DE1268279B

DE1268279B - Method for measuring the resistivity of semiconductor material

Info

Publication number: DE1268279B
Application number: DEP1268A
Authority: DE
Inventors: Donald James Shombert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-10-17
Filing date: 1962-10-17
Publication date: 1968-05-16

Description

Verfahren zum Messen des spezifischen Widerstandes von Halbleitermaterial Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Leitfähigkeitstyps und des spezifischen Widerstandes von Halbleitermaterialien.Method for measuring the resistivity of semiconductor material The invention relates to a method for measuring the conductivity type and the resistivity of semiconductor materials.

Eine Anordnung zur Bestimmung des Leitfähigkeitstyps von Halbleitermaterialien ist bekannt. Dabei wird nach Art einer Kompensationsschaltung in den Anodenkreis zweier Elektronenröhren ein Meßinstrument geschaltet, wobei das hinsichtlich seines Leitungstyps zu bestimmende Halbleitermaterial im Gitterkreis der Röhren liegt. Die Schaltung ist so abgestimmt, daß bei fehlendem Prüfling an den Gittern der Elektronenröhren das Meßinstrument keinen Ausschlag zeigt. An arrangement for determining the conductivity type of semiconductor materials is known. This is done in the manner of a compensation circuit in the anode circuit two electron tubes switched a measuring instrument, the with respect to his Conductivity type to be determined semiconductor material lies in the lattice circle of the tubes. The circuit is tuned in such a way that if there is no test object on the grids of the electron tubes the measuring instrument shows no deflection.

Wird ein Prüfling in die Gitterkreise eingeschaltet, so ergibt sich je nach Leitfähigkeitstyp des Halbleitermaterials ein Ausschlag des Meßinstrumentes in die eine oder andere Richtung. If a test object is switched into the grid circles, the result is depending on the conductivity type of the semiconductor material, a deflection of the measuring instrument in one direction or the other.

Eine derartige Schaltungsanordnung besitzt einerseits den Nachteil, daß lediglich der Leitungstyp, jedoch nicht der Wert des spezifischen Widerstandes bestimmbar ist und daß andererseits eine relativ aufwendige elektronische Schaltung erforderlich ist. Such a circuit arrangement has the disadvantage on the one hand that only the conductivity type, but not the value of the specific resistance can be determined and that, on the other hand, a relatively complex electronic circuit is required.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei dem sowohl der Leitungstyp als auch der Wert des spezifischen Widerstandes von Halbleitermaterial bestimmbar ist. The aim of the invention is to provide a method in which both the conductivity type as well as the value of the specific resistance of semiconductor material is determinable.

Bei einem Verfahren zum Messen des spezifischen Widerstandes von Halbleitermaterial ist daher gemäß der Erfindung vorgesehen, daß ein Halbleiterkörper auf einer Metallplatte zum Herstellen eines nichtgleichrichtenden Kontaktes angebracht wird, daß auf eine ebene und gereinigte Oberfläche des Halbleiterkörpers eine bewegbare gleichrichtende Kontaktspitze gedrückt wird, daß die Kontaktspitze relativ zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers bewegt wird und daß der an der Kontaktspitze erzeugte Gleichspannungsteil einer zwischen der Kontaktspitze und dem Halbleiterkörper angelegten Wechselspannung gemessen wird. In a method for measuring the resistivity of Semiconductor material is therefore provided according to the invention that a semiconductor body mounted on a metal plate for making a non-rectifying contact is that on a flat and cleaned surface of the semiconductor body a movable rectifying contact tip is pressed that the contact tip relative to the Surface of the semiconductor body is moved and that the generated at the contact tip DC voltage part of a applied between the contact tip and the semiconductor body AC voltage is measured.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figuren. Dabei zeigt F i g. 1 ein elektrisches Schaltbild der bei dem Verfahren nach der Erfindung benutzten Vorrichtung, F i g. 2 eine detaillierte Darstellung zur Erläuterung der Bewegungsvorgänge bei der Messung und F i g. 3 und 3 A jeweils eine an dem Gleichrichter gemessene Kurve für den Strom bzw. die Spannung und die Wellenform für die gleichgerichtete Ausgangsspannung eines Halbleitermaterials niedrigen bzw. hohen ohmschen Widerstandes. Further details of the invention emerge from the following Description of an embodiment based on the figures. F i g. 1 is an electrical diagram of the circuit used in the method of the invention Device, FIG. 2 shows a detailed illustration to explain the movement processes in the measurement and F i g. 3 and 3 A each measured one at the rectifier Curve for the current or voltage and the waveform for the rectified Output voltage of a semiconductor material with a low or high ohmic resistance.

