Устройство для измерения профиля легирующей примеси в полупроводниковых структурах

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ, содержащее шины для подключения исследуемой стркутуры, одна из которых присоединена к источнику обратного смещения , а другая через параллельный колебательный контур к общей шине и ко входам фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя , детектора и дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с источником опорного напря .жения, фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя, детектора и фазовоцо детектора, выход фильтра первой гармоники соединен с управляющим входом генератора гармонического сигнала, выполненного в виде кварцевого генератора и посл,е,довательно соединенных фильтра нижних частот и регулируемого усилите ,.ля, регулирующий вход которого явля:ется управляющим входом генератора гармонического сигнала, выход фильтра второй гармоники соединен с управляющим входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножителя частоты, вход которого соединен с первьм выходом кварцевого генератора и регулируемого усилителя , регулирующий вход которого является управляющим входом источника второ.й гармоники, выход регулируемого усилителя генератора гармонического сигнала и выход фильтра нижних частот источника второй гар; МОНИКИ подключены соответственно ко входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала, отличающееся тем, что,,с целью повьшения надежности и быстродействия, в него введены два электронных ключа управления, причем первый ключ включён между выходом умножителя частоты и входом регулируемого усилителя источника второй гармоники, второй ключ вклюсд чен между вторым выходом кварцевого :О генератора и входом регулируемого усилителя генератора гармонического сигнала, а управляющие входы ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, подключенного третьим выходом к второму входу фазового детектора фильтра второй гармоники, а входы селективны х вольтметров первой и второй гармоник соедине. ;меякду собой и присоединены к источнику обратного смещения.

ССЮЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ав (11) А

ggy: С 01 R 31/26 (21) 3430211/18-21 (22) 29.04.82 (46) 07.01.86. Бюл. № 1 (71) Научно-исследовательский институт механики и физики при

Саратовском ордена Трудового Красного Знамени Государственном университете им. Н.Г. Чернышевского (72) А.С. Сергеев (53) 621.382.2(088.8) (56) Патент СИА № 3518545, кл. 324-158, 1970.

Авторское свидетельство СССР:

¹ 517863, кл. G 01 R 31/26, 1976.

Авторское свидетельство СССР № 805781, кл. С 01 R 31/26, 1980. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПРОФИЛЯ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ, содержащее шины для подключения исследуемой стркутуры, одна из которых присоединена к источнику обратного смещения, а другая через параллельный колебательный контур к общей шине и ко входам фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя, детектора и дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с источником опорного напря:жения, фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно вклю-. ченных селективного усилителя, детектора и фазового детектора, выход. фильтра первой гармоники соединен с управляющим входом генератора гармонического сигнала, выполненного в виде кварцевого генератора и после,довательно соединенных фильтра нижних частот и регулируемого усилителя, регулирующий вход которого явля.ется управляющим входом генератора гармонического сигнала, выход фильтра второй гармоники соединен с управляющим входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножителя частоты, вход которого соединен с первым выходом кварцевого генератора и регулируемого усилителя, регулирующий вход которого является управляющим входом источника второй гармоники, выход регулируемого усилителя генератора гармонического сигнала и выход фильтра нижних частот источника второй гар;моники подключены соответственно ко . входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и быстродействия, в него введены два электронных ключа и,блок управления, причем первый ключ включЕн между выходом умножителя частоты и входом регулируемого усилителя источника второй гармоники, второй ключ включен между вторым выходом кварцевого .генератора и входом регулируемого усилителя генератора гармонического сигнала, а управляющие входы ключей

I соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, подключенного третьим выходом к второму входу фазового детектора фильтра второй гармоники, а входы селективных вольтметров первой и второй гармоник соединены, между собой и присоединены к источнику обратного смещения.

1061591

Изобретение относится к электронной промышленности, предназначено для измерения профиля распределения легирующей примеси в полупроводнико вых структурах с помощью резкого диффузионного р-и-перехода или барьера Шоттки и может быть применено при разработке и производстве полупроводниковых приборов различных типов..

Известно. устройство для измерения профиля легирования в полупроводниковых структурах, в которых на одной из поверхностей структуры формируется диод с барьером Шоттки и измеря,ются напряжения первой и второй гармоник на диоде при условии постоянства тока первой гармоники через диод, содержащее источник обратного смещения и генератор гармонических колебаний, соединенные с исследуемой структурой, к которой подключены селективные вольтметры первой и второй гармоник сигнала генератора.

