半导体测量学和缺陷检测教学教案
实验一半导体材料的缺陷显示及观察
实验一半导体材料的缺陷显示及观察实验目的1．掌握半导体的缺陷显示技术、金相观察技术；2．了解缺陷显示原理，位错的各晶面上的腐蚀图象的几何特性；3．了解层错和位错的测试方法。
一、实验原理半导体晶体在其生长过程或器件制作过程中都会产生许多晶体结构缺陷，缺陷的存在直接影响着晶体的物理性质及电学性能，晶体缺陷的研究在半导体技术上有着重要的意义。
半导体晶体的缺陷可以分为宏观缺陷和微观缺陷，微观缺陷又分点缺陷、线缺陷和面缺陷。
位错是半导体中的主要缺陷，属于线缺陷；层错是面缺陷。
在晶体中，由于部分原子滑移的结果造成晶格排列的“错乱”，因而产生位错。
所谓“位错线”，就是晶体中的滑移区与未滑移区的交界线，但并不是几何学上定义的线，而近乎是有一定宽度的“管道”。
位错线只能终止在晶体表面或晶粒间界上，不能终止在晶粒内部。
位错的存在意味着晶体的晶格受到破坏，晶体中原子的排列在位错处已失去原有的周期性，其平均能量比其它区域的原子能量大，原子不再是稳定的，所以在位错线附近不仅是高应力区，同时也是杂质的富集区。
因而，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用灵敏些，也就是说位错区的腐蚀速度大于非位错区的腐蚀速度，这样我们就可以通过腐蚀坑的图象来显示位错。
位错的显示一般都是利用校验过的化学显示腐蚀剂来完成。
腐蚀剂按其用途来分，可分为化学抛光剂与缺陷显示剂，缺陷显示剂就其腐蚀出图样的特点又可分为择优的和非择优的。
位错腐蚀坑的形状与腐蚀表面的晶向有关，与腐蚀剂的成分，腐蚀条件有关，与样品的性质也有关，影响腐蚀的因素相当繁杂，需要实践和熟悉的过程，以硅为例，表1列出硅中位错在各种界面上的腐蚀图象。
二、位错蚀坑的形状当腐蚀条件为铬酸腐蚀剂时，<100>晶面上呈正方形蚀坑，<110>晶面上呈菱形或矩形蚀坑，<111>晶面上呈正三角形蚀坑。
（见图1）。
表1-1 硅中位错在各种晶面上的腐蚀图象为获得较完整晶体和满足半导体器件的某些要求，通常硅单晶都选择<111>方向为生长方向，硅的四个<111>晶面围成一正四面体，当在金相显微镜下观察<111>晶面的位错蚀坑形态时，皆呈黑褐色有立体感而规则。
半导体教学实验教案模板
一、实验名称：（例如：半导体PN结特性研究）二、实验目的：1. 理解半导体的基本特性。
2. 掌握PN结的形成原理和特性。
3. 学习使用半导体测试仪器进行实验操作。
4. 分析实验数据，加深对半导体物理知识的理解。
三、实验原理：（简要介绍实验涉及的物理原理和理论基础）四、实验仪器与材料：1. 半导体测试仪2. 信号发生器3. 示波器4. 测量电阻5. 测试架6. 硅二极管7. 氮化镓二极管（可选）8. 实验指导书五、实验步骤：1. 仪器准备：- 检查所有实验仪器是否正常工作。
- 连接好测试架，确保电路连接正确。
2. 实验测量：- 将硅二极管和氮化镓二极管（如有）分别接入测试仪。
- 调整信号发生器，输出不同频率和幅值的正弦波。
- 通过测试仪测量二极管的正向和反向电流，记录数据。
- 使用示波器观察二极管的伏安特性曲线。
3. 数据分析：- 分析不同电压和频率下二极管的电流变化。
- 比较硅二极管和氮化镓二极管的伏安特性差异。
4. 实验报告：- 撰写实验报告，包括实验目的、原理、步骤、结果和分析。
六、实验注意事项：1. 在操作过程中，注意安全，避免触电和烫伤。
2. 调整信号发生器时，注意避免输出过大的电压和电流。
3. 实验过程中，保持电路连接的稳定性。
4. 实验结束后，关闭所有仪器，整理实验台。
七、实验报告模板：1. 实验目的2. 实验原理3. 实验步骤4. 实验数据记录与分析- 不同电压下硅二极管的正向和反向电流- 不同电压下氮化镓二极管的正向和反向电流- 伏安特性曲线对比分析5. 实验结论6. 讨论与改进7. 实验心得八、教学评估：1. 实验操作规范性2. 数据记录与分析能力3. 实验报告质量4. 对半导体物理知识的理解程度九、教学反思：（教师对实验教学效果的反思和改进建议）---本模板可根据具体实验内容和要求进行调整和补充，以确保实验教学的有效性和学生学习的积极性。
半导体测试教案设计模板
课程类型：物理实验课教学对象：高中一年级教学目标：1. 知识与技能：了解半导体材料的基本特性，掌握半导体器件的测试方法。
2. 过程与方法：通过实验操作，培养学生动手实践能力、观察分析能力和实验报告撰写能力。
3. 情感态度与价值观：激发学生对半导体科学的兴趣，培养严谨的科学态度和团队协作精神。
教学重点：1. 半导体材料的导电特性。
