硅单晶外延层的质量检测与分析

硅单晶外延层的质量检测与分析

表征外延层片质量的主要参数是外延层电阻率、厚度、层错及位错密度、少数载流子
寿命、迁移率和表面状态等。下面仅介绍电阻率、厚度和层错密度的测量方法。

测量外延层电阻率的方法很多，对于在n＋衬底上外延N型层或p+衬底上外延P型层的硅
片，可用三探针法进行测量。其特点是测量方便，而且是非破坏性的，因此在生产和科研
中被广泛采用。
一、实验目的
1. 了解三探针的测量装置。
2. 掌握三探针测量电阻率的基本原理。3.熟悉三探针的测量方法及注意事项。

二、三 探针法的测量装置
针法的测量装置主要分探头，电源和显示三个主要部分。
电源：调压器、变压器和整流元件组成。
显示：由示波器和电压表组成，整个装置如图2.1 所示。

图2.1 三探针测试线路图

三、 三探针测量的基本原理

我们知道，当金属探针与半导体材料接触时会形成肖特基势垒，而金属探针又处在反

图2.2
衬 底
三探针法测量原理图

变探针1 和2 之间的电源电压，当电源电压达到某一值时，电流突然增大，产生雪崩击穿，对应一个反向击穿电压值。但是，这个击穿电压值很难由探针1 和2 之间测出，因为电流
经过探针1 时，在其周围产生一定电压降。为了能准确测量出探针2 与硅材料接触处的反向击穿电压值，引进探针3，一般称此为电压测量探针。在外延层中，除探针1 和2 附近外，其它区域基本上没有电流流过，可以认为除探针1 和2 附近外，其它各点是等电位的。
因此，探针2 和3 这间的电压就是肖特基结上的电压。加大探针1 和2 之间的电压，当电
流突然增大时，所对应的探针2 与3 之间的电压就是肖特基击穿电压值。只要能测出这个
击穿电压值，通过掺杂浓度与电阻率的关系曲线，就可得到外延层的电阻率。

四、三探针的使用方法
将待测外延片放在样品台上，使三探针接触样品，然后转动调压器，慢慢增加电压，
电压表上给出电压增加的数值，同时示波器屏幕上的图形逐渐拉长。当外加电压加到一定数值时，电压表数值不再增加，示波器上的图形电压轴方向不再拉而电流轴方向突然增加，如图2.3 所示。此时的电压称之为击穿电压。如再增加电压，电压表指示数值下降，示波器上图形被破坏，此时外延层就被击穿了，所测得的最大电压值即为击穿电压值。通过查对照表（表1）即得被测电阻率的数值。

2．随着钨丝压力的增加，肖特基结的漏电流显著增加，而击穿电压则慢慢减小，因5．击穿电压随触点直径增加而降低
II、外延层厚度的测量和
在一块理想硅单晶内部，所有构成这块硅单晶的原子，
律，周期性地排列着。外延层是在单晶衬底上生长起来的，
击穿电压值，引进探针3，一般称此为电压测量探针。在外延层中，除探针1 和2 附近
电压称之为击穿电压。如再增加电压，电压表指示数
值下降，示波器上图形被破坏，此时外延层就被击穿
了，所测得的最大电压值即为击穿电压值。通过查对
照表（表1）即得被测电阻率的数值。
五、三探针测量的注意事项
1．外延层表面必须保持清洁，如果有沾污就会使击穿特性不稳定。
此测量要在尽量小的压力下进行。
3．击穿电压的重复性不够好。应作几次测量取其平均值。
长，
图2.3 三针的使用方法
4．要保持钨丝针尖的清洁度。
，因此应经常更换钨丝探针以保持小的触点。
层错密度的测量在三维空间内都按着一定的规其结构也应和理想硅单晶一样，

但在实际的外延层内部，原子的排列往往在某些局部范围偏离这些规律，使其周期性受到
破坏，造成各种晶体缺陷，层错就是一种典型的面缺陷。
一、实验目的
1．了解小金相显微镜的基本结构和使用方法。2．掌握层错的显示、观察和计算方法
3．了解外延层厚度的测量方法。

二、金相显微镜的结构

只要在硅片表面显现出层错的正三角形边界，就可以根据公式由三角形边长L 求得外
延层厚度。

五、层错密度的测量

上式中视场面积根据显微镜的镜头和放大倍数决定，不同的放大倍数对应的视场面积是不
同的，我们用的视场面积为0.5mm2。
表2.1 击穿电压与电阻率的数值对照表

附：思考题