Das Meßverfahren gemäß der Erfindung basiert auf dem verschiedenen Verhalten eines punktförmigen Kontaktgleichrichters mit Spitze bei Materialien verschiedenen Widerstandes. Setzt man die Spitze einer Metallprobe kleinen Durchmessers auf eine ebene Fläche eines Halbleiterkörpers auf, dann verhält sich die so hergestellte Kombination aus Halbleiterkörper und Metallspitze wie ein Gleichrichter. The measuring method according to the invention is based on the different Behavior of a point contact rectifier with a tip for materials of different types Resistance. Put the tip of a small diameter metal sample on a flat surface of a semiconductor body, then the one produced in this way behaves Combination of semiconductor body and metal tip like a rectifier.

Die Leitfähigkeit in der Durchlaßrichtung des Gleichrichters bleibt praktisch gleich für Material von kleinem bis mittlerem Widerstand. Die Leitfähigkeit in der Sperrichtung ist dagegen merklich verschieden bei Stoffen mit verschiedener Leitfähigkeit, und zwar kleiner für Stoffe mittleren Widerstandes und größer für Stoffe kleinen ohmschen Widerstandes. Dieser Unterschied ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Sperrspannung des Gleichrichters mit Kontaktspitze kleiner ist für Halbleiterstoffe relativ kleinen ohmschen Widerstandes. Wird daher eine Wechselspannung an einen solchen Gleichrichter mit Kontaktspitze angelegt, dann fließt ein vom Material im wesentlichen unabhängiger Durchlaßstrom; es fließt dagegen ein höherer Sperrstrom durch Materialien mit niedrigem Widerstand als durch Materialien mit hohem Widerstand. Die Ausgangsspannung hängt von der Differenz zwischen Durchlaßstrom und Sperrstrom ab; infolgedessen ist die gleichgerichtete Ausgangsspannung für ein Halbleitermaterial mit niedrigem Widerstand kleiner als für ein Halbleitermaterial mit relativ hohem Widerstand.The conductivity in the forward direction of the rectifier remains practically the same for material with low to medium resistance. The conductivity in the reverse direction, on the other hand, is noticeably different for substances with different Conductivity, namely smaller for substances of medium resistance and larger for Substances of small ohmic resistance. This difference is due to the fact that the reverse voltage of the rectifier with contact tip is lower for semiconductor materials relatively small ohmic resistance. Therefore, an alternating voltage is applied to a Such a rectifier with a contact tip is applied, then a flows from the material in the substantial independent forward flow; on the other hand, a higher reverse current flows by low resistance materials than by high resistance materials. The output voltage depends on the difference between forward current and reverse current away; consequently is the rectified output voltage for a semiconductor material with low resistance is smaller than for a semiconductor material with relatively high Resistance.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist ein Gerät zur Messung der Art der Leitfähigkeit und des Widerstandes von Halbleitermaterialien dargestellt, bei dem die oben entwickelten Grundsätze verwirklicht sind. In Fig. 1 of the drawing is a device for measuring the type of Conductivity and resistance of semiconductor materials shown in which the principles developed above are realized.

Das Halbleitermaterial, dessen Leitfähigkeit bzw.The semiconductor material, its conductivity or

Widerstand gemessen werden soll, ist mit 10 bezeichnet. Die Spitze eines Gleichrichterkontaktes 10 wirkt wie eine Emitterelektrode und ist an die eine Seite des Halbleiters angeschlossen. Die Spitze kann aus feinem Draht bestehen, vorzugsweise aus Wolfram, Gold oder Kupfer; der elektrische Kontakt wird dadurch hergestellt, daß die Spitze leicht auf die Halbleiter-Oberfläche gedrückt wird. Im allgemeinen erreicht man dies dadurch, daß die Spitze in einem Winkel auf den Halbleiter zu gerichtet ist. Auf der anderen Seite der Materialprobe ist eine Metallplatte 12 befestigt, die als ohmsche Kollektorelektrode dient.Resistance to be measured is denoted by 10. the The tip of a rectifier contact 10 acts like an emitter electrode and is on connected to one side of the semiconductor. The tip can be made of fine wire, preferably made of tungsten, gold or copper; the electrical contact is thereby made that the tip is lightly pressed onto the semiconductor surface. In general, this is achieved by placing the tip at an angle on the Semiconductor is too directed. On the other side of the material sample is a metal plate 12 attached, which serves as an ohmic collector electrode.