Амплитуда второй гармоники здесь меняется обратно пропорционально концентрации легирующей примеси на глубине, определяемой величиной обратного смещения, подаваемого на диод, а амплитуда первой гармоники— прямо пропорциональна глубине.

Недостатками этого устройства являются трудность поддержания постоянства тока через структуру при изменении напряжения смещения (глубины) и трудность вццеления второй гармоники на фоне первой, что в конечном счете приводит к низкой точ:ности измерений.

Известно также устройство, содержащее источник обратного смещения, управляемый генератор гармонических колебаний, параллельный колебательный контур, настроенный на вторую-гармонику колебаний генератора, селективные вольтметры первой и второй гармоник и фильтр первой гармоники. Испытуемая структура включена между выходом источника обратного смещения и параллельным колебательным контуром, соединенным через фильтр первой гармоники с регулирующим входом управляемого генератора гармонических колебаний, регулируемый выход которого подключен к селективному вольтметру первой гармоники.

Недостатком этого устройства явля-.

j ется ограниченный диапазон и низкая точность измерений концентрации и глубины. Связано это с тем, что напряжение второй гармоники измеряется не на диоде, а на контуре. Очевидно, что точность измерений будет тем выше, чем больше резонансное сопротивление контура. Только в этом случае падением напряжения на диоде можно пренебречь и считать, что напряжение второй гармоники, возникающее на диоде и обратно пропорциональное концентрации примеси, в точности равно измеряемому.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения профиля легирующей примеси в полупроводниковых структурах, содержащее шины для подключения исследуемой структуры, к одной иэ которых присоединен источник обратного смещения, а к другой — параллельный колебательный контур и входы фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последова Ф тельно включенных селективного усилителя, детектора и дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селек ивного усилителя, детектора и фазового детектора, выход фильтра первой гармоники соединен с управляющим входом генератора гармонического сигнала, выполненного в виде кварцевого. генератора и последовательно соединенных фильтра нижних частот и регулируемого, усилителя,.регулирующий .вход которого является управляющим входом генератора гармонического сигнала, выход фильтра второй гармоники соединен с управляющим -входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножителя частоты, вход которого соединен с первым выходом кварцевого генератора и регулируемого усилителя, регулирующий вход которого является управляющим входом источника второй гармоники, выходы регулируемого усилителя генератора гармонического сигнала и фильтра нижних частот источника второй гармоники подключены соответст1061591 4 венно к входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала. Кроме того, устройство содержит коммутатор, включенный между вы" ходами генератора гармонических колебаний и источника второй гармоники, и первой шиной для подключения исследуемой структуры.

Недостатком этого устройства яв.— ляется низкое быстродействие и малый. срок службы. Это связано с тем, что коммутатор в указанном устройст ве должен быть выполнен на электро.механических элементах (реле). Пост" роение коммутатора на электронных элементах совершенно недопустимо.

Связано это с тем, что р-п-переход, контакт металл-полупроводник или металл-диэлектрик-полупроводник, являющиеся основой любого электронного ключа, могут стать дополнительным источником второй гармоники из-за нелинейной зависимости емкости или сопротивления контакта от напряжения на ием. Именно этот факт, как будет сказано ниже, лежит в основе используемого гармонического метода определения профиля легирования, где величина концентрации примеси оценивается по уровню второй гармоники, возникающей в измерительной цепи при подаче на нее напряжения основной гармоники. Для случая, когда коммутатор выполняется на электронных элементах (например, .ИДП-транзисторах), измерительная цепь будет представлять собой последовательно соединенные контакт металл-диэлектрик-полупроводник коммутатора, исследуемый образец и параллельный колебательный контур.

Если учесть то, что в качестве исследуемого образца может выступать такой же контакт металл-диэлектрикполупроводник, то становится очевидным, что полезную информацию, т.е. вторую гармонику, возникающую в. исследуемом контакте, нельзя выделить на фоне второй гармоники, возникающей в измерительной цепи как из-за наличия исследуемого контакта, так и контакта коммутатора.

Следовательно, в измерительной цепи не может присутствовать ни один не-. линейный элемент, кроме исследуемого, а построение коммутатора на электронных элементах с целью повышения быстродействия и надежности всего устройства в целом не представляется возможным.

Таким образом, быстродействие рассматриваемого устройства определяется максимальной частотой пере- ключения электромагнитных реле, которая в лучшем случае может .быть

100 Гц, а быстродействие, следовательно, не может быть лучше, чем

О, 1-1 с. Если принять, что максимальное число коммутаций составля6 ет 10, то при частоте переключения 100 Гц срок службы реле, а следовательно, всего устройства составит не более 3 ч.

