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硅的電阻率和方阻測定和使用問題解析

中科院半導(dǎo)體所 ? 來源:芯云知 ? 2024-01-13 10:38 ? 次閱讀
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MEMS器件設(shè)計過程中電學(xué)性能是重中之重。MEMS大多數(shù)由襯底、介質(zhì)層和金屬層組成,硅襯底、多晶硅和金屬均與電學(xué)性能密不可分。其中,硅作為最常見的半導(dǎo)體材料,可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅,它的電阻率和方阻的測定和使用問題,有很多半導(dǎo)體初學(xué)者都沒有想明白。

電阻率和方阻

電阻率(Resistivity)是用來表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量,是材料的固有屬性。某種材料制成的長為1m、橫截面積為1m2的導(dǎo)體的電阻,在數(shù)值上等于這種材料的電阻率,單位是Ω·m(半導(dǎo)體習(xí)慣用Ω·cm)。對半導(dǎo)體硅材料來說,電阻率與硅內(nèi)部的電子和空穴的濃度相關(guān),與其尺寸和形狀無關(guān)。

方阻,全稱是方塊電阻(Sheet Resistance),指薄膜單位面積上的電阻,等于電阻率除以厚度,單位為Ω/□。方塊電阻有一個特性,即任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的,不管邊長是1m還是1mm,它們的方阻都是一樣。

對于硅材料,什么時候用電阻率,什么時候用方阻呢?

對硅晶圓或絕緣體上硅(SOI),規(guī)格書上通常用電阻率表征其基本電學(xué)參數(shù)。硅片一般分為高阻硅和低阻硅,高阻硅中的雜質(zhì)濃度非常低,通常在1012cm-3以下,這使得高阻硅片的電阻率非常高,在103-106Ω·cm之間。相對于低阻硅,高阻硅的制造工藝極為難,電阻越高要求的硅的純度越高,很多標稱的高阻硅經(jīng)過退火,電阻率都有一定程度的衰減。

方阻這個概念,主要是針對薄膜提出來的,它的提出使MEMS器件電學(xué)設(shè)計更為簡便。它好比一個正方形方塊積木,我們知道了方阻值,只要數(shù)出它的方塊數(shù)(電阻的長除以寬),就很容易計算出總電阻。所以,方塊和方阻的引入,極大了方便了設(shè)計和制造人員之間的溝通。對于多晶硅或者注入單晶硅,我們甚至不需要知道注入深度(結(jié)深),只需要測定方阻值,即可輕易完成電路部分的設(shè)計。

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圖1 不同尺寸方塊數(shù)相同的兩個摻雜硅總電阻相同

測定方法

四探針法是一種常用的測試半導(dǎo)體材料電阻率和方阻的方法,其基本原理是在樣品上放置四個探針,通過測量探針之間的電流和電壓關(guān)系,可以計算出樣品的電阻率和方阻等參數(shù)。四探針法通常用于測量薄層材料的方阻,因為它可以消除接觸電阻的影響,并且具有較高的測量精度。

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圖2 四探針法測試方阻示意圖

四根探針,間距均為s;探針適當(dāng)施加壓力,垂直落于硅片上,形成歐姆接觸;2個外側(cè)探針(1,4)之間施加電流I14,形成測試回路;2個中間探針(2,3)連接高阻抗精密電壓表,測得電位差V23;方阻計算公式為:

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從公式看,四探針法測試方阻與薄膜厚度形狀無關(guān),方便測試及讀出,無需再測定膜厚或者結(jié)深厚度去反推電阻率。

如果要測定厚度大于0.1mm,直徑2英寸以上的硅晶圓的電阻率,其計算公式為:

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審核編輯:劉清

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原文標題:一文讀懂硅的電阻率和方阻

文章出處:【微信號:bdtdsj,微信公眾號:中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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