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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划半导体材料测试与分析半导体物理与器件实验报告姓名：刘秦华学号：半导体物理与器件实验报告学号：姓名：刘秦华实验内容：(1)光学显微镜下观察MOS，并测量其面积；(2)四探针法测量金属的方块电阻；(3)测量金属氧化层的厚度tox；(4)探针法测量MOS的高频CV曲线，判断半导体导电类型。实验仪器：XZT-2A四探针测量仪AgilentE4980APrecisionLCRMeter测量仪高倍光学显微镜分析用电脑2台实验原理：用光学显微镜观察，用软件计算测量MOS的面积四探针法测量金属的方块
2、电阻四探针法是一种简便的测量电阻率的方法。对于一般的线性材料，我们常常用电阻来表征某一段传输电流的能力，其满足以下关系式：lR?(式1-1)s其中、l和s分别表示材料本身的电阻率、长度和横截面积。对于某种材料满足关系式：?(neq?n?nhq?h)?1(式1-2)ne、nh、un、uh和q分别为电子浓度、空穴浓度、电子迁移率、空穴迁移率和基本电荷量。对于具有一定导电性能的薄膜材料，其沿着平面方向的电荷传输性能一般用方块电阻来表示，对于边长为l、厚度为xj方形薄膜，其方块电阻可表示为：R?ll?slxjxj(式1-3)即方块电阻与电阻率成正比，与膜层厚度xj成反比，而与正方形边长l无关。方块电阻
3、一般采用双电测电四探针来测量，测量装置如图3-4所示。四根由钨丝制成的探针等间距地排成直线，彼此相距为s(一般为几个mm)。测量时将针尖压在薄膜样品的表面上，外面两根探针通电流I(一般选取2mA)，里面的两探针用来测量电压V，通常利用电位差计测量。图3-4双电测电四探针测量薄膜方块电阻结构简图当被测样品的长度和宽度远远大于探针间距，薄膜方块电阻具体表达式为：R?cV(式1-4)I即薄膜的方块电阻和外侧探针通电流后在内探针处产生的电位差大小有关。如果样品的线度相对探针间距大不多时，上式中的系数c必须加以适当的修正，修正值与被测样品的形状和大小有关。根据高频下CV特性曲线判断半导体类型根据其曲线形
4、状判断半导体C-V测量基础C-V测量为人们提供了有关器件和材料特征的大量信息通用测试电容-电压测试广泛用于测量半导体参数，尤其是MOSCAP和MOSFET结构。此外，利用C-V测量还可以对其他类型的半导体器件和工艺进行特征分析，包括双极结型晶体管、JFET、III-V族化合物器件、光伏电池、MEMS器件、有机TFT显示器、光电二极管、碳纳米管和多种其他半导体器件。这类测量的基本特征非常适用于各种应用和培训。大学的研究实验室和半导体厂商利用这类测量评测新材料、新工艺、新器件和新电路。C-V测量对于产品和良率增强工程师也是极其重要的，他们负责提高工艺和器件的性能。可靠性工程师利用这类测量评估材料供
5、货，监测工艺参数，分析失效机制。采用一定的方法、仪器和软件，可以得到多种半导体器件和材料的参数。从评测外延生长的多晶开始，这些信息在整个生产链中都会用到，包括诸如平均掺杂浓度、掺杂分布和载流子寿命等参数。在圆片工艺中，C-V测量可用于分析栅氧厚度、栅氧电荷、游离子和界面阱密度。在后续的工艺步骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、电介质和多晶硅沉积、金属化等。当在圆片上完全制造出器件之后，在可靠性和基本器件测试过程中可以利用C-V测量对阈值电压和其他一些参数进行特征分析，对器件性能进行建模。半导体电容的物理特性MOSCAP结构是在半导体制造过程中形成的一种基本器件结构。尽管这类器件可以用于
