Устройство для определения концентрации примесей в полупроводниковых образцах

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОБРАЗЦАХ, включающее генератор , выход которого соединен с входом первого регулируемого усилителя, заграждающий фильтр второй гармоники, первый повторитель, первую шину для подключения полупроводникового образца , которая соединена с выходом блока смещения, выход заграждающего фильтра второй гармоники соединен через линейный детектор с первым выходом устройства, второй регулируемый усилитель , соединенный через последовательно соединенные селективный усилитель второй гармоники и -амплитудный детектор с входом логарифмического усилителя, выход которого соединен с вторым выходом устройства, тенера ор опорного напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом первого регулируемого усилителя , селективный усилитель первой гармоники и вторую шину для подключения образца, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым повторителем , переключателем диапазонов, блоком конденсаторов, дешифратором, блоком индикации, фазочувствительным детектором, конденсатором переменной емкости, удвоителем частоты,при дтом амплитудный детектор выполнен в виде синхронного детектора, опорный вход которого соединен с выходом удвоителя частоты, вход которого соединен с вторым выходом генератора и опорным входом фазочувствительного детектора , вход которого соединен с выходом селективного усилителя первой гар МОНИКИ, а выход соединен с неинвертирующим входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом второго регулируе мого усилителя, сигнальный вход которого соединен с первым выходом второго повторителя, второй выход которого соединен с входом селективного усилителя первой гармоники, вход второго повторителя соединен с втЪрой шиной для подключения образца полупроводника и через конденсатор переменной емкости..сбединен с вторым выходом фильтра второй гармоники, а через переключатель диапазонов - с входом блока конденсаторов, второй выход переключателя диапазонов соединен с входом дешифратора, первый выход которого соединен с входом блока индикации, а второй выход - с управлякнцим входом селективного усилителя второй гармоники, выход первого регулируемого усилителя соединен с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

И

РЕСПУБЛИН ав (11) 01 R 31/26; Н 01 1. 21/66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

3феу

@буфф.

Жк(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3482471/24-21 (22) 04.08.82 (46) 07.12.84. Бюл. Р 45 (72) В.И. Усик (7 1) Институт физики полупроводников

Сибирского отделения АН СССР (53) 621.382.3(086.8) (56) .1. Авторское свидетельство СССР

Р 517863, кл. С 01 R 31/26, 31.05.74 °

2. Орлов О.M. Принц В.Я. Скок Э.M.

Прибор для автоматического измерения профиля концентрации мелких уровР ней.-"Приборы и техника эксперимента" ю 1979, У 4, с. 258-261 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРГДЕЛЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМКСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ОБРАЗЦАХ, включающее генератор, выход которого соединен с входом первого регулируемого усилителя, заграждающий фильтр второй гармоники, первый повторитель, первую шину для подключения полупроводникового образца, которая соединена с выходом блока смещения,.-выход заграждающего фильтра второй гармоники соединен через линейный детектор с первым выходом устройства, второй регулируемый усилитель, соединенный через последовательно соединенные селективный усилитель второй гармоники и .:амплитудный детектор с входом логарифмичес-, кого усилителя, выход которого сое динен с вторым выходом устройства, генератор опорного напряжения, выход которого соединен с инвертирующим входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом первого регулируемого уси- лителя, селективный усилитель первой гармоники и втору.о шину для подключения образца, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым повторителем, переключателем диапазонов, блоком конденсаторов, дешифратором, блоком индикации, фазочувствительным детектором, конденсатором переменной

1 емкости, удвоителем частоты, при .этом амплитудный детектор выполнен в виде синхронного детектора, опорный вход которого соединен с выходом удвоителя частоты, вход которого соединен. с вторым выходом генератора и опорным входом фазочувствительного детектора, вход которого соединен с выходом селективного усилителя первой гар» моники, а выход соединен с неинвертирующим входом усилителя постоянно. го тока, выход которого соединен с управляющим входом второго регулируе мого усилителя, сигнальный вход которого соединен с первым выходом вто рого повторителя, второй выход которого соединен с входом селектнвного усилителя первой гармоники, вход второго повторителя соединен с второй шиной для подключения образца полупро водника и через конденсатор переменной емкости:;сбединен с вторым выходом фильтра второй гармоники, а через переключатель диапазонов — с входом блока конденсаторов, второй выход переключателя диапазонов соединен с входом дешифратора, первый выход которого соединен с входом блока индикации, а второй выход — с управ ляющим входом селективного усилителя второй гармоники, выход первого регулируемого усилителя соединен с

11?8202 входом заграждающего фильтра второй . которого соединен с первой шиной гармоники, выход которого соединен для подключения образца полупроводнис входом первого повторителя, выход ка.

