новая папка 1 / 747916
.pdfМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ЧЕТЫРЕХЗОНДОВЫМ МЕТОДОМ
Учебно-методическое пособие
Воронеж Издательский дом ВГУ
2019
Утверждено научно-методическим советом физического факультета 28 января 2019 года, протокол № 1
Составители: Л.Н. Владимирова, В.И. Петраков, И.В. Коняев, А.В. Калашников
Рецензент – канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры физики твердого тела и наноструктур В.М. Кашкаров
Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники физического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендовано для студентов физического факультета очной формы обучения по программам бакалавриата.
Для направлений: 11.03.04 Электроника и наноэлектроника; 03.03.03 Радиофизика (специализация «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы»)
2
|
|
|
Содержание |
|
|
|
Введение |
|
|
|
|
4 |
|
1. |
Теоретическая часть |
|
|
|
6 |
|
|
1.1. |
Особенности |
измерения |
удельного |
сопротивления |
6 |
полупроводниковых материалов |
|
|
|
|||
|
1.2. |
Методы |
измерения |
удельного |
сопротивления |
9 |
полупроводников |
|
|
|
|
||
|
|
1.2.1. Двухзондовый метод |
|
|
9 |
|
|
|
1.2.2. Четырехзондовый метод |
|
11 |
||
|
|
1.2.3. Метод движущегося зонда |
|
16 |
||
|
|
1.2.4. Бесконтактные методы |
|
|
17 |
|
2. |
Практическая часть |
|
|
|
22 |
|
|
2.1. Измерительная установка |
|
|
22 |
||
|
2.2. Проведение измерений |
|
|
23 |
||
3. |
Контрольные вопросы |
|
|
|
25 |
|
4. |
Список рекомендованной литературы |
|
|
26 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводники вошли и прочно закрепились в жизни человечества в середине прошлого века, а уже к концу XX века невозможно было представить развитие ни одной из отраслей науки и техники без продукции твердотельной полупроводниковой электроники. Бурному развитию микроэлектроники предшествовал этап всестороннего изучения свойств полупроводниковых материалов, разработки технологии получения особочистых элементарных полупроводников германия и кремния.
После того, как технологи научились получать Si и Ge с количеством примесей ~ 10-7 – 10-9 ат. % (а затем - и на несколько порядков меньше) разработка дискретных полупроводниковых приборов, а позже и микросхем стала развиваться невиданными для становления других отраслей науки и техники темпами.
В основу развития микроэлектроники положено использование уникальных свойств полупроводниковых материалов, в первую очередь, элементарных полупроводников - германия и кремния. Однако прогресс в технологии создания электронной компонентной базы на основе кремния был бы невозможен, если бы не была разработана планарная технология формирования и размерного травления тонких пленок различной природы на поверхности полупроводниковых подложек.
Но самым главным отличительным свойством элементарных полупроводников, учитываемым на всех этапах технологического процесса, оказалась существенная зависимость характеристик самого полупроводника и тонких пленок на его поверхности от состояния этой поверхности. Вклад процессов, протекающих на границе полупроводника с контактирующими фазами (твердой, жидкой, газообразной), зачастую превалирует над протекающими в объеме процессами.
4
В этой связи закономерен тот факт, что определение истинных значений электрофизических параметров полупроводника зачастую сопряжено с рядом трудностей, Среди таких электрофизических параметров полупроводников, например, кремния, прежде всего, следует указать на его удельную электропроводность или обратную ей величину – удельное электросопротивление.
Этот ключевой параметр контролируется на различных этапах получения и очистки полупроводникового материала до достижения заданных величин удельного сопротивления, а также в процессе непосредственного изготовления изделия электронной техники любой степени интеграции.
Однако сложность процессов, протекающих, в частности, на границе полупроводника с проводящими материалами, не дает возможности прямого измерения удельного электросопротивления полупроводника из-за появления вентильного эффекта в области контакта, что искажает измерения, не позволяя получить истинное значение измеряемой величины,
Это потребовало разработки целого ряда методов измерения удельного сопротивления полупроводников, различающихся как методикой подготовки образцов к измерениям, так и точностью, а также экспрессностью самих используемых методов.
5
1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1Особенности измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов
Полупроводники представляют собой обширный класс материалов, по уровню электропроводности занимающий промежуточное положение между хорошо проводящими проводниковыми материалами и почти не проводящими диэлектрическими, а главное их отличие от других материалов заключается в сильной зависимости свойств полупроводников от типа и количества введенных в него примесей, а также от вида и уровня внешних воздействий (температура, облучение и т.д.).
Определяющим фактором в оценке электрофизических параметров полупроводника является состояние его поверхности, а, следовательно, и способ ее предварительной обработки перед измерительными процедурами.
