面向5G通信应用：高阻硅晶圆电阻率热处理稳定化与四探针技术精准测量

随着5G通信技术的快速发展，高阻绝缘体上硅在微波与毫米波器件、探测器等领域的应用需求激增。然而，高阻硅片电阻率的快速准确测量仍面临技术挑战。四点探针法（4PP）因其高精度、宽量程等特点被视为优选方法，但其测量结果易受时间因素影响，导致数据不稳定。本研究基于Xfilm埃利四探针方阻仪的系统性测量，首次观察到高阻硅片电阻率的时间依赖性行为，揭示表面氧化引起的界面态变化是核心机制，并提出低温热处理稳定电阻率的新策略。

现象观察与实验设计

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P型（a）和N型（c）硅晶圆电阻率随时间变化；XPS（b）和C 1s谱（d）显示表面碳含量增加，氧化态演变

材料与方法：采用300mm CZ法生长的P型和N型高阻硅片（电阻率>2000Ω·cm），通过四点探针法（4PP）连续监测电阻率变化，结合X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素演化。关键发现：P型硅片电阻率随存储时间下降，N型则上升，两者均在数天后趋于稳定。XPS显示表面碳含量增加（C 1s峰增强），硅氧化态向高价态迁移，表明自然氧化是主导因素。

表面氧化与能带弯曲机制

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氧化层厚度对电阻率的影响（a），HF去除氧化层后XPS（b）、Si 2p（c）和C 1s谱（d）变化

氧化层厚度实验：通过热氧化生长128Å氧化层后逐层HF腐蚀，发现P型电阻率随氧化层减薄而升高，N型则降低，与时间依赖性趋势一致。

表面能带弯曲模型（a）及HF处理后电阻率恢复趋势（b）

能带模型解释：自然氧化导致表面能带弯曲，N型表面形成耗尽层（载流子减少，电阻率↑），P型形成积累层（载流子增加，电阻率↓）。

界面缺陷对电性能的影响（a-d），显示缺陷导致能带向下弯曲第一性原理计算：基于CASTEP模拟Si/SiO₂界面缺陷态，发现氧空位缺陷导致界面态密度增加，静电势升高，能带向下弯曲，与实验现象吻合。

热处理的稳定化作用

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热处理（温度与时间）对电阻率稳定性的优化效果

热处理优化：150°C低温退火30分钟可加速表面氧化，形成稳定界面态，使电阻率快速稳定。温度越高（50-210°C），稳定性越好，但需避免热施主生成。机理验证：退火促进原生氧化层致密化，减少界面态动态变化，从而抑制电阻率漂移。本研究揭示了高阻硅片电阻率时间依赖性行为的本质——表面自然氧化引发的界面态变化导致能带弯曲。通过低温热处理可快速稳定电阻率，为高阻硅片的工业化检测提供了高效解决方案。研究成果不仅深化了对半导体表面物理的理解，还为5G高频器件用高阻硅衬底的质量控制提供了关键技术支持，具有重要的工程应用价值。

Xfilm埃利四探针方阻仪

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Xfilm埃利四探针方阻仪用于测量薄层电阻（方阻）或电阻率，可以对最大230mm 样品进行快速、自动的扫描， 获得样品不同位置的方阻/电阻率分布信息。

• 超高测量范围，测量1mΩ~100MΩ
• 高精密测量，动态重复性可达0.2%
• 全自动多点扫描，多种预设方案亦可自定义调节
  
• 快速材料表征，可自动执行校正因子计算

本文通过实验观测、理论计算与工艺优化相结合，系统解决了高阻硅片电阻率测量中的时间依赖性问题。Xfilm埃利四探针方阻仪在此研究中发挥了关键作用，为快速验证热处理效果及电阻率分布分析提供了可靠技术保障。