2. 半导体器件的测试方法。
教学难点：1. 半导体器件的测试原理。
2. 实验操作中的误差分析。
教学准备：1. 实验器材：半导体材料、半导体器件、万用表、示波器、电阻、电容、导线等。
2. 教学课件：半导体基本知识、半导体器件测试原理、实验步骤等。
教学过程：一、导入新课1. 复习半导体材料的基本特性，引导学生思考半导体器件的测试方法。
2. 提出本节课的学习目标。
二、讲解半导体器件测试原理1. 讲解半导体材料的导电特性，如PN结正向导通、反向截止等。
2. 介绍常用的半导体器件，如二极管、晶体管等。
3. 讲解半导体器件的测试原理，如正向导通测试、反向截止测试、放大倍数测试等。
三、实验操作1. 学生分组，每组配备一套实验器材。
2. 按照实验步骤进行操作，包括连接电路、设置参数、测量数据等。
3. 教师巡回指导，解答学生疑问。
四、数据分析和讨论1. 学生根据实验数据，分析半导体器件的导电特性。
2. 讨论实验过程中遇到的问题及解决方案。
3. 比较不同半导体器件的测试结果，总结规律。
五、实验报告撰写1. 学生根据实验步骤和数据分析，撰写实验报告。
2. 教师对实验报告进行批改和点评。
六、课堂小结1. 回顾本节课的学习内容，强调半导体器件测试原理和实验操作的重要性。
2. 鼓励学生在课后进一步学习半导体科学。
教学评价：1. 实验操作：观察学生的实验操作是否规范，能否熟练完成实验步骤。
2. 数据分析：评估学生对实验数据的分析和总结能力。
3. 实验报告：检查实验报告的格式、内容是否完整，是否体现了学生的思考过程。
第七章 测量学和缺陷检查教材
• 微区溅射和增强刻蚀 • 薄膜淀积 • 高分辨率扫描离子显微成像（SIM） • 半导体器件离子注入
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第七章测量学和缺陷检查
FIB照片
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第七章测量学和缺陷检查
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第七章测量学和缺陷检查
• 使用光散射技术在有图形的硅片上进行检 测与无图形的硅片类似。但，光散射过程 必须修改以便测量设备能够区分出是颗粒 散射光还是图形边缘散射光。
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第七章测量学和缺陷检查
7.1.7 关键尺寸
• 关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对 产品所有线宽的准确控制。
• 扫描电子显微镜（SEM），放大10万－30 万倍，图形分辩率是4－5nm。
• 专门用于关键尺寸测量的扫描电子显微镜 称为关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)
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第七章测量学和缺陷检查
SEM
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第七章测量学和缺陷检查
SEM
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第七章测量学和缺陷检查
FE-SEM
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第七章测量学和缺陷检查
7.1.1 膜厚
• 薄层电阻率ρs=Rs*t • 测方块电阻
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第七章测量学和缺陷检查
椭偏仪
• 椭偏仪是非破坏、非接触的光学薄膜厚度测试技术，主要
半导体三极管的识别与检测教案
中职二年级《模拟电路基础》学科教案设计§2-1 半导体三极管的识别与检测教学过程环节方式内容和过程学生活动教学意图时间复习导入新课新课内容环节一：知识回顾1、三极管的基本结构和种类提问：1、三极管内部有几个PN结？2、PN结具有什么特性？3、两个PN结组合后形成哪些类型的三极管？2、常见半导体三极管的封装形式环节二：新课引入大家都知道三极管有NPN和PNP两种管型，那么如何来判别？在我们装配检测时也会遇到三极管，我们如何来检测它的管型，管脚？环节三：识别检测三极管的依据（1）、三极管基极的检测方法a、万用表置于R×1K挡b、黑表笔接三极管任意一管脚，红表笔分别接触其余两个管脚c、看每一次指针偏转度（阻值大小）结论：两次测得阻值均较小（指针偏转大）或两次测得阻值均较大（指针偏转小），则黑表笔所接的管脚为基极。