Um die ohmsche Verbindung herzustellen, kann der Halbleiterkörper auf eine Metallplatte gedrückt oder an diese angelötet werden oder auf eine Lötpaste aus einer Indium-Gallium-Legierung gelegt werden. Eine Wechselspannungsquelle 13, beispielsweise ein Oszillator, ein Transformator oder eine beliebige andere Stromquelle, wird dann über den Belastungswiderstand R an den Halbleiterkörper über die Elektroden 14 und 15 angeschlossen. Das gleichgerichtete Signal wird mit einem Gleichstrom-Meßgerät 16 gemessen, nachdem es durch einen Filterkondensator C geglättet ist. Beim Betrieb kann die so gewonnene Gleichspannung mit der Größe des Widerstandes des Halbleiterkörpers an irgendeiner Stelle auf der Oberfläche des Körpers in Beziehung gebracht werden; im allgemeinen gilt die Regel, daß der Ohmsche Widerstand um so größer ist, je größer die gleichgerichtete Spannung ist. Das Gerät wird an einer Reihe von Prüfstücken aus Halbleitermaterial bekannten Widerstandes geeicht. In order to produce the ohmic connection, the semiconductor body pressed onto or soldered to a metal plate or onto a solder paste made of an indium-gallium alloy. An alternating voltage source 13, for example an oscillator, a transformer or any other power source, is then via the load resistor R to the semiconductor body via the electrodes 14 and 15 connected. The rectified signal is measured with a DC current meter 16 measured after it is smoothed by a filter capacitor C. During operation the DC voltage obtained in this way can be with the magnitude of the resistance of the semiconductor body be related anywhere on the surface of the body; In general, the rule applies that the greater the ohmic resistance, the greater it is is the rectified voltage. The device is tested on a number of test pieces calibrated from semiconductor material known resistance.

Eine bevorzugte Vorrichtung zur Bewegung der Kontaktspitze über die gesamte Oberfläche der Testprobe ist in F i g. 2 dargestellt. Wie man aus dieser Figur ersieht, liegt die Probe 10 auf einer Unterlage, welche die Metallplatte selbst sein kann. Die Unterlage wird in irgendeiner vorgegebenen Richtung entweder von Hand oder mit Hilfe eines mechanischen Präzisionsgerätes, beispielsweise mit Hilfe einer Mikrometerschraube 17, bewegt. A preferred device for moving the contact tip over the entire surface of the test sample is shown in FIG. 2 shown. How to get out of this As seen in the figure, the sample 10 lies on a base, which is the metal plate itself can be. The pad is in any given direction either from Hand or with the help of a mechanical precision device, for example with the help a micrometer screw 17 moved.

Um dem Fachmann das Verständnis der Einzelheiten der Durchführung des Meßverfahrens nach der Erfindung deutlich zu machen, sollen im folgenden einige Abänderungsmöglichkeiten der experimentellen Anordnung im einzelnen beschrieben werden. To those skilled in the art to understand the details of implementation To make the measuring method according to the invention clear, some are intended in the following Modifications to the experimental arrangement are described in detail will.

Dadurch soll aber die Erfindung nicht eingeschränkt werden, vielmehr dient diese beispielhafte Darstellung nur der Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung.However, this is not intended to restrict the invention, rather this exemplary representation serves only to explain the method according to the Invention.

Diese beliebig veränderbaren Komponenten betreffen insbesondere die Stromquelle, die Amplitude V der Spannung der Wechselspannungsquelle, die Größe des Belastungswiderstandes R und die Größe der Kapazität des Filterkondensators C und schließlich die Empfindlichkeit des Gleichstrommeßgerätes M (16). Die Frequenz F der Wechselstromquelle hat keinerlei kritische Bedeutung, solange sie so hoch ist, daß das Gleichstrommeßgerät nicht dem Stromimpuls folgt, sondern den Durchschnittswert des gleichgerichteten Stroms anzeigt. Die Frequenz sollte andererseits nicht zu hoch sein, weil sonst die Streukapazitäten in dem Stromkreis zu falschen Ablesungen führen können. Der übliche 60-Hertz-Strom ist durchaus brauchbar, obwohl man auch eine Frequenz von 10 000 Hertz verwenden könnte. These arbitrarily changeable components relate in particular to the Current source, the amplitude V of the voltage of the AC voltage source, the size of the load resistance R and the size of the capacitance of the filter capacitor C and finally the sensitivity of the DC current meter M (16). The frequency F the AC power source is not of any critical importance as long as it is so high is that the DC current meter does not follow the current pulse, but the average value of the rectified current. The frequency, on the other hand, shouldn't be too be high, because otherwise the stray capacitances in the circuit lead to incorrect readings being able to lead. The usual 60 Hertz electricity is quite usable, although you can also could use a frequency of 10,000 Hertz.

