最大的差異在於「能否分離資訊」。四點探針法只要放上探針就能量測電阻率(或片電阻),但電阻率由ρ=1/(qnμ)決定,只取決於載子濃度與遷移率的乘積,因此無法將兩者分開,也無法得知載子的極性。霍爾效應量測則藉由施加磁場、量測霍爾電壓,獨立求得載子濃度,因此能分離極性、濃度、遷移率這3項。代價是需要製作電極並施加磁場,不適合量產線的面內分布量測(mapping)。製程監控用四點探針法,想了解材料本質則用霍爾效應量測。
主要差異
| 比較項目 | 四點探針法 | 霍爾效應量測 |
|---|---|---|
| 量測原理 | 從等間距4根探針中外側2根通入電流,以內側2根量測電壓 | 施加與電流垂直的磁場,量測與兩者垂直方向的霍爾電壓 |
| 可得到的量 | 電阻率 ρ,或片電阻 R_s | 電阻率 ρ、載子濃度 n、遷移率 μ、載子極性 |
| n 與 μ 的分離 | 無法(只能以乘積形式得到) | 可以(因為獨立求得 n,可由 μ=1/(qnρ) 求出) |
| 載子極性 | 無法得知 | 可由霍爾電壓的正負得知(n型為負,p型為正) |
| 試片準備 | 不需要,只要放上探針 | 需要在四個角製作電極(范德堡配置) |
| 所需設備 | 只需四點探針量測儀 | 電磁鐵或永久磁鐵、定電流源、高輸入阻抗電壓計 |
| 每1點量測時間 | 秒等級 | 需要8種組合的量測並取平均,分鐘等級 |
| 面內分布量測 | 擅長,可在整片晶圓上量測數百點 | 不適合,只能針對製作了電極的試片逐一評估 |
| 主要用途 | 離子佈植與活化退火的製程監控 | 新材料與磊晶層的本質評估、溫度相依性量測 |
| 產品晶圓 | 不可(會留下量測痕跡) | 不可(需要製作電極) |
為什麼四點探針法得不到遷移率
半導體的電阻率表示為 ρ = 1/(q·n·μ)。量測得到的只有 ρ 這1個數值,未知數卻有載子濃度 n 與遷移率 μ 這2個。只有1條方程式卻有2個未知數,無論量得多精確都無法把兩者分開。這不是量測儀器精度的問題,而是原理上的限制。實際上,即使是電阻率相同的2片晶圓,也可能一片是「載子多但不易移動」,另一片是「載子少但很好移動」,對元件性能的影響完全不同。霍爾效應量測藉由加入磁場這第2個輸入,多建立1條方程式,從而消除這種不確定性。
四點探針法持續用於量產的理由
雖然資訊量較少,四點探針法仍一直是製程監控的標準,是因為它的速度與簡便符合量產需求。想確認離子佈植與退火的結果時,想知道的是「是否得到預期的片電阻」、「面內是否均勻」,而不是載子濃度與遷移率的組成。只要放上探針就能在秒等級完成量測,因此也能在整片晶圓上量測數百點來觀察分布。每批次投入監控晶圓量測的作法之所以能普及,正是因為有這樣的速度。
需要霍爾效應量測的場合
評估新材料或薄膜沉積條件時,只看電阻率無法判斷。例如磊晶層的電阻率比預期高時,原因是載子濃度不足(摻雜不良)還是遷移率下降(結晶性變差或雜質散射),下一步該採取的對策完全不同。霍爾效應量測就能區分這一點。此外,若改變溫度量測,可以從載子濃度的溫度相依性解讀摻雜物的活化能與補償程度,從遷移率的溫度相依性解讀主導的散射機制。這就是它成為化合物半導體與二維材料研究標準量測方法的原因。
兩者並不互相競爭
實務上兩者都會使用。霍爾效應量測同樣需要電阻率,因此會先以范德堡配置量測電阻率,再用同樣的電極施加磁場量測霍爾電壓。也就是說,霍爾效應量測本身就包含了電阻率量測。一般的分工是:量產線以快速的四點探針法管理日常分布,在條件設定或異常分析時,再以霍爾效應量測深入確認組成。
總結(該選哪一種)
想知道的是「電阻值本身」或「面內均勻性」,就用四點探針法。它速度快、不需要準備試片,可以大量量測。想知道的是「為什麼會是這個電阻值」,就需要以霍爾效應量測將其分解為載子濃度與遷移率。判斷的分水嶺不在精度,而在所需資訊的細緻程度。