Измерения удельного сопротивления кремния
Стандартные измерения удельного сопротивления германиевых слитков могут быть успешно выполнены с помощью усовершенствованного четырехзондового метода Беннера; в работе описываются преимущества и недостатки этого метода, так что нет необходимости подробно останавливаться на этом вопросе в настоящей работе. Четырехзондовый метод неприменим непосредственно к кремниевым слиткам, за исключением удельных сопротивлений менее 5 ом*см, из-за нестабильных контактных сопротивлений зондов, приводящих к флуктуациям тока в образцах. Более того, очень высокие значения контактного сопротивления затрудняют создание простого оборудования для устранения этих эффектов и часто приходится обращаться к обычному потенциометрическому зондовому методу, несмотря на то, что в этом случае необходимы образцы специальной формы и нежелательны паяные или гальванические токовые вводы. В настоящей работе описывается способ уменьшения контактных сопротивлений при четырехзондовом методе, который позволяет подводить через токовые зонды стабильный ток.
В первоначальных экспериментах применялся обычный метод измерения удельного сопротивления, а именно прямоугольные образцы кремния снабжались гальваническими токовыми контактами, и с помощью зондов определялось падение напряжения при прохождении через образец известного тока. Затем в этих образцах известного удельного сопротивления было измерено сопротивление с применением двух зондов в качестве токовых вводов и исследовано влияние на контактные сопротивления: 1) давления на зонды; 2) электрического формования зондов; 3) материала зондов; 4) обработки поверхности кремния.
Увеличение давления на зонды понижало контактное сопротивление, но эффект был недостаточен для того, чтобы можно было использовать проволочные зонды (диаметром приблизительно 0,3 мм) для изготовления удовлетворительных токовых вводов. Было обнаружено, однако, что разрядка конденсатора между зондами, изготовленными из проволок, содержащих примеси донорного или акцепторного типа (для n- или р-типа кремния соответственно), дает стабильные контакты низкого сопротивления, в результате чего через образец может проходить стабильный ток. Этот эффект можно объяснить вплавлением или диффузией примеси, содержащейся в зонде, в область, непосредственно примыкающую к зондовому контакту, и образованием под зондом области кремния низкого удельного сопротивления, дающего пониженное контактное сопротивление, т. е. пониженный выпрямляющий эффект.
Чтобы свести к минимуму введение неосновных носителей, было найдено целесообразным подвергать поверхность кремния легкой пескоструйной обработке, так как известно, что такая обработка приводит к высокой скорости поверхностной рекомбинации.
Результаты этих экспериментов были практически использованы в четырехзондовой аппаратуре, в которой можно легко выполнить электроформовку между любой парой зондов, а затем измерить кажущееся сопротивление при фиксированном напряжении порядка 10 в. Применялись зонды с расстоянием между ними приблизительно 0,10 см; зонды изготавливались из проволок диаметром 0,03 см из фосфористой бронзы и дуралюмина для кремния n- и р-типа соответственно. Для получения точечных контактов концы проволок электролитически травились. В общем последующий электроформующий разряд понижал Rc для любой пары контактов до значения, меньшего 50 ком. Было найдено, что при этом значении Rc между токовыми зондами проходит стабильный ток и, следовательно, разность потенциалов между зондами, снимающими напряжение, можно уже измерить с помощью стандартного лабораторного потенциометра.
Результаты измерений удельного сопротивления модифицированным четырехзондовым методом были сопоставлены с результатами, полученными обычным методом на тех же самых образцах. Типичные значения удельных сопротивлений, полученных этими двумя методами, приводятся в таблице.
Из таблицы видно, что измерение четырехзондовым методом удельных сопротивлений порядка нескольких сот ом*см дает надежные результаты с точностью примерно ±7%. Можно также измерять удельные сопротивления до нескольких тысяч ом*см, хотя при этих высоких значениях точность измерения уменьшается.