Целью изобретения является увеличение надежности и быстродействия устройства.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее шины для подключения исследуемой структуры, к одной из которых присоединен источник обратного смещения, а к другой— параллельный колебательный контур и входы фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя, детектора и дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с источником опорного .напряжения, фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя, детектора и фазового детектора, выход фильтра первой гармоники соединен с управляющим входом генератора гармонического сигнала, выполненного в виде кварцевого генератора и последовательно соединенных фильтра нижних частот и регулируемого усилителя, регулирующий вход которого является управляющим входом генератора гармонического сигнала, вьиод фильтра второй гармоники сое45 динен с управляющим входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножителя частоты, вход которого соединен с первым выходом кварцевого генератора, и регулируе5О мого усилителя, регулирующий вход которого является управляющим входом источника второй гармоники, выходы регулируемого усилителя генератора гармоничесКого сигнала и

5 фильтра нижних частот источника второй гармоники подключены соответственно к входам селективных вольтметров первой и второй гармо1061 ник сигнала, введены два электронных ключа и блок управления, причем первый ключ включен между выходом умножителя частоты и входом регулируемого усилителя источника второй 5 гармоники, второй ключ включен между вторым выходом кварцевого генератора и входом регулируемого усилителя генератора гармонического сигнала, их управляющие входы соединены соот- 10 ветственно с первым и вторым выходами блока управления, подключенного третьим выходом к второму входу фазового детектора фильтра второй гармоники, а входы селективных вольт- 15 метров первой и второй гармоник соеI динены между собой и присоединены к источнику обратного смещения.

На чертеже приведена функциональная схема предложенного устройства. 20

Устройство содержит управляемый генератор 1 гармонического сигнала частоты о, исследуемую структуру 2, параллельный колебательный контур 3, настроенный на частоту второй гармоники 2, источник 4 обратного смещения, селективные вольтметры 5 и 6 первой и второй гармоник соответственно, фильтр 7 первой гармоники, управляемый источник 8 второй гармо- 30 . ник>, фильтр 9 второй гармоники, кварцевый генератор 10, регулируемый усилитель 11, фильтр 12 нижних частот, селективный усилитель 13 первой гармоники, детектор 14, диф- з ференциальный усилитель 15, селективный усилитель 16 второй гармоники, детектор 17, фазовый детектор 18., умножитель 19 частоты, регулируемый усилитель 20, электронные ключи 21 4р и 22 и блок 23 управления.

Управляемый генератор 1 гармонических колебаний состоит из последовательно включенных кварцевого генератора 10, электронного ключа 22, 4 регулируемого усилителя 11 и фильт". ра 12 нижних частот, выход которого соединен с выходом управляемого источника 8 второй гармоники, состоящего из последовательно включенных умножителя 19 частоты, электронного ключа 21 и регулируемого усилителя 20, причем выход кварцевого генератора 10 присоединен к входу умножителя 19. Выходы блоков 1 и 8 соеди.нены также с выходами источника 4 обратного смещения, селективных вольтметров 5 и 6 и присоединены к

591 б одной.из шин для подключения исследуемой структуры 2, другая шина которой соединена с параллельным колебательным контуром 3 и входами фильтров 7 и 9 первой и второй гармоник соответственно. Фильтр 7 состоит из последовательно включенных селективного усилителя 13, детектора 14 и дифференциального усилителя 15, подключенного одним иэ своих входов к источнику опорного напряжения

0 . Фильтр 9 в свою очередь состоит из последовательно соединенных селективного усилителя 16, детектора 17 и фазового детектора 18, опорный вход которого подключен к выходу блока 23 управления, два других выхода которого соединены с электронными ключами 21 и 22. Выходы фильтров 7 и 9 соединены с управляющими входами регулируемых усилителей 11 и 20 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

С кварцевого генератора 10 управляемого генератора 1 колебания частоты g через электронный ключ 22 (если он открыт) поступают на регулируемый усилитель 11 и далее на фильтр нижних частот 12, необходимый для подавления второй и высших гармоник основной частоты 9, которые имеются на выходе генератора 10 и, кроме того, возникают в электронном ключе 22 и регулируемом усилителе 11, работающем в нелинейном режиме. С выхода фильтра 12 синусоидальные колебания частоты я подаются на измерительную цепь, представляющую собой последовательное соединение исследуемой структуры 2 и колебательного контура 3, имеющего резонанс на частоте 2ц. Сюда же поступает напряжение обратного смещения от источника 4.

