【电子行业标准(SJ)】 硅外延层电阻率的面接触三探针测试方法

中华人民共和国电子行业标准
SJ/T10481-94
硅外延层电阻率的面接触三探针测试方法
Test method for resistivity of silicon epitaxiallayers by area contacts three-probe techniques1994-04-11发布
1994-10-01实施
中华人民共和国电子工业部发布中华人民共和国电子行业标准
硅外延层电阻率的面接触三探针测试方法Test method for resistivity of silicon epitaxiallayers by area contacts three-probe techniques1主题内容与适范围
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本标准规定了测定硅外延层电阻率的面接触三探针方法（以下简称面接触法）。本标准适用于0.06-60Qcm的N/N*或P/P*型硅外延层电阻率的测量。2引用标准
SJ1550硅外延片检测方法
GB1550硅单晶导电类型测定方法GB1552硅单晶电阻率的直流四探针测量方法3术语
3.1雪崩击穿电压avalanchebreakdownvoltage外延层的反向伏-安特性曲线中达到的最大电压，如图1所示。30
3.2耗尽宽度deplationwidth
反向伏-安特性曲线
在金属-半导体接触附近的半导体区域内的宽度。在此宽度内，载流子几乎耗尽。对于面接触阶跃型模型，耗尽宽度与雪崩击穿电压和杂质浓度有关：tmim=3.61×107(VBa/N)1/2
中华人民共和国电子工业部1994-04-11批准(1)
1994-10-01实施
式中：tmina耗尽宽度，μm；
一雪崩击穿电压，V：
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N——外延层杂质浓度，原子数/cm2。3.3变化系数variationcoefficient=[1
表示电阻率相对波动的大小。
式中：-
变化系数，%：
—平均电阻率值，Qcm；
p:第次测量电阻率值，n.cm;
一测量次数。
4方法提要
p)271/2
·（2）
金属与半导体接触的反向雪崩击穿电压V与半导体电阻率β具有单值函数关系。假设外延层和单晶服从相同的雪崩击穿电压-电阻率关系，则可以借助一套已知电阻率的单晶样块，作出Vna～p的校准曲线B,当测得外延层的面接触雪崩击穿电压VBa后，即可通过此校准曲线B,定出该外延层的电阻率p。5测试装置
5.1外延片电阻率测试装置
测试装置原理图如图2所示。
图2测试装置原理图
1,3探针：
2：汞球探针；
4：恒流源；
5:取样电阻；
6：显示装置；
7：样品外延层；
8：样品衬底。
5.1.1恒流源：提供交流、直流或脉冲的电源，最大电压不低于300V(峰值)。5.1.2显示装置：测量雪崩击穿电压用，采用示波器、数字电压表或峰值电压表，电压测量准确度在整个电压量程内要求为土5%。显示仪器的输入阻抗不小于10Mn。5.1.3取样电阻：阻值在10～10000之间，准确度要求在±1%之内。5.1.4探针
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5.1.4.1图2中1、3探针材料应选择硬度大、电阻率低的材料，如钨、钱、高速工具钢以及磷青铜合金等。它和硅单晶或外延层形成欧姆接触。5.1.4.2图2中的2汞球探针由银针及其顶端的汞球构成，为面接触探针。它和硅单晶或硅外延层形成整流接触。
5.1.4.31、3两支探针为S形，富有弹性，其针尖直径为0.4mm。针头部应经高度抛光，在400倍显微镜下看不到缺陷、尘埃和污点（目镜不超过12.5倍）。5.1.4.4银针2的直径为1.0±0.1mm。银针头部同探针1，3处理要求相同。5.1.4.5探针1，3压力选定在0.5~1.0N之间。5.1.4.6在面接触雪崩击穿条件下，要求探针1,3到银针距离大于突变结的耗尽层宽度的10倍。银针2的中心点和探针1，3的距离要相等。5.1.4.7面接触探针头的形成：探针1,3和银针2要保证在同一条直线上，且探针1，3伸出探针座的长度一定要相等。银针2伸出探针座的长度比探针1，3短1.5mm左右，在银针顶上吸上0.5土0.1mm的清洁汞球，便形成了面接触探针头。5.2加工清洗设备和校准设备
5.2.1半导体工业通用的切割和研磨半导体晶体的设备和半导体片清洗、腐蚀、化学抛光的设备。
5.2.2带洗涤池或其他安全配置的化学通风橱处理挥发性试剂和酸。烧杯和容器由不怕化学制品侵蚀的聚乙烯或碳氢聚合物材料制成。5.2.3电阻率测定符合GB1552共线四探针阵列测量硅片电阻率的设备。5.2.4导电类型测定符合GB1550的测量设备。5.2.5厚度测量符合SJ1550的装置。6试剂和材料
6.1试剂纯度全部使用化学纯。
6.2水纯度——25c下蒸水或去离子水，其电阻率应大于2MQcm。6.3对于下面的化学制品应具有如下的要求：浓氢氟酸（HF）
40%；
三氯乙烯（CHCL）99%；
6.4氮气露点为-60℃。
7测试环境
7.1温度：23±2℃。
7.2相对湿度：≤65%。
(CH,OH) 99.5%。
7.3检验装置应有工频滤波和电磁屏蔽，周围应无有害的腐蚀气氛，避免震动。8硅单晶标准样块的制备及处理方法8.1硅单晶标准样块的规格及尺寸要求8.1.1每套标准样块由20块组成，它们的电阻率能均匀覆盖0.06～60Qcm范围内，并按GB—3
1550测定标准样块的导电类型。SJ/T10481-94
