四探针测试仪测量薄膜的电阻率(2012)

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1、四探针测试仪测量薄膜的电阻率一、实验目的1、掌握四探针法测量电阻率和薄层电阻的原理及测量方法；2、了解影响电阻率测量的各种因素及改进措施。二、实验仪器采用SDY-5型双电测四探针测试仪（含：直流数字电压表、恒流源、电源、DC-DC电源变换器）。三、实验原理电阻率的测量是半导体材料常规参数测量项目之一。测量电阻率的方法很多，如三探针法、电容---电压法、扩展电阻法等。四探针法则是一种广泛采用的标准方法，在半导体工艺中最为常用。1、半导体材料体电阻率测量原理图1点电流源电场分布在半无穷大样品上的点电流源，若样品的电阻率ρ均匀，引入点电流源的探针其电流强

2、度为I，则所产生的电场具有球面的对称性，即等位面为一系列以点电流为中心的半球面，如图1所示。在以ｒ为半径的半球面上，电流密度ｊ的分布是均匀的：若E为ｒ处的电场强度，则：由电场强度和电位梯度以及球面对称关系，则：图2任意位置的四探针取ｒ为无穷远处的电位为零，则：（1）10上式就是半无穷大均匀样品上离开点电流源距离为ｒ的点的电位与探针流过的电流和样品电阻率的关系式，它代表了一个点电流源对距离ｒ处的点的电势的贡献。对图2所示的情形，四根探针位于样品中央，电流从探针1流入，从探针4流出，则可将1和4探针认为是点电流源，由1式可知，2和3探针的电位为：2、3

3、探针的电位差为：此可得出样品的电阻率为：图3四探针法测量原理图上式就是利用直流四探针法测量电阻率的普遍公式。我们只需测出流过1、4探针的电流I以及2、3探针间的电位差V23，代入四根探针的间距，就可以求出该样品的电阻率ρ。实际测量中，最常用的是直线型四探针（如图3所示），即四根探针的针尖位于同一直线上，并且间距相等，设r12=r23=r34=S，则有：需要指出的是：这一公式是在半无限大样品的基础上导出的，实用中必需满足样品厚度及边缘与探针之间的最近距离大于四倍探针间距，这样才能使该式具有足够的精确度。如果被测样品不是半无穷大，而是厚度，横向尺寸一定

4、，进一步的分析表明，在四探针法中只要对公式引入适当的修正系数BO即可，此时：10另一种情况是极薄样品，极薄样品是指样品厚度d比探针间距小很多，而横向尺寸为无穷大的样品，这时从探针1流入和从探针4流出的电流，其等位面近似为圆柱面高为d。任一等位面的半径设为ｒ，类似于上面对半无穷大样品的推导，很容易得出当r12=r23=r34=S时，极薄样品的电阻率为：上式说明，对于极薄样品，在等间距探针情况下，探针间距和测量结果无关，电阻率和被测样品的厚度d成正比。就本实验而言，当１、２、３、４四根金属探针排成一直线且以一定压力压在半导体材料上，在１、４两处探针间通

5、过电流I，则２、３探针间产生电位差V23。材料电阻率：(2)（2）式中：S为相邻两探针１与２、２与３、３与４之间距，就本实验而言，S=1mm，C»6.28±0.05(mm)。若电流取I=C时，则ρ＝V，可由数字电压表直接读出。2、扩散层薄层电阻（方块电阻）的测量极薄样品，等间距探针情况半导体工艺中普遍采用四探针法测量扩散层的薄层电阻，由于反向PN结的隔离作用，扩散层下的衬底可视为绝缘层，对于扩散层厚度(即结深Xj)远小于探针间距S，而横向尺寸无限大的样品，则薄层电阻率为：实际工作中，我们直接测量扩散层的薄层电阻，又称方块电阻，其定义就是表面为正方形

6、的半导体薄层，在电流方向所呈现的电阻，见下图。10所以：因此有:实际的扩散片尺寸一般不很大，并且实际的扩散片又有单面扩散与双面扩散之分，因此，需要进行修正，修正后的公式为：四、本仪器及实验的优点采取四探针双位组合测量新技术提高了测量结果的准确度。该仪器采用了四探针双位组合测量新技术，将范德堡测量方法推广应用到直线四探针上，利用电流探针、电压探针的变换，进行两次电测量，能自动消除样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素对测量结果的影响。因而每次测量不必知道探针间距、样品尺寸及探针在样品表面上的位置。由于每次测量都是对几何因素的影响进行动态

7、的自动修正，因此显著降低了几何因素影响，从而提高了测量结果的准确度。所有这些，用目前大量使用的常规四探针测量方法所生产的仪器是无法实现的。各种形状的薄膜材料及片状材料均可用该仪器测量。使用本仪器进行测量时,由于不需要进行几何边界条件和探针间距的修正，因而对各种形状的薄膜材料及片状材料有广泛的适用性。仪器特别适用于测量片状半导体材料电阻率以及硅扩散层、离子注入层、异型外延层等半导体器件和液晶片导电膜、电热膜等薄层(膜)的方块电阻。设备简单，操作方便，精确度高。仪器以大规模集成电路为核心部件，特别采用了平面轻触式开关设计和各种工作状态LED指示，并应用

8、了微计算机技术，利用HQ-710F型微计算机作为专用测量控制及数据处理器,使得测量、计算、读数更加直观、快速，并能打印全部