CN102520249A - 一种测定半导体薄膜膜厚方向电导率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘衬底上的半导体薄膜厚度方向电导率的测量方法，首先在绝缘衬底上依次沉积第一条形导电金属薄膜、第一绝缘层、待测半导体薄膜、第二绝缘层及第二条形导电金属薄膜层；第一层绝缘层与第二层绝缘层在相同位置留有大小位置完全相同的导电小孔；其次，使上下两层金属薄膜与中间夹层半导体薄膜通过上下两导电小孔接触导通，形成串联的电流通路；然后，对该电流通路通入一定电流，并采集半导体薄膜两表面间对应于两开孔处的电压值；最后，根据所测得的电压值及对其所通电流值，即可求得半导体薄膜厚度方向的电导率。本发明原理简单，设备均为常见简单测试仪表，搭建和测试成本都成本低且简单易行，测试精度较高，数据处理极为简便。

Description

一种测定半导体薄膜膜厚方向电导率的方法

技术领域

本发明属于薄膜热物性测试技术领域，具体涉及一种半导体薄膜膜厚方向电导率的测定方法。

背景技术

对于微纳米材料、微电子微机电系统(MEMS)、纳米薄膜热电材料而言，电导率是非常重要的物性参数。对于各种材料薄膜膜厚方向电导率的测试已经有很多报道，但是由于薄膜在厚度方向尺寸极小，通常为微米甚至纳米级，因此无法直接测量，用于宏观尺寸样品的电导率测试方法均无法使用在薄膜样品厚度方向的测量中。如广泛使用的四探针法，在宏观样品的测试中，由于可以排除电路电阻以及接触电阻的影响，被广泛运用于各种材料的电导率测试，但由于薄膜膜厚方向尺寸极小，无法在厚度方法搭建4个探针，因此无法用于薄膜厚度方法的电导率测量。据文献报道，在薄膜膜厚方向电导率的测量中，广泛使用的为增强的传输线模型法(ETLM)(①R.Venkatasubramanian.in Recent Trends inThermoelectric Materials Research III(ed.Tritt，T.M.)Ch.4(Academic，SanDiego，2001)，即在传输线模型(TLM)法(②H. H. Berger.J.Electrochem.Soc，1972，119(4)：507)的基础上进行改进的一种测试方法，先由TLM法测得金属探针与薄膜的接触电阻，再进一步得到薄膜膜厚方向的电导率。但该方法需要加工出样品的台式结构，在样品台式结构上再加工出与台式结构相同的金属探针，加工难度较大；另外，由该方法实际上测得的薄膜电导率为台状结构的厚度方向的电导率，而并非薄膜本身的电导率，而该测量方法成立的前提是台式结构的电导率与薄膜本体的电导率相同，且不能随厚度有所变化。若薄膜电导率随厚度有所变化，则所测电导率并不一定与薄膜本体厚度方向的电导率相同。

因此，薄膜膜厚方向的电导率测量较为困难，方法较少，且加工较为困难，难以保证所测得电导率为所待测薄膜样品厚度方向的电导率。

发明内容

本发明目的在于提供一种半导体薄膜厚度方向电导率的测试方法，该方法仅需利用直流电源及精密电压表即可得到薄膜厚度方向的电导率，且样品制备较容易，数据处理简便，测试精度较高。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种绝缘衬底上的半导体薄膜厚度方向电导率的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，在绝缘衬底上由下而上依次沉积第一条形导电金属薄膜、第一绝缘层、待测半导体薄膜、第二绝缘层及第二条形导电金属薄膜层；其中第一层绝缘层与第二层绝缘层在相同位置留有大小位置完全相同的导电小孔；

其次，使上下两层金属薄膜与中间夹层半导体薄膜通过上下两导电小孔接触导通，形成串联的电流通路；

然后，对该电流通路通入一定电流，并采集半导体薄膜两表面上对应于两开孔位置处的电压值；

最后，根据所测得的电压值及对其所通电流值，再结合半导体薄膜与金属薄膜层的接触电阻，即可求得半导体薄膜厚度方向的电导率。

进一步地，所述半导体在薄膜厚度方向的电导率为：

$G=\frac{d}{R^{\′}S}$

式中，上下两层绝缘层上的开孔面积均为S，d为半导体薄膜厚度，R’为半导体薄膜在厚度方向上面积为S的电阻值。

进一步地，所述电阻值R’通过如下公式得到：

R’＝R-R₁-R₂

式中，R＝U₁/I₁，U₁为半导体薄膜两表面在对应开孔位置之间的电压值，I₁为流过所述电流通路的电流，R₁和R₂分别为上下两接触电阻的阻值。

本方法所需设备为：可调直流电源一台，精密电流表、电压表各一个。将样品、电流表串联起来，由可调直流电源供电，精密电流表读取通过薄膜样品电流的大小，精密电压表直流测量样品中两个电压测试端的电压值。