Реальная поверхность полупроводника всегда отличается от свойств объема, поскольку на ней присутствуют дефекты различной природы и протяженности. В частности, на поверхности полупроводника могут иметь место:
- дефекты роста кристаллов (выходы дислокаций, дефекты упаковки и
др.);
-нарушенные механической обработкой слои (резка, шлифовка, полировка и др.);
-адсорбция атомов, молекул и ионов из окружающей среды (физическая адсорбция или хемосорбция);
-реальный обрыв объема кристаллической решетки на поверхности, что соответствует обрыву ковалентных связей и появлению на энергетической диаграмме дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне (время перехода носителей заряда на поверхностные
6
уровни составляет ~10-8с, поэтому их называют быстрыми состояниями, через них осуществляется поверхностная рекомбинация);
- наличие оксидных пленок на поверхности полупроводника, что также создает дополнительные энергетические уровни (время перехода свободных носителей заряда на эти уровни от ~10-3с до нескольких суток, поэтому такие уровни называются медленными состояниями).
Поверхностные дефекты изменяют свойства поверхности в сравнении с объемом. Поверхностные уровни могут захватывать электроны и дырки, локализуясь на поверхности полупроводника. Из-за такой локализации возникает пространственный заряд, что приводит к искривлению энергетических зон. Область пространственного заряда проникает в полупроводник на глубину порядка 10-6м.
Появление поверхностных зарядов ухудшает частотные свойства полупроводниковых материалов, поэтому к таким материалам и технологическим средам, с которыми они контактируют, предъявляются повышенные требования.
Поверхность полупроводника, не защищенная должным образом от внешних воздействий, обычно имеет нестабильные свойства. Адсорбция различных примесей на поверхности сопровождается образованием дополнительных энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника.
Перераспределение носителей заряда между объемными и поверхностными состояниями может существенно повлиять на электрические свойства приповерхностной области (вплоть до образования слоя с электропроводностью противоположного типа).
Поверхность кремния после любой очистки при непродолжительном контакте с воздухом покрывается пленкой окисла, толщина которого колеблется в пределах 1 – 5 нм. Образование тонкой окисной пленки еще
7
более усложняет картину энергетических уровней, поскольку поверхностные состояния могут находиться не только в полупроводнике, но и в окисле.
Во многих случаях поверхностные явления оказывают на характеристики приборов более сильное влияние, чем физические свойства объема полупроводника.
Величина удельного сопротивления полупроводниковых слитков или пластин является одним из основных параметров, указываемых в сертификате полупроводникового материала. Кроме того, из температурной зависимости удельного сопротивления (или проводимости) можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника, энергию ионизации примесных уровней и другие параметры полупроводника.
Именно удельное сопротивление полупроводника позволяет получить на его основе полупроводниковый прибор с заданными электрическими характеристиками, а большой разброс величины удельного сопротивления по слитку может быть причиной увеличения производственного брака.
Удельное сопротивление у полупроводников в отличие от металлов измерить обычным методом «амперметра-вольтметра» зачастую невозможно, т.к. в результаты измерений войдут переходные сопротивления на контактах металл-полупроводник, которые могут во много раз превосходить искомое сопротивление измеряемого образца. Поэтому для измерений удельного сопротивления полупроводников используют зондовые методы.
8
1.2 Методы измерения удельного сопротивления полупроводников
1.2.1 Двухзондовый метод
Цель любого из зондовых методов измерения удельного сопротивления полупроводника – минимизация или исключение влияния на измеряемую величину контакта металл (зонд) - полупроводник.
Для измерения удельного сопротивления образцов правильной геометрической формы с известным поперечным сечением, в том числе для контроля распределения этого параметра по длине слитков полупроводниковых монокристаллов, может применяться двухзондовый метод.
При его применении на торцевые грани образца наносятся омические контакты и между ними пропускают ток. Вдоль линий тока на поверхности образца размещаются два потенциальных зонда, между которыми измеряется разность потенциалов (рис.1).
Если образец однороден, то его удельное сопротивление (Ом см)
U |
S |
, |
(1) |
|
|||
J l |
|
||
где J - сила тока, протекающего через образец, |
А; |
U - разность потенциалов между измерительными или потенциальными зондами, В;
l - расстояние между зондами, см;
S - площадь поперечного сечения, см2 .
Чтобы устранить влияние сопротивлений контактов зондов с образцом на результаты измерений, необходимо предельно уменьшить протекающий через них ток. Для этого используют вольтметры с высоким входным сопротивлением (~108Ом и более) или компенсационный метод измерения напряжения.
9
Влияние контактных сопротивлений в компенсационном методе исключается следующим способом (рис. 1).
Рис.1. Компенсационная схема измерения напряжения.
От источника E2 на измерительные зонды подается компенсирующее напряжение, равное по величине и противоположное по знаку падению напряжения, возникающему в результате прохождения тока через образец. Когда оба напряжения (компенсирующее и искомое падение напряжения)
выравниваются, ток через гальванометр будет отсутствовать. |
|
|||||
Обозначим через A и B потенциалы резистора R2 , а через A |
и B |
|||||
потенциалы зондов. Из схемы видно, что: |
|
|
|
|
||
|
|
A A , |
|
|
|
|
следовательно, ток через гальванометр будет |
идти только тогда, |
когда |
||||
B B . Другими словами ток |
|
через гальванометр |
отсутствует, |
если |
||
падение напряжения на нем B B |
|
|
|
|
. |
|
|
0 или A B A B |
|
||||
Таким образом, измеряя напряжение в |
момент |
компенсации, как |
показано на схеме, мы определяем падение напряжения на образце между
10