Устройство для определения концентрации примесей в полупроводниковых образцах Советский патент 1984 года по МПК G01R31/26 

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

1128202

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 постоянно- го 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

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

Цель изобретения - повьшение точности измерений.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для определения концентрации примесей в ползттроводниковых образцах у на фиг. 2 - пример реализации блоков, с которыми соединены щины для подключения полупроводникового образца.

Устройство для определения концентрации примесей в полупроводниковых образцах содержит генера.тор 1, выра- барывающий 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 подключения образца полупроводника. Иина 5 соединена с выходом блока 6 смещения. Выход заграждающего фильтра 3 соединен через линейный детектор 7 с первьм вькодом устройства. Второй регулируемый усилитель 8 соединен через последовательно соединенные селективный усилитель 9 второй гармоники и амплитудньй детектор 10 с входом логари ммического усилителя 11, выход которого соединен с вторым входом устройства. Вькод 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 первой гармоники. Вторая шина 15 для подключения ползшроводникового 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 которого соединен с входом блока 20 индикации, а второй выход соединен с управляющим входом селективного уси лителя 9. Первый выход повторителя 16 соединен с входом селективного усилителя 14, выход которого соединен с входом фазочувствительного детектора 2 1 , выход, которого соединен с неинвертирующим входом усилителя 13, выход которого соединен с управляющим входом второго регулируемого усилителя В, вход которого соединен с вторым выходом второго повторителя 16. Дополнительный выход заграждающего фильтра 3 на котором формируется 0 противофазное напряжение первой гармоники, соединен через конденсатор

22(переменный элемент) с второй шиной 15.

Опорный выход фазочувствительного детектора 21 соединен с вторым выходом генератора 1 и входом удвоителя

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

Работа устройства основана на том, что через полупроводник пропускают высокочастотный ток постоянной амплитуды с частотой f| и на емкостном делителе измеряют напряжение второй гармоники с частотой 2fn , которое непосредственно связано с концентрацией примесей. Аналоговая обра|ботка этого сигнала для получения VifivN происходит путем синхронного регулирования усиления регулируемых 0 усилителей 2 и 8.

Расстояние X от металлического контакта связано с емкостью С.обедненного слоя полупроводника формулой X АС , где А - некоторый коэф5 фициент пропорциональности.

Устройство работает следующим образом. Высокочастотный сигнал с частотой от генератора 1 через регулиру мый усилитель 2, фильтр 3, где происходит подавление частоты 2 f, возникающей в усилителе 2, поступает на вход повторителя 4. С дополнительного выхода фильтра противофазньй сигнал поступает через конденсатор 22 на вход повторителя 1 Чисто гармонический сигнал с частотой , с выхода фильтра 3 через повторитель А поступает на испытываемый образец полупроводника, на который поступает также постоянное поляризующее напряжение от блока 6. Емкостью конденсатора 22 можно скомпенсировать ток с частотой fi текущий через паразитную краевую емкость металл - полупроводник (или электролит - полупроводник) так, что сигнал на входе повторителя 16 пропорционален только емкости С измеряемого полупроводника. Сигнал с частотой f, , пройдя через полупроводник, выделяется на малом емкостном сопротивлении блока 18 конденсаторов, переключаемых пере ключателем 17 в зависимости от емкости С измеряемого полупроводника. Напряжениес блока 18 поступает на повторитель 16, обладающий высокой линейностью, так что при прохождении сигнала с частотой f в нем не образуется паразитного сигнала с частотой 2 f,. С выхода повторителя 16 через селективный усилитель 14 сигнал частоты fi поступает на фазочувствительный детектор 21, на опорт ный вход которого поступает опорный сигнал с постоянной фазой от генератора 1. Фазочувствительный детектор 21 настроен на емкостную состав-ляющую тока через полупроводник, т.е. фаза опорного сигнала та:кова, что на его выходе регистрируется продетектированный сигнал, прЬпордиональный только емкости С полупроводника и не зависит от проводимости G , величина которой определяет добротность измеряемого полупроводни ка на частоте Г| , Сигнал с выхода фазочувствительного детектора 21 через усилитель 13 поступает на управляющий вход первого регулируемого усилителя 2. Обозначим амплитудные значения сигналов частоты f на выходе повторителя 4 через V , на выходе детектора 21 через Uc ни связаны соотношениемUc V-C-oL, (1) где оС - некоторый коэффициент пропорциональности;С - емкость измеряемого образца. Отрицательная обратная связь работает таким образом, что при изменении емкости полупроводника (при подаче на него изменяющегося поляризующего напряжения) напряжение 1/с поддерживается постоянным с погрешностью менее 1% ( Uc Сощ1 ). Тогда из (1) имеем и-- Это значит, что и напряжение U на выходе повторителя 4, поступающее на полупроводник, пропорционально X (глубине обедненного слоя). и хПроводимость 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 . 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 X двухкоординатного самописца. При прохождении чисто гармонического сигнала частоты f через измеряемый полупроводник на нелинейной емкости образца возникает сигнал с частотой 2 f и вьщеляется на малом емкостном сопротивлении блока 18 с напряжением . Его величина пропорциональнаUzf.-vNt, где С - емкость полупроводника; N - концентрация легирующей примеси. Пройдя повторитель 16, сигнал с частотой 2 fi 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 напряжение обратной связи с выхода усилителя 13. На выходе усилителя 2,

ак мы выяснили из формулы (2), наряжение также изменяется пропорциоально расстоянию X, значит и напряение U2( f , поступающее на вход силителя 8, на его выходе будет 5

U2f Wc-Xv-C:C, (Л---1-),

т.е. iia выходе усилителя 8 имеем сигнал, пропорциональный концентра- ю ции легирующей примеси в полупровод- , нике. Усиленньй сигнал после селективного усилителя 9 поступает на вход детектора 10, на опорный вход которого поступает напряжение с удвоите- 15 ля 23.с частотой 2 f. Продетектированный сигнал с выхода детектора 10 постзшает на вход логарифмического усилителя 11. Сигнал с выхода, усилителя 11 поступает на второй выход 20 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 степень измеряемой концентрации (10 - 10), зависящей от выбранного положения переключа- зо теля 17 и состояния дешифратора, который вырабатывает также управ ляющий сигнал, поступающий на усилитель 9, изменяя его усиление в 10 и 100 раз, позволяя расширить ди- , намичёский диапазон измеряемых коицентраций на одном пределе, выбранном переключателем 17.

В варианте устройства (фиг. 2) генератор 1 в)Щает сигнал с частотой 50 кГц, на выходе удвоителя формируется сигнал с частотой 100 кГц Устройство используется с электролитическим зондом 2 мм, что позволяет проводить- измерения на границе полупроводник - диэлектрик - электролит с одновременным химическим или электрохимическим травлением. Переключатель 17 имеет пять пределов по измеряемой емкости (глубина X), позволяя изменять ток с частотой т через полупроводник в зависимости .от измеряемой емкости ( пФ) в пределах 1 - ЮО 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 распределения примесей по глубине, когда ртутным зондом невозможно провести эти измерения из-за физических ограничений, возникающих вследствие пробоя полупроводника.

t,Ci tj,

h ft -Vt -Л

13