6、真实电路中，但是人们通常将其作为一种测试结构集成在制造工艺中。由于这种结构比较简单而且制造过程容易控制，因此它们是评测底层工艺的一种方便的方法。图1.P型衬底上形成的MOSCAP结构的C-V测量电路图1中的金属/多晶层是电容的一极，二氧化硅是绝缘层。由于绝缘层下面的衬底是一种半导体材料，因此它本身并不是电容的另一极。实际上，其中的多数载流子是电容的另一极。物理上而言，电容C可以通过下列公式中的变量计算出来：C=A(/d),其中：A是电容的面积，是绝缘体的介电常数d是两极的间距因此，A和越大，绝缘体厚度越薄，电容值就越高。通常而言，半导体电容的大小范围从几纳法到几皮法，甚至更小。进行C-V测量时
7、要在电容的两极加载直流偏压同时利用一个交流信号进行测量。通常情况下，这类测量使用的交流频率范围从10kHz到10MHz。所加载的偏压作为直流电压扫描驱动MOSCAP结构从累积区进入耗尽区，然后进入反型区。图2.C-V测试中获得的MOSCAP结构的直流偏压扫描强大的直流偏压导致衬底中的多数载流子在绝缘层界面附近累积。由于它们无法穿透绝缘层，因此当电荷积累在界面附近时电容在累积区达到最大值。如图1所示。从C-V累积测量可以得到的一个基本参数就是二氧化硅的厚度tox。当偏压降低时，多数载流子从氧化层界面被排斥开，耗尽区形成。当偏压反相时，电荷载流子远离氧化层达到最大距离，电容达到最小值。根据这时的反
8、型区电容，可以推算出多数载流子的数量。这一基本原理同样适用于MOSFET晶体管，只是它们的物理结构和掺杂更加复杂。在偏压扫过这三个区的过程中还可以得到多种其他参数，如图2所示。利用不同的交流信号频率可以得到其他细节信息。低频可以揭示所谓的准静态特征，而高频测试则可以表现出动态性能。这两类C-V测试通常都是需要的。实验数据处理测量mos面积根据软件得到的mos的长宽为微米和微米A=*=*10m25具体数据详见图3透射电子显微镜及其在半导体中的应用杨晓龙摘要：本文介绍了投射电子显微镜的发展历史、系统组成、工作原理、成像模式和在半导体中的应用，根据图像分析了缺陷的类型。关键词：透射电子显微镜；半导体
9、；晶体缺陷1引言自1947年晶体管发明以来，半导体电路开始了飞速发展。由板级分立元件组成的电路，逐渐进化为芯片级集成电路，而且芯片集成度按照摩尔定律不断增长。从小规模集成电路到大规模，超大规模，甚大规模，以致现在的极大规模集成电路，单个芯片上集成的晶体管数已上亿，功能也变得十分强大。这都归功于制造工艺的进步。但是，再先进的制造工艺也无法避免缺陷。对于晶体管的尺寸已进入深亚微米的集成电路，微小的制造缺陷也可能造成整个电路失效。在集成电路的制造过程中，需要在一种半导体表面生长另一种材料，这常常会由于晶格不匹配或半导体表面缺陷导致电路失效。因而有必要研究半导体表面的晶格结构和不同半导体交界面处晶格的
10、匹配性。最直接的方法就是观测法，就是对半导体的表面成像。显微镜是用来观察微观世界的有力工具。传统的光学显微镜，常被用来观察生物细胞或病毒颗粒。可见光中波长最短的紫光的波长大约是400nm，但晶体中原子间直径的数量级为的，因此可见光照射到样品薄片上时，光波会直接绕过原子继续传播，和没有障碍物一样，因此用光学显微镜无法观察晶格结构。根据波粒二象性理论，具有一定动量的粒子对应着一种概率波，其波长?p，h是普朗克常数，p是粒子动量。高能电子束的波长可以很短。透射电子显微镜就是用与光学显微镜相同的原理，采用高能电子束的概率波代替可见光波作为显微镜的“光源”，使用电磁线圈代替(来自:写论文网:半导体材料测