抢答问题巩固已学知识回答创设问题观看PPt激发学生的学习兴趣引入主题为新课内容做铺垫讲解，强调关键点3分钟2分钟5分钟课堂练习分配任务（2）、三极管管型的检测方法根据（1）判断结果，两次测得阻值均较小的是NPN型管；两次测得阻值均较大的是PNP型管。
任务：同学马上动手练习。
（3）、三极管集电极和发射极的检测方法以NPN型管为例根据（1）和（2）的判断结果【两次指针偏转大，黑表笔接的是基极，两次阻值均较小的是NPN型管。
】a、将黑表笔接在假定的集电极上，手捏bc，红表笔接另一电极b、观察指针偏转度c、将黑表笔接在另一假定的集电极上手捏bc，红表笔接另一电极d、观察指针偏转度结论：指针偏转较大那一次，黑表笔接的为集电极c，红表笔所接为发射结e。
我们会判断NPN型三极管的集电极和发射极了，那么PNP型三极管的怎么判断呢？回顾PNP型三极管的内部结构。
任务：同学们完成任务书上的问题并结合练习得出结论。
附：PNP型管集电极和发射极的检测方法根据（1）和（2）的判断结果【两次指针偏转大，黑表笔接的是基极，两次阻值均较大的是PNP型管。
半导体常规电学参数测试分析PPT学习教案
(4)四探针法测量电阻的侧准条件和测试工艺要求：
1）样品表面 a)为了增大表面复合，降低少子寿命，从而减小少子注入
的影响，试样测量表面一般要求经过粗砂研磨或喷砂处理。 b)要求试样表面具有较高的平整度，且样品厚度以及任一
探针距样品边缘的距离必须大于4倍针距，以满足近似无穷 大的测试条件。 c)各测试点厚度与中心厚度的偏差不应大于±1%。
CT----温度修正系数，与样品的材料、导电类型、掺杂元素 有关系（如书中图1-15）（P14)
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方块电阻的测试
1. 方块电阻的定义
如图1所示，方形薄片，截面积为A，长、宽、厚分别用L、 w、d表示，材料的电阻率为ρ，当电流如图示方向流过时， 若单L位=为w，Ω/这□个。薄层的电阻称为方块电阻，一般用R□表示，
电压表
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2）主要参数
可测硅晶体电阻率：0.005-50000Ω•cm 可测硅棒尺寸：最大长度300mm；直径20mm 探针针距：1.59mm；探针直径Φ0.8mm
探针材料：硬质合金（WC）
电阻测量误差：≤0.3%
3）特点
a、测试范围广。 b、测试精度高。 c、即可测单晶硅，也可测多晶硅（硅芯测试）。 d、要求样品形状规则。 e、需焊接电极。
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二、电阻率的测试方法
按照测量仪器分类：
两探针法
1、接触法：
四探针法 扩展电阻法 范德堡法
❖适用于测量硅单晶切、磨等硅片的电阻率
2、无接触法： C-V法
涡旋电流法
❖测量硅抛光、外延片的电阻率
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三、两种典型的测量方法 1、两探针法 （1）一般金属测试电阻率：
半导体器件中的深度缺陷检测和测量
半导体器件中的深度缺陷检测和测量半导体器件是一种重要的电子元器件，广泛应用于现代电子技术中。
半导体器件的制造需要考虑到许多参数，其中最重要的是电子能级。
电子能级对半导体器件的性能和特性具有很大影响，如果存在深度缺陷，则会导致半导体器件的性能下降或完全失效。
因此，深度缺陷检测和测量是半导体器件制造中的一项关键技术。
深度缺陷指的是在半导体材料中存在的能级深的空穴或电子态。
它们的存在会影响半导体器件的性能和可靠性。
因此，深度缺陷的检测和测量是半导体器件的关键过程。
目前，许多成熟的深度缺陷检测和测量技术已广泛应用于半导体器件制造中。
首先，注入电荷法是一种常用的深度缺陷检测方法。
该方法利用瞬态电流的反应来测量深度缺陷。
它需要在测试中施加电荷，并测量在电荷注入期间电流的变化。
根据这些数据，可以计算出存在于被测材料中的缺陷浓度和深度分布。
此外，激光光谱学也是一种常用的深度缺陷检测方法。
该方法是通过激光光谱法来测量半导体材料中的光吸收谱。
在这种方法中，激光产生的光会与半导体材料相互作用，激发其中的电子和空穴等载流子。