Под действием протекающего через структуру 2 гармонического тока частоты и из-за нелинейных свойств барьерной емкости появляется ток второй гармоники. Оба тока создают на контуре 3 падения напряжений первой и второй гармоник соответственно. Напряжение первой гармоники выделяется с помощью фильтра первой гармоники 7, представляющего собой селективный усилитель первой гармоники 13, детектор 14 и дифференци-. альный усилитель 15, выполняющий

7 функции усилителя ошибки. На второй вход усилителя 15 подается опорное напряжение U,, с которым сравнивается напряжение первой гармоники на контуре, усиленное усилителем 13 и продетектированное детектором 14.

Напряжение с выхода усилителя 15 подается на регулирующий вход усилителя 11 с тем расчетом, что при изменениях барьерной емкости структу-. ры 2 остается постоянным падение напряжения первой гармоники на колебательном контуре 3. Это одновременно означает постоянство тока через исследуемую структуру 2. Тогда напря жение на выходе генератора 1 целиком определяется величиной барьерной емкости,.а именно, прямо пропорционально ширине обедненной области р-и-перехода или барьера Шоттки, т.е. глубине, на которой измеряется концентрация примеси. Выходное напряжение генератора 1, соответствующее этой глубине, измеряется селективным вольтметром 5.

Измерение величины напряжения второй гармоники, возникающей в р-п-переходе или барьере Шоттки, которая при постоянной величине тока первой гармоники обратно пропорциональна концентрации примеси, производится методом замещения. Для этого напряжение второй гармоники выделяется с помощью фильтра второй гармоники 9, где оно усиливается селек тивным усилителем второй гармоники

16 и детектируется с помощью детектора 17, выходное напряжение которого запоминается (фиксируется).

Затем ключ 22 закрывается, а ключ 21 открывается и на ту же измерительную цепь при тех же самых условиях подается напряжение второй гармоники с. управляемого источника второй гармоники 8 такой величины, чтобы напряжение на выходе. детектора 17 было бы тем же самым, что и ранее, когда ключ

21 был закрыт, а ключ 22 открыт.

Это означает, что падение напряжения иа колебательном контуре в первом и втором случае одинаково, а напряжение на выходе управляемого источника 8 в точности равно напря-жению второй гармоники, возникающему в исследуемом р-и-переходе или барьере Шоттки при протекании через него тока первой гармоники, поскольку и то, и другое создают на

1061591

8 контуре падение напряжения второй гармоники одинаковой величины.

Напряжение на выходе источника 8 измеряется селективным вольтметром 6.

Регулируемый источник второй гармоники 8 представляет собой умножитель частоты 19, где частота исходных колебаний кварцевого генератора 10 удваивается, и регулируемый усилитель 20. На его регулирующий вход с выхода фильтра 9 подается напряжение так, чтобы свести к нулю разницу между падением напряжения второй гармоники, возникающим на

15 контуре при прохождении через структуру 2 тока основной частоты, и падением напряжения второй гармоники

I при подаче на измерительную цепь напряжения второй гармоники с регулируемого источника второй гармоники 8, т.е. когда электронный ключ 22 открыт, а ключ 21 закрыт и наоборот. Включение и выключение электронных ключей 21 и 22 осуще25 ствляется поочередно с помощью двух противофазных напряжений, вырабатываемых блоком управления 23.

Фазовый детектор 18 в фильтре 9 служит для обеспечения устойчивой

ЗО работы системы автоматического регулирования второй гармоники и вы.полняет функции фазового раэличителя и пикового детектора. В качестве опорного напряжения для фазово35

ro детектора используется одно из напряжений, вырабатываемых блоком управления 23.

Таким образом, напряжение, измеренное вольтметром 5, прямо пропорционально глубине, а напряжение, измеренное вольтметром 6, обратно пропорционально концентрации при . любой величине резонансного сопротивления контура (добротности) и любой величине барьерной емкости исследуемой структуры 2 °

Надежность предложенного устройства значительно больше, чем известного, благодаря введению

50 электронных ключей которые включены

У в ту часть, где их нелинейность не влияет на работу схемы. Одновременно может быть значительно повышено быстродействие устройства, кото55 рае в данном случае связано с рабо..чей частотой генератора гармонических колебаний.и может составЛять

0,01"0,1 ее величины.

1061591

Редактор 0 Юркова Техред О.Ващишина Корректор И. Муска

---ъЗаказ 8555/5 Тираж 747 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4