8.1.2要求标准样块的电阻率不均匀度小于5%。8.1.3标准样块的几何尺寸为40mm×5mm。8.2标准样块电阻率的测景及计算8.2.1按GB1552测量标准样块的电阻率。测量温度为23±2℃，要求在样块的不同位置上测五点。这五点位置为：在样块中心处及在两条互相垂直的直径上距边缘6mm处的对称点上。由此得出的电阻率用e（Qcm）ps（Qcm）表示。若任意两点的电阻率的差大于电阻率最大值的10%，则该样块就不宜采用。8.2.2每块标准样块的平均电阻率e按下式计算：（3)
8.2.3每块标准样块的电阻率不均匀度按下式计算：E=
2(emmx=Pmin）
(pmax+pmin）
式中：PmxvPmia——分别代表所测五点电阻率的最大值和最小值。8.3标准样块的处理
8.3.1采用与衬底相同的磨抛工艺，制备成无损伤的镜面。（4)
8.3.2清洁处理方法如下：有机试剂（三氟乙烯）去油→在含氢氟酸高于40%的溶液中漫泡15min→热去离子水冲洗→干燥，备测。9面接触法校准曲线B及其判别曲线F的绘制9.1使用三探针测试装置，采用上述面接触探针头，在标准样块的五个位置上，测出面接触雪崩击穿电压VB，这五个点可选择在标准样块的中心半径小于标准样块平均半径一半的圆周上。并且以这五个雪崩击穿电压测量值的平均值，作为该标准样块的雪崩击穿电压值VBaoo
1VBelo
.（5)
结合每块标准样块的四探针平均电阻率（见公式(3)),在双对数纸上作出VBa～β关系曲线，即图3中的B线。
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VBa (V)
VBae~e关系曲线wwW.bzxz.Net
9.2由上述标准样块测得的平均电阻率e,从欧文曲线查得杂质浓度N（原子数/cm2)。又从公式(1)求得这套标准样块的面接触法的耗尽层宽度。在双对数纸上作出βp（α cm）～tmin（um）关系曲线，即判别曲线F，如图4所示。只有当被测外延片电阻率和外延层厚度的关系在曲线F的右侧，本方法适用。即使用本方法时，在特定的电阻率下，外延层的厚度不能低于特定的数值，可从得到的电阻率和实际的外延层关系得到判断。102
10外延层电阻率的测量步骤
p（acm）~tmina（μm）关系曲线tain(10~m)
10.1将刚经外延淀积的外延片放置在保护气氛中，在1h内进行测量，否则需要清洗。清洗方法如下：有机试剂（三氯乙烯）去油→自然干燥→氢氟酸中放置1min→去离子水冲洗→乙醇中漂洗→自然干燥。
10.2接通电源，使探针2的击穿点处于反相偏置之下。s
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10.3在测量之前应按SJ1550用层错法测得陪片的外延层厚度T（um），以确定是否产生穿通。
10.4将样品放置在样品台上，按9.1要求选择测量点。10.5将探针放下，压在待测样品的测量点上。10.6逐渐加大探针压力，满足5.1.4.5的要求，且使汞球和外延层形成面接触。10.7以小于2mA/s的速度加大电流，测量并记录下面接触雪崩击穿电压VBa（V）。10.8把探针抬起并将探针压在下一个位置上（按照9.1取位）。10.9重复四次10.4～10.8的步骤。11计算结果
11.1由面接触法所测得的每个雪崩击穿电压V，查图3中B线，求得该外延层五个电阻率数据，按式（3)计算外延层平均电阻率pc11.2按公式(4)计算电阻率的不均匀度E。11.3按式(2)计算变化系数。
11.4若变化系数小于10%，则结果成立。11.5若变化系数大于10%，则需要重测。将汞球探针2定位在尽量靠近上次测量的位置上重测，但要避免面接触痕迹重叠。若电阻率变化很大，或者三探针仪工作不正常，就会得到很大的变化系数。无论哪一种情况都必须检验一下测量的有效性。11.6如果重新测出的变化系数与原值相差两个百分点或更小，则可认为探针仪无问题，而是试样电阻率不均匀，并在图上标出每次测量位置和电阻率平均值。11.6.1如果重新测出的变化系数大于原值两个百分点，则可认为面接触探针头工作不正常。应换上一个符合要求的面接触探针头，重新核准和测量。12注意事项
12.1校准曲线B每季度用全套标准样块进行校正，每天用不少于4块的标准块进行校正，如果出现重大偏离，应立即寻找原因，并用全套标准样块重新校准。12.2被测样品应放在散热良好的底盘上，外延淀积出炉后，在室温下放置10min，并在1h内进行测量，否则要清洁处理后才可测量。12.3注意汞有毒，操作应在通风橱中进行，操作者必须戴口罩。测毕后应立即取下汞球，放在安全处。
12.4在如下条件下本标准测得的面接触雪崩击穿电压VB会发生偏低现象：a.湿度大于65%：
b.外延层表面不清洁；
c.汞球氧化；
d.当面接触法测量硅外延层的雪崩击穿电压时，有些样品伴有电击穿和热击穿双重因素关系（即热现象）所致；
e.外延层电阻率的均匀性太差；f.1,3探针不洁或表面氧化。
13实验报告
13.1报告要求下列内容：
样品鉴定；
外延层导电型号：
外延层厚度；
平均层电阻率po
如有需要，还可要求下列资料：a.
变化系数；
测量位置或图；
电流源的型号和显示系统；
击穿探针材料；
击穿探针头的半径；
击穿探针施力；
复制校准曲线。
附加说明：
SJ/T10481-94
本标准由电子工业部标准化研究所归口。本标准由电子工业部第四十六研究所、常熟半导体器件厂负责起草。本标准主要起草人：孙毅之、程元生、朱坤宝、夏瑞明、王凤仙。7
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