四探针培训资料ppt课件.pptx

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1、1四探针培训资料21、概述四探针法用于测量半导体材料（厚材和薄片）电阻率以及硅片上的扩散层、离子注入层的方块电阻，也可以测量玻璃或其他绝缘材料上所形成的导电膜方块电阻。四探针测试技术已经成为半导体生产工艺中应用最为广泛的工艺监控手段之一。与四探针法相比，传统的二探针法更方便些，因为它只需要操作两个探针，但是处理二探针法得到的数据却很复杂。3如上图，电阻两端有两个探针接触，每个接触点既测量电阻两端的电流值，也测量了电阻两端的电压值。我们希望确定所测量的电阻器的电阻值。总电阻值：RT=V/I=2RW+2RC+RDUT；其中RW是导线电阻

2、，RC是接触电阻，RDUT是所要测量的电阻器的电阻，显然用这种方法不能确定RDUT的值。矫正的办法就是使用四点接触法，即四探针法。4如上图，电流的路径与前幅图相同，但是测量电压使用的是另外两个接触点。尽管电压计测量的电压也包含了导线电压和接触电压，但由于电压计的内阻很大，通过电压计的电流非常小，因此，导线电压与接触电压可以忽略不计，测量的电压值基本上等于电阻器两端的电压值。这样消除掉了寄生压降，使得测量变得精确了。之后，四探针法变得十分普及。5四探针测试技术方法分为直线四探针法和方形四探针法。方形四探针法又分为竖直四探针法和斜置四探

3、针法。方形四探针法具有测量较小微区的优点，可以测试样品的不均匀性，微区及微样品薄层电阻的测量多采用此方法。四探针法按发明人又分为Perloff法、Rymaszewski法、范德堡法、改进的范德堡法等。值得提出的是每种方法都对被测样品的厚度和大小有一定的要求，当不满足条件时，必须考虑边缘效应和厚度效应的修正问题。下面重点介绍直线四探针法。62、直线四探针法测量原理在直线四探针技术中，四根探针通常是等距排成一条直线，给探针施加一定压力，使之垂直地压在一块相对于探针间距可视为半无穷大的样品上。外侧的两个探针之间施加电流，中间的两个探针之间

4、放置高精度电压表，就可以测出被测样品的电阻率。测量电路如下图所示：探针2处的电势V2=Iρ（1/S-1/2S）/2π探针3处的电势V3=Iρ（1/2S-1/S）/2π探针2和3之间的电势差V23=V2-V3=Iρ/2πS被测样品的电阻率ρ=2πSV23/I=CV23/I其中，C为四探针的探针系数，它的大小取决于四根探针的排列方法和针距。若取电流值I=C时，则ρ=V23，可由数字电压表直接读出。72.1薄片电阻率测量薄片样品因为其厚度与探针间距相近，不符合半无穷大边界条件，测量时要附加样品的厚度、形状和测量位置的修正系数。其电阻率值可

5、由下面公式得出：ρ=CVG（W/S）D（d/S）/I=ρ0G（W/S）D（d/S）式中：ρ0——为块状体电阻率测量值，G（W/S）——为样品厚度修正函数，W：样品厚度；S：探针间距，D（d/S）——为样品形状与测量位置的修正函数。当样品厚度满足W/S<0.5条件时,电阻率为：ρ=ρ0（W/2SLn2）D（d/S），式中Ln2为2的自然对数。当忽略探针几何修正系数时，即认为C=2πS时ρ=πVWD（d/S）/ILn2=4.532VWD（d/S）/I82.2扩散层的方块电阻测量当半导体薄层尺寸满足于半无穷大平面条件时：R0=πV/ILn

6、2=4.532V/I若取I=0.4532I0，I0为该电流量程满度值，则R0值可由数字表上读出的数乘上10后得到。93、影响四探针测量精度的主要因素造成四探针测试仪测量误差大、测量结果稳定性差的原因有很多方面，如测试环境、探针问题、测试设备的校准以及被测对象本身问题等。这里主要对温度、样品厚度、接触电阻等因素进行分析。3.1温度的影响半导体中载流子的浓度由两个因素决定，它们分别是载流子的状态密度函数g（E）和概率分布函数f（E）。当外界温度一定，则半导体在热平衡状态下的电子浓度n0和空穴浓度p0分别写为：可以看出，当环境温度T发生变

7、化时，载流子浓度n0和p0随之变化，则半导体的电阻率改变。10此外载流子的迁移率μ也与温度密切相关。迁移率受两种散射的影响，一种是晶格散射，另一种是电离杂质散射。晶格散射概率μL和温度T的关系为μL∝T-3/2。当温度升高，晶格散射的影响下载流子的迁移率将下降。这是由于温度升高使晶格振动加强，载流子受到散射的概率增大的缘故。而电离杂质散射概率μI与温度T的关系为μI∝NI-1T3/2，NI表示半导体中已电离的杂质浓度。可以看出，当温度升高，载流子的迁移率增大。这是由于载流子随机热运动速度变快，减少了在电离杂质附近停留的时间，受到散射

8、的影响被减小了。半导体电阻率ρ是载流子浓度n、p和迁移率μ的函数。写为：11根据前面的分析知道，载流子浓度n、p和迁移率μ都是温度T的函数，所以电阻率ρ必然受到温度T的影响。当T较低，半导体内部以电离杂质散射为主，所以迁移率μ随T升高