Изобретение относится к области контроля электрофизических параметров в полупроводниках и может быть использовано для определения профиля концентрации легирующих примесей в полупроводниковых структурах, плас" тинах, пленках, приборах и т.п.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для определения концентра- ции примесей в полупроводниковых образцах; на фиг. 2 †. пример реали зации блоков, с которыми соединены шины для подключения полупроводникового образца.

Устройство для определения концентрации примесей в полупроводниковых образцах содержит генератор 1, вырабарывающий высокочастотные колебания, выход которого через последовательно соединенные первый регулируемый усилитель 2, заграждающий фильтр 3 второй гармоники и первый повторитель 4 соединен с первой шиной 5 для под- ключения образца полупроводника. Инна 5 соединена с выходом блока 6 смещения. Выход заграждающего фильтра

3 соединен через линейный детектор

7 с первым выходом устройства. Второй регулируемый усилитель 8 соединен через последовательно соединенные селективный усилитель 9 второй гарМоники и амплитудный детектор 10 с входом логарифмического усилителя 11, выход которого соединен с вторым входом устройства. Выход генератора 12 опорного напряжения соединен с инвертирующим входом усилителя 13 постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом первого регулируемого усилителя 2. Селективный усилитель 14 выделяет сигнал пер.вой гармоники. Вторая шина 15 для подключения полупроводникового образца соединена с входом второго повтори теля 16 и переключателя 17 диапазонов, выход которого подключен к блоку

18 конденсаторов. Дополнительный вы-. ход переключателя 17 соединен с входом дешифратора 19, первый выход

5 которого соединен с входом блока 20 индикации, а второй выход соединен с управляющим входом селективного усилителя 9. Первый выход повторителя 16 соединен с входом селективного усилителя 14, выход которого соединен с входом фазочувствительного детектора 21, выход. которого соединен с не инвертирующим входом усилителя 13, выход которого соединен с управляю- щим входом второго регулируемого усилителя 8, вход которого соединен с вторым выходом второго повторителя 16 °

Дополнительный вьжод заграждающего фильтра 3, на котором формируется

>О противофазное напряжение первой гармоники, соединен через конденсатор

22 (переменный элемент) с второй шиной 15.

Опорный выход фазочувствительного

2 детектора 21 соединен с вторым выходом генератора 1 и входом удвоителя

23 частоты, выход которого соединен с опорным входом детектора 10.

Работа устройства основана на

ЗО том, что через полупроводник пропускают высокочастотный ток постоянной амплитуды с частотой Е1 и на емкостном делителе измеряют напряжение второй гармоники с частотой 2F1, ко35 торое непосредственно связано с концентрацией примесей. Аналоговая обра ботка этого сигнала для получения

И 1йпроисходит путем синхронного регулирования усиления регулируемых

40 усилителей 2 и 8. .Расстояние Х от металлического контакта связано с емкостью С обедненного слоя полупроводника форму-I лой Х = АС, где А — некоторый коэфд фициент пропорциональности.

Устройство работает следующим образом.

1128202 тора 21 через U ношением

Они связаны соотu= — ñ=Х д (2) 45

3

Высокочастотный сигнал с частотой от генератора 1 через регулируе мый усилитель 2, фильтр 3, где происходит подавление частоты 2 возникающей в усилителе 2, поступает на вход повторителя 4.

С дополнительного выхода фильтра 3 противофазный сигнал поступает черезконденсатор. 22 на вход повторителя 16

Чисто гармонический сигнал с часто- 10 той f„ с выхода фильтра 3 через повторитель 4 поступает на испытываемый образец полупроводника, на который поступает также постоянное поляризующее напряжение от блока 6. Емкостью конденсатора 22- можно скомпенсировать ток с частотой 1» теку1 щий через параэитную краевую емкость металл — полупроводник (или электроъ лит — полупроводник) так, что сигнал на входе повторителя 16 пропорционален только емкости С измеряемого полупроводника.

Сигнал с частотой f,, пройдя через полупроводник, выделяется на 25 малом емкостном сопротивлении блока

18 конденсаторов, переключаемых переключателем 17 в зависимости от емкости С измеряемого полупроводника, Напряженйе с блока 18 поступает на повторитель 16, обладающий высокой линейностью, так что при прохождении сигнала с частотой, в нем не образуется паразитного сигнала с частотой ? 1». С выхода повторителя

16 через селективный усилитель 14

35 сигнал частоты Г» поступает на фазочувствительный детектор 21, на опор-. ный вход которого поступает опорный сигнал с постоянной фазой от генера40 тора 1. Фазочувствительный детектор 21 настроен на емкостную состав= ляющую тока через полупроводник, т.е. фаза опорного сигнала такова, что на его выходе регистрируется продетектированный сигнал, прбпор,циональный только емкости С полупроводника и не зависит от проводимости G, величина которой определяет добротность измеряемого полупроводни50 ка на частоте 1» . Сигнал с выхода фазочувствительного детектора 21 через усилитель 13 поступает на управляющий вход первого регулируемого усилителя 2.