Die Größe der Spannung V der Wechselstromquelle ist von erheblicher Bedeutung, weil ihr Betrag den ausnutzbaren Bereich des Meßgerätes bestimmt. The magnitude of the voltage V of the AC power source is significant Importance because their amount determines the usable area of the measuring device.

Für Stoffe geringen ohmschen Widerstandes wird man im allgemeinen eine niedrige Spannung bevorzugen, für Materialien mit hohem Widerstand wird man dagegen mit höheren Spannungen eine größere Empfindlichkeit erzielen. Im allgemeinen sollte man 3 oder 4 Volt verwenden, um die spezifischen Widerstände im Bereich von 0,01 bis 5 Ohm - cm messen zu können.For materials with a low ohmic resistance, one will generally use prefer a low voltage, for materials with high resistance one will on the other hand, achieve greater sensitivity with higher voltages. In general one should use 3 or 4 volts to get the resistivities in the range of Measure 0.01 to 5 ohms - cm.

Der Belastungswiderstand R in der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sollte so justiert werden, daß sich eine deutliche Unterscheidung der Werkstoffe mit verschiedenen ohmschen Widerständen ergibt. Ein sehr hoher Widerstandswert für R begrenzt den Gleichstrom auf einen sehr niedrigen Wert für alle Stoffe, so daß das Meßgerät ein sehr kleines Auflösungsvermögen zeigt. Der Widerstand erhält zweckmäßig einen Wert zwischen 1000 Ohm und 10 Megohm. The load resistance R in the circuit arrangement according to the invention should be adjusted so that there is a clear differentiation between the materials with different ohmic resistances results. A very high resistance value for R limits the direct current to a very low value for all substances, so that the measuring device shows a very low resolving power. The resistance gets expedient a value between 1000 ohms and 10 megohms.

Das Meßgerät selbst enthält einen empfindlichen Gleichstromverstärker, an den ein übliches Gleichstrom-Mikroamperemeter angeschlossen ist. Die Empfindlichkeit des Mikroamperemeters kann mit Hilfe eines variablen Widerstandes eingestellt werden, der in Reihe mit diesem liegt. Ein Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß eine Reihe von Standard-Halbleiterstücken, beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 1,0 Ohm cm benutzt werden kann, um das Instrument eichen zu können, bevor man einen Test mit einem noch unbekannten Probestück vornimmt. Man legt daher die Spitzenprobe auf ein 1-Ohm cm-Stück, stellt das Meßgerät auf den Wert »100« auf der Skala ein und benutzt den variablen Widerstand als Empfindlichkeitskontrolle. The measuring device itself contains a sensitive DC amplifier, to which a standard direct current micro-ammeter is connected. The sensitivity the micro-ammeter can be adjusted with the help of a variable resistor, which is in series with this one. One advantage of such an arrangement is that that a number of standard semiconductor pieces, for example in the range of 0.01 up to 1.0 ohm cm can be used to calibrate the instrument before one carries out a test with an as yet unknown specimen. One therefore places the top sample on a 1-ohm cm-piece, the measuring device sets the value “100” on the scale and uses the variable resistor as a sensitivity control.