半导体材料吸收了激光光子后，它的运动状态会发生变化，光吸收谱也会随之变化。
通过分析这些变化，可以得出半导体材料中深度缺陷的位置和浓度等信息。
此外，Ti:sapphire激光微打孔技术也是一种常用的深度缺陷检测方法。
这种技术利用激光微打孔技术来破坏半导体材料的结构，然后通过分析微打孔后电流和电压的变化来检测深度缺陷。
这种方法能够检测到非常细微的缺陷，因此非常适合用于半导体器件的制造。
总之，深度缺陷检测和测量是半导体器件制造中非常关键的过程。
目前，众多的深度缺陷检测和测量技术已经成熟应用于半导体器件的制造中，并得到了广泛应用。
对于半导体器件制造过程的控制和质量保证来说，这些技术都具有非常重要的意义。
半导体制造学-量测与缺陷
圖 7.26
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C-V測試裡的離子電荷收集
電源供應器
氧化物
Al
++++++++++ +++++++++++
N-type silicon Metal
溫度大約為 200 - 300℃
於C -V測試中，將帶正電的離子驅趕至氧化物／矽之介面
圖 7.27
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n型矽的電壓改變
Cmax
n型矽之C-V點
電
容
半導體製造技術
第7 章
量測與缺陷
課程大綱
1. 解釋為何要量測IC，並討論相關的儀器 設備、良率與資料收集。
2. 說明晶圓製作時的12項品質量測，並指 出相關之製造步驟。
3. 敘述品質量測之測量技術與儀器。 4. 列出7種適合於IC之分析儀器。
2
IC 量測
量測設備 良率 資料管理
3
未圖案化表面檢查系統
現場
在過程中量測晶片、製程或儀器。
表 7.1
6
製造區域中晶片製造的品質檢驗
品質檢驗
植入 擴散
1 薄膜厚度
2 片電阻
3 薄膜應力
4 折射率
5 摻質濃度
6 未圖案化的表面缺陷
7 圖案化的表面缺陷
8 臨界尺寸
9 階梯覆蓋
10 重疊對準
11 電容－電壓
12 接觸角度
擴散區製程包括：氧化、沈積、擴散、回火、合金。
TEM測量 在矽淺接面的差排和堆疊錯誤密度 在多晶矽和金屬結構中精確的側壁輪廓 金屬矽化物和合金的特性 因離子植入所造成晶圓表面及內部損壞 接面處的有機和氧化薄膜
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为了维持良好的工艺生产能力并提高器件的特性，硅片制造厂已提高了 对工艺参数的控制，并减少了在制造中缺陷的来源。
s Rs (t)
s
V2s
I
(/cm)
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 11
方块电阻（不透明薄层）方块电阻间接用于测量淀积在绝缘衬底的不透 明导电膜的厚度，例如金属、硅化物或半导体膜。只要薄层大且探针的 间距小，方块电阻（Rs）就可由下式得到：
Rs
4.53V I
(/
)
现代半导体器件物理与工艺
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 13
反射光谱学 当光在一个物体表面反射时，结构的反射经常用于描述位于 不吸收光的硅片衬底上的吸收光介质层的层厚特性（见图）。根据光是 怎样在薄膜层顶部和底部反射的光学，反射仪能被用于计算膜厚。
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ห้องสมุดไป่ตู้
椭偏仪（透明薄膜） 椭偏仪是非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技 术，主要用于测透明的薄膜。椭偏仪的基本原理是用线性的偏振激光源， 当光在样片中发生反射时，变成椭圆的偏振（见图）偏振光由通过一个 平面的所有光线组成。椭偏仪测量反射得到的椭圆形，并根据已知的输 入值（例如反射角）精确地确定薄膜的厚度。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 10
电阻率和薄层电阻（方块电阻） 估算导电膜厚度一种最实用的方法是测 量方块电阻Rs。薄层电阻（Rs）可以理解为在硅片上正方形薄膜两端之 间的电阻。它与薄膜的电阻率和厚度有关。方块电阻与正方形薄层的尺 寸无关。测量方块电阻时，相同厚度等距离的两点间会得到相同的电阻。 基于这一原因，Rs的单位为欧姆/□（Ω/□）。