Обозначим амплитудные значения сигналов частоты » на выходе повторителя 4 через Ч, на выходе детекu, =V.С, (1) где o(, — некоторый коэффициент пропорциональности, С вЂ” емкость измеряемого образца.

Отрицательная обратная связь работает таким образом, что при изменении емкости полупроводника (при подаче на него изменяющегося поляриэующего напряжения) напряжение U поддерживается постоянным с погрешностью менее 17 (0 = Соиз1 ). Тогда из (1) имеем U= °

Это значит, что и напряжение 0 на выходе повторителя 4, поступающее на полупроводник, пропорционально Х (глубине обедненного слоя).

Проводимость G полупроводника не влияет на выполнение условия (2).

То есть полностью исключено влияние

G на точность аналоговой обработки для получения сигнала, пропорционального глубине обедненного слоя, при измерении полупроводников -с добротностью 0>1.

С выхода фильтра 3 сигнал частоты f» поступает на линейный детектор 7 и с его выхода поступает на первый выход устройства для подключения регистрирующего прибора и входа Х двухкоорлинатного самописца

При прохождении чисто гармонического сигнала частоты f» через измеряемый полупроводник на нелинейной емкости образца возникает сигнал с частотой 2 У и выделяется на малом емкостном сопротивлении блока 18 с напряжением Щ» . Его величина пропорциональна

u2Г„-Н С, где С вЂ” емкость полупроводника;

М вЂ” концентрация легирующей примеси.

Пройдя повторитель 16, сигнал с частотой 2 Г» поступает на вход регулируемого усилителя 8 через фильтр на его входе (подавляющий сигнал с частотой f» ). Усиление усилителя 8 изменяется синхронно и пропорционально с усилителем 2, так как их регулирующие входы соединены вместе и на них поступает регулирующее напряженке обратной связи с выхода усилителя 13. На выходе усилителя 2, 1128202

S как мы выяснили из формулы (2), напряжение также изменяется пропорционально расстоянию Х значит и напря-1

Э жение Щ и, поступающее на вход усилителя 8, на его выходе будет 5

01Е< М С < N E +) т.е. на выходе усилителя 8 имеем сигнал, пропорциональный концентра1 ции легирующей примеси в полупроводнике. Усиленный сигнал после селективного усилителя 9 поступает на вход детектора 10, на опорный вход которого поступает напряжение с удвоителя 23.с частотой 2 f<. Продетектированный сигнал с выхода детектора 10 поступает на вход логарифмического усилителя 11. Сигнал е выхода усилителя 11 поступает на второй выход устройства для подключения вертикального входа двухкоординатного самописца.

Переключатель 17 также выдает управляющий сигнал, который поступа- 25 ет в дешифратор 19, сигнал с выхода которого управляет блоком индикации, показывающим степерь измеряемой концентрации (10 — 10 ), зависящей рот выбранного положения переключателя 17 и состояния дешифратора, который вырабатывает также управ. ляющий сигнал, поступающий на усилитель 9, изменяя его усиление в 10 и 100 раз, позволяя расширить динамический диапазон измеряемых кон центраций на одном пределе, выбран. ном переключателем 17.

В варианте устройства (фиг. 2) генератор 1 вщдает сигнал с часто той 50 кГц, на выходе удвоителя формируется сигнал с частотой 100 кГц .

Устройство используется с электролитическим зондом ф = 2 мм, что позволяет проводить измерения на границе полупроводник — диэлектрик — элек тролит с одновременным химическим или электрохимическим травлением.

Переключатель 17 имеет пять пределов по измеряемой емкости (глубина Х) позволяя изменять ток с частотой 1 через полупроводник в зависимости .от измеряемой емкости (10-2 ° 10 пф).

Ц в пределах 1 — 100 мкА, позволяя выбрать наиболее удобный режим при измерении всего динамического диапазона полупроводников по измеряемой концентрации и глубине обедненного слоя (емкости).

Предлагаемое устройство позволяет измерять весь диапазон концентраций ртутным зондом одного диаметра, повысить точность измерений и удобство в работе с прибором. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет проводить измерения концентрации легирующих примесей в полупроводнике с электролитическим зондом большого диаметра, измерения полупроводников со сложной геометрией профиля распре-, деления примесей по глубине, когда ртутным зондом невозможно провести эти измерения из-за физических ограничений, возникающих вследствие пробоя полупроводника.

1128202

Составитель В. Карпов

Редактор С. Патрушева Техред С.йовжий

Корректор А. Тяско

Заказ 10122 Тираж 710

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

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