本发明适用于沉积在绝缘衬底上的半导体薄膜厚度方向电导率的测试。要求衬底为绝缘衬底或在导体衬底上镀一层绝缘层。本发明采用了全新的微加工布线设计，在对薄膜厚度方向通电时，可以直接通过电压表测量两侧金属薄膜的电压测试端而得到半导体薄膜两侧的电压值，样品布线考虑了电路中电阻的影响，设计了电流通路与电压测试端分离，从而避免了电路中其它环节电阻的影响。再结合TLM法提前测试得到的金属薄膜与半导体薄膜的接触电阻，可通过简单的计算直接得到薄膜厚度方向的电导率。本发明使用简单的样品布线及电路设计实现了对半导体薄膜样品两侧电压信号的直接提取，通过简单运算即可得到薄膜厚度方向的电导率，解决了衬底上半导体薄膜厚度方向电导率的测量，且操作方便，测试设备价格低廉，易于购买和搭建。

附图说明

图1为本发明测试电路及样品剖视图；

图2为样品布线结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明装置的结构包括样品布线和测试电路两个部分。

图1为衬底上样品结构剖面示意图，由待测半导体薄膜层、上下各一层导电金属薄膜以及起到绝缘导流作用的绝缘层组成，薄膜的沉积加工顺序依次为：导电金属薄膜2、绝缘层、待测半导体薄膜、绝缘层和导电金属薄膜1。在半导体薄膜两侧绝缘层的相同位置，通过掩模光刻的微加工方式加工出大小形状完全相同的小孔K₁和K₂下，小孔大小可根据具体情况进行选择，本实施例中可优选直径为10-20微米，采用其他尺寸也可。在带有小孔的绝缘薄膜层上镀膜，使上下两金属薄膜1、2与待测半导体薄膜接触导通。

如图1所示，A、B与C、D分别为导电金属薄膜1、2的两端，其中A、D分别为两电导金属薄膜的通电流端，B、C为电压采集端。

电路由可调直流电源P、精密电流表I和精密电压表U组成。电源连接导电金属薄膜1的A端和导电金属薄膜2的D端形成闭合回路，电流表I串联在回路中。两导电金属薄膜的B、C端接电压表U。

具体测试步骤如下：

1.打开可调直流电源P，调至适合电压，对半导体薄膜样品通电。

2.分别通过电流表I和电压表U读取电流值I₁和电压值U₁。由于电流流经导电金属薄膜1的A、小孔K₁、半导体薄膜、小孔K₂和导电金属薄膜2的D端。小孔K₁与B端及小孔K₂与C端无电流通过，因此，可以认为B、C两端电压U₁即为小孔K₁、K₂之间的电压，即半导体薄膜两侧的电压差。

3.根据测得的电压值和电流值可求得半导体薄膜两侧的总电阻值为R＝U₁/I₁。小孔K₁和K₂的面积即导电金属薄膜与半导体薄膜的接触面积可测量，记为S。根据TLM法测得的比接触电阻，可得到上下两接触电阻R₁、R₂，其中R₁＝R₂，面积为S的半导体薄膜厚度方向的总电阻值为：R’＝R-R₁-R₂。当半导体薄膜厚度为d时，根据电导率定义，可得待测半导体薄膜厚度方向的电导率为：

$G=\frac{d}{R^{\′}S}=\frac{d}{(R-R_1-R_2)\·S}$

4.为了提高测量精度，可改变电源输出电压，得到不同电流I下薄膜两侧的电压值U，作UI曲线图，描点并拟合得到直线后，斜率即为半导体薄膜两侧的总电阻R。根据步骤3，最终可求得薄膜膜厚方向的电导率。

Claims (4)

1.一种绝缘衬底上的半导体薄膜厚度方向电导率的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先，在绝缘衬底上由下而上依次沉积第一条形导电金属薄膜、第一绝缘层、待测半导体薄膜、第二绝缘层及第二条形导电金属薄膜层；其中第一层绝缘层与第二层绝缘层在相同位置留有大小位置完全相同的导电小孔；

其次，使上下两层金属薄膜与中间夹层半导体薄膜通过上下两导电小孔接触导通，形成串联的电流通路；

然后，对该电流通路通入一定电流，并采集半导体薄膜上下两表面在对应于两开孔处之间的电压值；

最后，根据所测得的电压值及所通电流值，再结合半导体薄膜与金属薄膜层的接触电阻，即可求得半导体薄膜厚度方向的电导率。

2.根据权利要求1所述的的测量方法，其特征在于，所述半导体在薄膜厚度方向的电导率为：

$G=\frac{d}{R^{\′}S}$

式中，上下两层绝缘层上的开孔面积均为S，d为半导体薄膜厚度，R’为半导体薄膜在厚度方向上面积为S的电阻值。

3.根据权利要求1或2所述的的测量方法，其特征在于，所述电阻值R’通过如下公式得到：

R’＝R-R₁-R₂

式中，R＝U₁/I₁，U₁为半导体薄膜两表面在对应开孔位置之间的电压值，I₁为流过所述电流通路的电流，R₁和R₂分别为上下接触电阻的阻值。

4.根据权利要求1-3之一所述的的测量方法，其特征在于，所述上下接触电阻的阻值R₁和R₂通过由TLM法测得的比接触电阻得到。

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