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现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 4
为进行在线工具的监控，许多半导体制造厂已经开始使用生产的硅片， 有时是用有图形的硅片（见图）。用实际生产硅片模拟更接近工艺流水 中发生的情况，为制造团队成员做出决定提供了更好的信息。
监控片与有图形的硅片
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 5
对硅片性能的精确评估必须贯穿于制造工艺，以验证产品满足规范要求。 要达到这一点，在硅片制造的每一工艺步骤都有严格的质量测量，为使 芯片通过电学测试并满足使用中的可靠性规范，质量测量定义了每一步 需求的要求。质量测量要求在测试样片或生产硅片上大量收集数据以说 明芯片生产的工艺满足要求。
现代半导体器件物理与工艺
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 2
测量学是关于确定尺寸、数量和容积的测量的科学。测量学指的是在工 艺流程中为了确定硅片的物理和电学特性的技术与过程。用于制造中的 测量学使用测试设备和传感器来收集并分析关于硅片参数和缺陷的数据。 缺陷是指导致不符合硅片规范要求的硅片特性或硅片制造工艺的结果。 硅片的缺陷密度是指硅片表面单位面积的缺陷数，通常以cm2为单位。硅 片缺陷按类型和尺寸来划分。制造人员应用测量学以确保产品性能，并 做出关系到改善工艺性能的有意义的决定。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 6
成品率
成品率时一个硅片工厂生产高质量管芯能力的重要标志。成品率定义为 产出的合格部分于整个部分的百分比。例如，在一个硅片有200个管芯， 其中190个是合格的，那么硅片的成品率就是：
Yied19010095% 200
计算成品率有不同的方法。一种测量成品率的方法涉及一个时期产出的 那部分类型。对应于半导体生产的某一特定工艺的成品率也能进行测量， 如在刻蚀工艺中管芯的成品率。对于半导体制造来说重要的成品率测量 是硅片的品质成品率，它标志着功能测试之后合格管芯的百分比。
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 8
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 9
膜厚
由于硅片工艺是成膜工艺，在整个制造工艺中硅片表面有多种类型不同 的膜。这些不同类型的膜有金属、绝缘体、光刻胶和多晶硅。为生产可 靠的管芯，这些薄膜的质量是高成品率制造工艺的基础。
膜的关键质量参数是它们的厚度。膜厚测量可以划分为两个基本类型： 它们或是测量不透明（遮光物，如金属）薄膜或是透明薄膜。在一些情 况下，例如栅氧化电介质，膜的厚度必须精确到1埃（Å）或者更小来测 试。膜的其他质量参数包括表面粗糙度、反射率、密度以及缺少针孔和 空洞。
成品率广泛用于半导体生产，用它来反映工艺流程是否正常。高的成品 率标准着工艺生产的产品合格并按设想进行。低的成品率说明在产品设 计和制造中有质量问题，必须进行改进予以解决。
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质量测量
在整个硅片生产工艺中有许多质量测量，说明了集成电路工艺测量学的 广泛性。通过电学测量，半导体质量测量定义了硅片制造的规范要求， 以确保满足器件的性能和可靠性。表中展示了主要的质量测量，包括每 一步进行测量的工艺部分。半导体制造商为使其产品在工艺的每一步都 符合精确的要求，制定了特殊的质量测量规范。
测量设备
在硅片制造中，用于性能测量的测量学设备有不同的类型。区分这些设 备最主要的方法是看这些设备怎样运作，是与工艺分离的独立测试工具 还是与工艺设备集成在一起的测量学设备。表1展示了测量设备的两种主 要分类。独立的测试设备进行测量学测试时，不依附于工艺。集成的测 量仪器具有传感器，这些传感器允许测试工具作为工艺的一部分其作用 并发生实时数据。
现代半导体器 件物理与工艺
Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
测量学和缺陷检测
现代半导体器件物理与工艺
测量学和缺陷检查 1
测量学和缺陷检测
从硅片制造的最初阶段就开始进行检查。半导体生产的熟练工人在简单 观察硅片表面的氧化物薄膜后就能预测相应的薄膜厚度。无论氧化薄膜 出现何种色泽，都可以与比色表对比，比色表时由每种色泽相结合的不 同膜厚的一片片硅片组成的。