11、试与分析)玻璃透镜来聚焦，在荧光屏或感光底片上成像的一种高分辨、高放大倍数的电子光学仪器。通过调整粒子动量改变概率波波长，使其与原子直径相接近。这样，当电子波通过样品薄片时就会发生明显的衍射，衍射图样包含了晶体结构信息，分析衍射像也可推知晶格结构。透射电子显微常用于物质表面的形貌分析，晶体的结构分析和物质的成分分析。2历史恩斯特阿贝最开始指出，对物体细节的分辨率受到用于成像的光波波长的限制，因此使用光学显微镜仅能对微米级的结构进行放大观察，而无法得到亚微米分辨率的图像。1891年，里克就认识到使用磁场可以使阴极射线聚焦。后来，汉斯布斯在1926年首次成功用一个电磁线圈对电子聚焦。1931年，德
12、国科学家ERuska和MKnoll制作了第一台透射电子显微镜，并用它得到了铝片的衍射图像和正常图像。1936年，英国制造了第一台商用透射电子显微镜。第二次世界大战之后，ERuska继续研究电子显微镜，生产了第一台能够放大十万倍的显微镜。这台显微镜的基本设计仍然在今天的现代显微镜中使用。3系统组成透射电子显微镜由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统组成。其结构如图1所示。其中最重要的是照明系统和成像系统。1)照明系统照明系统由电子枪和聚光镜组成，对于光学透镜，平行光穿过透镜后发生折射，会聚焦在透镜的焦点上。如同光学透镜控制光的聚焦、成像一样，电镜中的电子透镜可以对电子束进行聚焦，并控
13、制成像。电子透镜分为：静电透镜和磁透镜，其中磁透镜又分为：恒磁透镜和电磁透镜。这里主要介绍电磁透镜。电磁透镜是根据运动的电子在通作用是提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。电子枪由阴极、阳极和栅极组成。工作时，给阴极的钨丝加一相对较低的电压使其发热，容易发射电子；阳极接地，阴极接负高压，阳极指向阴极的强电场将阴极的电子拉出钨丝表面并被加速射向聚光镜；栅极上加一相对阴极的负100负1000伏的电压，产生的电场能对电子束产生向中心轴会聚的作用，同时对灯丝上自由电子的发射量也有一定的调控作用。图1透射电子显微镜结构电线圈产生的磁场中受到洛伦兹力的作用发生偏转的原理对电子束进行汇聚的，因而电子束
14、是以螺旋轨迹朝主光轴汇聚的。通过调节励磁电流就能很方便的调节磁场强度，从而调节透镜焦距和放大倍数。聚光镜就是电磁透镜，一般由23个透镜组成，作用是将电子枪发射出来的电子束流会聚成亮度均匀且照射范围可调的光斑，投射在下面的样品上。2)成像系统成像系统由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为100-300倍。高质量的物镜分辨率可达到。在物镜上产生哪怕是极微小的误差，都会经过多级高倍率放大而明显地暴露出来，所以物镜是电镜最关键的部分，其作用是：将来自样品不同点同方向同相位的弹性散射束会聚于其后焦面上，构成含有样品结构信息的散射花样或衍射花样；将来自样品同一点
15、的不同方向的弹性散射束会聚于其象平面上，构成与样品组织相对应的显微像。透射电镜的好坏，很大程度上取决于物镜的好坏。中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0-20倍调节。当放大倍数1时，用来进一步放大物镜像；当放大倍数方向横截面的晶格像，如图中箭头所示，可看出在界面上存在有原子台阶。图3InP/GaInAs(001)界面在方向横截面的晶格像图4显示了InAsSb/InAs(001)界面沿方向的晶格像，如图中所示，在界面上存在失配位错。图4InAsSb/InAS(001)界面沿方向的晶格像图5为CdTe晶体的晶格像，可以看出晶体中包含堆垛层错和刃型位错。图5CdTe晶体的晶格像图6显示了InxGa1-xAs/InP不同阱宽的多量子阱结构沿方向的高分辨显微图像。从该图中可以清楚看出，InP/InxGa1-xAs界面要比InxGa1-xAs/InP界面更平整，可达到原子级的平整程度。
