的電導(dǎo)率發(fā)生變化。因?yàn)橛商结樍魅氲桨雽?dǎo)體樣品中的電流往往是以少子方式注入的。例如n型材料樣品，電流往往不以電子（多子）從樣品流出進(jìn)入探針，而是以空穴（少子）向n型樣品注入。這種少子注入效應(yīng)隨電流密度增加而增加，當(dāng)電流密度較大時，注入到樣品的少子濃度就可以大大增加，以致樣品在測量區(qū)域的電導(dǎo)率增加，這樣測量出的電阻率就不能代表樣品的實(shí)際電阻率。因此，應(yīng)在小注入弱電場情況下進(jìn)行測量。二、直線四探針法測試原理分析直線四探針法測準(zhǔn)條件分析上面提到的少子注入效應(yīng)，一方面與電流密度有關(guān)；另一方面還與注入處的表面狀況和樣品本身電阻率有關(guān)。因?yàn)樽⑷脒M(jìn)去的少子時非平衡載流子，依靠雜質(zhì)能級和表面復(fù)合中心與多子相復(fù)合，因此如果材料的本身電阻率低，那么非平衡少子壽命也低。若表面經(jīng)過粗磨或噴砂處理，產(chǎn)生很多復(fù)合中心，這樣注入到樣品中的少子就在探針與樣品接觸點(diǎn)附近很快復(fù)合掉，減少了少子對測量區(qū)電導(dǎo)率的影響，從而保證電阻率測量的正確性。電阻率測量值要通過測量2、3探針間的電位差進(jìn)行換算。用電壓表測量會產(chǎn)生壓降，因此，要測量精確的電壓V23，所以規(guī)定使用電位差計(jì)或高輸入阻抗的電子儀器（如多位數(shù)字電壓表）來進(jìn)行測量。二、直線四探針法測試原理分析直線四探針法測準(zhǔn)條件分析電流I在測量間應(yīng)該保持恒定。特別是探針壓力不夠時，往往會發(fā)生變動。另外，電流I的大小還與電流表的精度有很大的關(guān)系應(yīng)關(guān)注探針間距對測試結(jié)果的影響。探針間距直接關(guān)系到四探針電阻率的計(jì)算，因此，如果間距都相等，那么測定間距的任何誤差都轉(zhuǎn)化為相同的電阻率的誤差。測量區(qū)域、邊緣修正和厚度修正：一般當(dāng)樣品直徑方向上最小尺寸大于40S（S為探針間距）時，邊緣效應(yīng)的修正因子就不需要再修正；樣品厚度大于5S時，厚度修正因子也不需要修正。薄片樣品因?yàn)槠浜穸扰c探針間距比較，不能忽略，因此測量時需提供修正系數(shù)。測試環(huán)境與溫度修正：一般來說，四探針測試過程中要求測試室的環(huán)境恒溫、恒濕、避光、無磁、無震。通常四探針電阻率測量的參考溫度為23±0.5℃。二、直線四探針法測試原理分析測量電流的選擇在測量過程中，通過樣品的電流從兩方面影響電阻率：（1）少子注入并被電場掃到2、3內(nèi)探針附近使電阻率減小。（2）當(dāng)電流較大時使樣品發(fā)熱，樣品測量區(qū)溫度升高。一般雜質(zhì)半導(dǎo)體當(dāng)溫度升高（在室溫附近）時，載流子的晶格散射作用加強(qiáng)，會引起電阻率的升高。少子注入的影響取決于電流I、探針間距及少子壽命等。電流大，針距小，少子壽命長，影響就大，為此測量時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）為增加表面復(fù)合，減少少子壽命及避免少子注入，被測表面需粗磨或噴砂處理。（2）選取容易得到歐姆接觸的材料做探針，并給與一定的接觸壓力，以減少少子注入的影響。（3）適當(dāng)加大探針間距，但又要保證在測量區(qū)域內(nèi)電阻率均勻。二、直線四探針法測試原理分析測量電流的選擇綜上所述，為了避免電流通過樣品時產(chǎn)生焦耳熱和少子注入的影響，應(yīng)適當(dāng)減小測量電流。（4）應(yīng)當(dāng)降低測量電流以保證測量在弱電場下進(jìn)行。若樣品中電場過強(qiáng)，則少子的漂移距離很長，使樣品的電導(dǎo)率增大。少子注入一般對高阻樣品影響較大，因?yàn)楦咦铇悠繁旧矶嘧訚舛鹊?，少子壽命長，因此少子的漂移距離長一些。對低阻硅來說，為了得到一定一定大小的電壓往往要求測量電流大一些，這時誤差主要由焦耳熱引起。二、直線四探針法測試原理分析開機(jī)準(zhǔn)備檢查測試儀器運(yùn)行的環(huán)境要求是否合適，檢查電力供應(yīng)是否正常，所有條件具備后，啟動電腦，啟動測試臺。注意開機(jī)需要預(yù)熱5分鐘。物料準(zhǔn)備著裝要求：按照擴(kuò)散車間工作要求，穿戴好潔凈服，手套和一次性口罩。抽取測試片：用鑷子從出爐石英舟上一次取下5片測試片，抽取的順序和位置應(yīng)該從爐尾的石英舟開始抽取，從爐尾石英舟抽取第一片，爐口石英舟抽取最后一片，抽取中間三片分別是第一片和最后一片中間石英舟的均勻分布點(diǎn)。三、四探針測試操作方法上料在檢查測試臺無碎片的情況下，把待測硅片放置測試機(jī)上，擴(kuò)散面朝上，開始測試。三、四探針測試操作方法測試每片硅片要求測試五個點(diǎn)，分別為：中點(diǎn)、左上、右上、左下、右下，測試時先從爐口的第一片開始測試，后按順序一直測試到爐尾的最后一片。測試結(jié)束做好數(shù)據(jù)記錄。測試出來的方塊電阻應(yīng)控制在要求范圍內(nèi)，若超出范圍，應(yīng)及時通知工藝人員，由工藝人員做出調(diào)整。測試方阻的Mapping測試方阻操作三、四探針測試操作方法測試溫區(qū)中心右上右下左上左下平均方阻片內(nèi)極差片內(nèi)方阻不均勻性片間方阻不均勻性25點(diǎn)方阻不均勻性總平均方阻173.872.169.473.172.672.24.43.07%4.38%8.89%69.1275.275.074.868.469.272.56.84.72%367.766.767.969.565.567.54.02.99%468.863.065.869.866.366.76.85.13%567.662.966.870.464.566.47.45.58%測試方阻的數(shù)據(jù)：以方阻的Mapping為例，可以看出方阻在片內(nèi)分布很不均勻，中心方阻高，四邊