Устройство для измерения профиля легирующей примеси в полупроводниковых структурах Советский патент 1986 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к электронной промьшшенности, предназначено для измерения профиля распределения легирующей примеси в полупроводниковых структурах с помощью резкого диффузионного р-п-перехода или барьера Шоттки и может быть применено при разработке и производстве полупроводниковых приборов различных типов.- . Известно, устройстве для измерения профиля легирования в полупроводни;ковых 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 постоянст ва 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 хлубине. Недостатками этого устройства являются трудность поддержания постоянства тока через структуру при изменении напряжения смещения (глубины) и трудность вьщеления второй гармоники на фоне первой, что в конечном счете приводит к низкой точ; ности измерений. Известно также устройство, содержащее источник обратного смещени управляемый генератор гармонических колебаний, параллельный колебательный контур, настроенный на вторую гармонику колебаний генератора, селективные вольтметры первой и вто рой гармоник и фильтр первой гармоники. .Испытуемая структура включена между выходом источника обратного смещения и параллельным колебательным контуром, соединенным через фильтр первой гармоники с регулирую щим входом управляемого генератора гармонических колебаний, регулируемый выход которого подключен к селе тивному вольтметру первой гармоники Недостатком этого устройства явля-, 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 напряжений 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 из которых присоединен источник обратного смещения, а к другой - параллельный колебательный контур и входы фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники вьшолнен в виде последова- . 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, эьтолненного в виде кварцевого генератора и последовательно соединенных фильтра нижних частот и регулируемого, усилителя,. регулирующий вход которого является управляющим входом генератора гармонического сигнала, выкод 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 соответственно к входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала. Кроме того, устройство содержит коммутатор, включенный между выходами генератора гармонических колебаний и источника второй гармоники, и первой шиной для подключения исследуемой структуры.

Недостатком этого устройства является низкое быстродействие и малый срок службы. Это связано с тем, что коммутатор в указанном устройстве должен быть выполнен на электро механических элементах (реле). Построение 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 нем. 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 вьтолняется на электронных элементах (например, ,ВДП-транзисторах), измерительная цепь будет представлять собой последовательно соединенные контакт металл-диэлектрик-полупроводник коммутатора, исследуемый образец и параллельньй колебательный контур. Если учесть то, что в качестве исследуемого образца может выступат такой же контакт металл-диэлектрик- полупроводник, 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 нег линейный элементi кроме исследуемог а построение коммутатора на электроных элементах с целью повышения быстродействия и надежности всего

устройства в целом не представляется возможным.

Таким образом, быстродействие .рассматриваемого устройства опреде-

ляется максимальной частотой переключения электромагнитных реле, которая в лучшем случае может быть 100 Гц, а быстродействие, следовательно, не может быть лучше, чем

Если принять, что максимальное число коммутаций составляет 10 , то при частоте переключе- . ния 100 Гц срок службы реле, а следовательно, всего устройства составит не более 3ч.

5

Целью изобретения является увеличение надежности и быстродействия устройства.

ЦелЬ достигается тем, что в устQ ройство, содержащее шины для подключения исследуемой структуры, к одной из которых присоединен источник обратного смещения, а к другой параллельный колебательный контур

5 и входы фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя, детектора и дифференциального усилителя, второй вход которо0го соединен с источником опорного напряжения, фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя, .детектора и фазового детектора, вы5ход фильтра первой гармоники соединен с управляющим входом генератора гармонического сигнала, вьшолненного в виде кварцевого генератора и последовательно соединенных фильтра

0 нижних частот и регулируемого усилителя, регулирующий вход которого является управляющим входом генератора гармонического сигнала, выход фильтра второй гармоники сое5динен с управляющим входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножителя частоты, вход которого соединен с первым выходом кварцевого генератора, и регулируе0мого 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 гармоник сигнала, 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, их управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, подключенного третьим выходом к второму входу фазового детектора фильтра второй гармоники, а входы селективных вольт метров первой и второй гармоник соединены между собой и присоединены к источнику обратного смещения.

На чертеже приведена функциональная схема предложенного устройства.

Устройство содержит управляемый генератор 1 гармонического сигнала частоты 0) , исследуемую структуру 2, параллельный колебательный контур 3, настроенный на частоту второй гармоНИКИ 2(д), источник 4 обратного смещения, селективные вольтметры 5 и 6 первой и второй гармоник соответственно, фильтр 7 первой гармоники, управляемый источник 8 второй гармо. , фильтр 9 второй гармоники, кварцевый генератор 10, регулируемый усилитель 11, фильтр 12 нижних частот, селективный усилитель 13 первой гармоники, детектор 14, дифференциальный усилитель 15, селективный усилитель 16 второй гармоники, детектор 17, фазовый детектор 18 умножитель 19 частоты, регулируемый усилитель 20, электронные ключи 21 я 22 к блок 23 управления.

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

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 из своих входов к источнику опорного напряжения V, 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 (и 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 И , 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 и подаются на измерительную цепь, представляющую собой последовательное соединение исследуемой структуры 2 и колебательного контура 3, имеющего резонанс на частоте 2(0. Сюда же поступает напряжение обратного смещения от источника 4.

Под действием протекающего через структуру 2 гармонического тока частоты со из-за нелинейных свойств барьерной емкости появляется ток второй гармоники. Оба тока создают на контуре 3 падения напряжений первой и гармоник соответственно. Напряжение нервой гармоники вьщеляется с помощью фильтра первой гармоники 7, представляющего собой селективный усилитель первой гармоники 13, детектор 14 и дифференцитальный усилитель 15, выполняющий 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 регулирзпощий вход усилителя 11 с тем расчетом, что при изменениях барьерной емкости структуры 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-п-перехода или барьера Шоттки, т.е. глубине, на которой измеряется концентрация примеси. Выходное напряжение генератора 1, соответствзпощее этой глубине, измеряется селективным вольтметром 5. Измерение величины напряжения второй гармоники, возникающей в р-д-переходе или барьере Шоттки, которая при постоянной величине тока первой гармоники обратно пропорциональна концентрации примеси, производится методом замещения. Для этого напряжение второй гармоники вьщеляется с помощью фильтра второй гармоники 9, где оно усиливается селективным 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 напря- .жение на выходу, детектора 17 было бы

тем же самым, что и ранее, когда клю 21 был закрыт, а ключ 22 открыт. Это означает, что падение напряжения на колебательном контуре в первом и втором случае одинаково, а напряжение на выходе управляемого источника 8 в -точности равно напряжению второй гармоники, возникающему в исследуемом р-п-переходе или барьере Шоттки при протекании через него тока первой гармоники, поскольку и то, и другое создают нч

Надежность предложенного устройства значительно больше, чем известного, благодаря введению электронных ключей, которые включены в ту часть, где их нелинейность не влияет на работу схемы. Одновременно может быть значительно повышено быстродействие устройства, которое в данном случае связано с рабоей частотой генератора гармонических колебаний-и может составлять 0,01-0,1 ее величины. 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 контуре при прохождении через структуру 2 тока основной частоты, и падением напряжения второй гармоники 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 осуществляется поочередно с помощью двзгх противофазных напряжений, вырабатываемых блоком управления 23. Фазовый детектор 18 в фильтре 9 служит для обеспечения устойчивой работы системы автоматического регулирования второй гармоники и выполняет функции фазового различителя и пикового детектора. В качестве опорного напряжения для фазового 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.

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.