Der Filterkondensator C kann jeden beliebigen Wert haben, der ausreicht, um die Wechselstromwelle zu filtern. Er soll lediglich nicht die Veränderungen in der Ablesung ausfiltern, wenn die Probe an verschiedenen Stellen untersucht wird. Die maximale Zeitkonstante für R und C ergibt sich aus der Geschwindigkeit, mit der die Probe bewegt wird, und aus der Dicke der zu untersuchenden Bereiche. Der Mindestwert der RC-Zeitkonstante ist gegeben durch die Frequenz der Wechselstromquelle. Für C im Bereich von 0,01 bis 1,0 Mikrofarad eignen sich Widerstandswerte für R von 10 000 bis 100 000 Ohm. The filter capacitor C can have any value that is sufficient to filter the AC wave. It is simply not intended to reflect the changes in filter out the reading when examining the sample at different locations. The maximum time constant for R and C results from the speed, with which the sample is moved, and from the thickness of the areas to be examined. Of the The minimum value of the RC time constant is given by the frequency of the alternating current source. For C in the range of 0.01 to 1.0 microfarads, resistance values for R are suitable from 10,000 to 100,000 ohms.

Die Oberfläche des unbekannten Halbleiters sollte frei von Oberfiächenschmutz sein und muß vor dem Messen mit Fluorwasserstoffsäure geätzt werden. The surface of the unknown semiconductor should be free of surface dirt and must be etched with hydrofluoric acid before measuring.

Bei einem typischen Versuch ruft ein Material mit niedrigem Widerstand, d. h. also in der Größenordnung von 0,01 Ohm cm eine Ausgangsspannung von t/zo Volt vor, während ein Material im Bereich mittleren Widerstandes in der Größenordnung von 1/io Ohm cm ungefähr eine Spannung von 1 Volt erzeugt, und ein Halbleiter mit hohem Widerstand, d. h. 1 Ohm cm oder mehr, eine Ausgangsspannung von 1 Volt oder mehr hervorruft. Charakteristische Strom-Spannungs-Kennlinien von Gleichrichtern mit Spitzenkontakt, die sich bei solchen Stoffen ergeben, sind in den F i g. 3 und 3 A dargestellt. Diesen Kurven ist von außen eine Wechselspannung überlagert; die schraffierten Bereiche sind die Anteile der Wechselspannungskurve, über welchen die Stromleitung erfolgt. Die gleichgerichtete restliche Durchschnittsausgangs-Gleichspannung für einen Halbleiter mit niedrigem ohmschen Widerstand ist also kleiner als ein ähnlicher Ausgang für ein Material mit hohem ohmschen Widerstand. In a typical experiment, a low resistance material, d. H. thus in the order of magnitude of 0.01 ohm cm an output voltage of t / zo volts before, while a material in the range of medium resistance in the order of magnitude of 1/10 ohm cm generates a voltage of approximately 1 volt, and a semiconductor with high resistance, d. H. 1 ohm cm or more, an output voltage of 1 volt or evokes more. Characteristic current-voltage characteristics of rectifiers with peak contact resulting from such substances are shown in FIGS. 3 and 3 A. An alternating voltage is superimposed on these curves from the outside; the hatched areas are the portions of the AC voltage curve over which the power line takes place. The rectified remaining average DC output voltage for a semiconductor with a low ohmic resistance is therefore less than a similar output for a material with high ohmic resistance.

Die Richtung des Stromdurchlasses des Halbleiters kann gleichzeitig mit der Ermittlung des Widerstandswertes durch Benutzung eines Meßgerätes ermittelt werden, dessen Nullpunkt in der Mitte liegt, so daß der Ausschlag des Zeigers nach der einen oder anderen Seite die Art des Leitungstyps des Halbleitermaterials erkennen läßt. The direction of current passage of the semiconductor can be simultaneous determined with the determination of the resistance value by using a measuring device whose zero point is in the middle, so that the deflection of the pointer follows one side or the other recognize the type of conduction type of the semiconductor material leaves.

Claims

Claims: 1. Method for measuring the specific resistance of semiconductor material, d a d u r c h characterized that a semiconductor body on attached to a metal plate for making a non-rectifying contact is that on a flat and cleaned surface of the semiconductor body a movable rectifying contact tip is pressed that the contact tip relative to the Surface of the semiconductor body is moved and that the generated at the contact tip DC voltage component between the contact tip and the semiconductor body applied AC voltage is measured.

2. The method according to claim 1, characterized in that the rectifying Contact tip is pressed against the surface of the semiconductor at an angle.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor sample together with a support using a micrometer screw is moved relative to the rectifying contact tip.

Publications considered: German Auslegeschriften No. 1010185, 1,072,745, 1,079,146; U.S. Patent No. 2,805,347; L. P. Hunter, "Handbook of semiconductor Electronics ”, 1956, chap. 20.2, pp. 20-2 to 20-8.