Устройство для измерения профиля концентрации примесей в полупроводниках Советский патент 1985 года по МПК H01L21/66 

с вторым выходом второго детектора и третьим входом регистратора, выход блока деления соединен с вторым входом первого синхронного детектора, первьй вход усилителя постоянного

тока соединен с выходом первого детектора, второй вход соединен с выходом источника опорного напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с входом фильтра.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПЮВОДНИКАХ, содержащее первый избирательный усилитель, выход которого соединен с входом первого детектора, фильтр, выход которого соединен с первьм входом модулятора, усилитель, вход которого соединен с выходом модулятора, а выход соединен с входом блока компенсации, выход которого соединен с первым выводом нагрузочной емкости, второй вывод которой соединен с шиной земли, первый генератор, первую клемму для подключения полупроводника, соединенную с первым выводом развязывающего резистора, второй вывод которого соединен с выходом блока поляризующего напряжения смещения, выходом второго генератора и первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом регистратора, третий генератор, первый выход которого соединен с первым входом смесителя, второй выход соединен с первым входом второго синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом второго избирательного усилителя, а выход соединен с вторым входом регистратора, второй детектор, выход которого соединен с входом третьего избирательного усилителя, источник опорного напряжения и вторую , клемму для подключения полупроводника, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно дополнительно снабжено усилителем постоянного тока, блоком деления, линейным повторителем, избирательным фильтром и сумматором, а первый и второй детекторы выполнены синхронными, при этом SKU с. первый вход сумматора соединен с выходом смесителя, второй вход, соединен с первым выходом первого генератора, второй выход которого соединен с перв1Л4 входом второго детектоел ра и вторьм входом первого детектора, а выход сумматора соединен с вторым ел входом модулятора, вход избирательQG Ш ного фильтра соединен с выходом модулятора, перв выход избирательного фильтра соединен с вторым входом смесителя, а второй выход соединен с вторым входом второго детектора, вход линейного повторителя соединен -с выходом блока компенсации и второй клеммой для подключения полупроводника, а выход линейного повторителя соединен с входом первого и входом второго избирательных усилителей, первый вход Слока деления соединен с выходом третьего избирательного усилителя, второй вход соединен

Изобретение относится к контролю электрофизических параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано для определения профиля концентрации легирующих примесей. Известно устройство для определения концентрации примесей в полупроводниках, содержащее первый и второй генераторы.высокой частоты, первый и второй усилители, задатчик смещения, испытуемый полупроводник, переменный конденсатор, повторитель синхронные детекторы, фильтры, дешиф ратор, индикатор, переключатель, блок конденсаторов СОУстройство позволяет измерять про филь концентрации легирующих примесей мелких уровней от глубины в широком диапазоне измеряемых емкостей и концентраций. Однако не дает информации о наличии глубоких примесей и не позволяет оценить концентра цию по :ледних. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения концентрации примесей в полупроводниках, с держащее первый генератор, соединен ный через модулятор, первый усилитель и мост с суммирукицда1И резистор ми с первым вьтодом полупроводника, второй вывод которого соединен с входом второго, третьего и четвертого усилителя, выход второго усили теля через смеситель, пятый усилитель и резистор соединен с первьм выводом полупроводника, второй выхо пятого усилителя через первый де, тектор соединен с резистором, второй генератор соединен с входами смесителя и первого фазового детектора, вход фазового детектора соеди нен с выходом второго генератора, а выход детектора через переключатель с регистратором, выход четвертого усилителя через второй детектор и RC-фильтр соединен с входом модулятора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход первого усилителя соединен через третий детектор и шестой усилитель с входом второго фазового детектора, выход.второго фазового детектора соединен через переключатель с регистратором, третий генератор соединен с вторым входом второго фазового детектора и через резистор с полупроводником, источник обратного смещения соединен с первым вьгоодом полупроводника, второй вход которого соединен с нагрузочным резистором. Устройство позволяет вести измерение низкочастотного и высокочастотного профиля концентрации, что дает более полнзто информацию о физических свойствах полупроводника. Измерения проводятся в широком диапазоне глубин и концентраций путем изменения величины нагрузочного резистора в цепи полупроводника и изменения величины высокочастотньвс токов через полупроводник 2j. Недостаток данного устройства сложность аналоговой обработки сигн,алов. Кроме того, при отключенном генераторе частоты f-, при изменении емкости полупроводника под воздействием напряжения смещения соответственно увеличатся шумы на входе детектора с выхода усилителя. Это ограничивает дш1амическ 1й диапазон по измеряемой емкости полупроводника и нарушает точность аналоговой обработки, так как напряжение, поступающее с детектора на вход модулятора, сравнивается с опорным напряжением, определяющим точность работы обратной связи. Изменяющиеся 3 при изменении емкости полупроводника шумы на входе усилителя влияют на точность работы обратной связи. Вход усилительного тракта для измерения X (глубины), соединен с выходом усилителя через емкость полупроводника, нагруженного на нагрузоч ное сопротивление. Эта цепь при плохой селективности может возбул аться даже при отк/поченном генераторе частоты flj , когда емкость полупроводника велика. Для устойчивой работ 0.0.С. требуется большая селективность усилителей, так как именно это и определяет точность измерений низ кочастотной и высокочастотной концентрации. Цель изобретения - повьтение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения профиля концентрации примесей в полу проводниках, содержащее первый избирательный усилитель, выход которого соединен с входом первого детектора фильтр, выход которого соединен с первым входом модулятора, усилитель вход которого соединен с выходом модулятора, а выход соединен с входом блока компенсации, выход которого соединен с первым выводом нагрузочно емкости, второй вывод которой соединен с шиной земли, первый генератор, первую клемму для подключения полупроводника, соед1шенную с первым выводом развязывающего резистора, второй вывод которого соединен с выходом блока поляриззпощего напряжения смещения, выходом второго генера тора и первым входом первого синхрон ного детектора, выход которого соединен с первым входом регистратора, третий генератор, первый выход которого соединен с первым входом смесителя, второй выход соединен с первым входом второго синхронного детектора второй вход которого соединен с выходом второго избирательного усилителя, а выход соединен с вторым входом регистратора, второй детектор, выход которого соединен с входом третьего избирательного усилителя, источник опорного напряжения и вторую клемму для подключения полупроводника, дополнительно снабжено усилителем постоянного тока, блоком деления, линейным повторителем, избирательньм фильтром, cyMMaTdpoM, 894 а первый и второй детекторы выполнены синхронными, при этом, первый вход сумматора соединен с выходом смесителя, второй вход соединен с первым выходом первого генератора, второй выход которого соединен с первым входом второго детектора и вторым входом первого детектора, а выход сумматора соединен с вторым входом модулятора, вход избирательного фильтра, соединен с выходом модулятора, первый выход соединен с вторым входом смесителя, а второй выход соединен с вторым входом второго детектора, вход линейного повторителя соединен с выходом блока компенсации и второй клеммой для подключения полупроводника, а выход соединен с входом первого и входом второго избирательных усилителей, первый вход блока деления соединен с выходом третьего избирательного усил1 теля, второй вход соединен с вторым выходом второго детектора и третьим входом регистратора, выход блока деления соединен с вторым входом первого синхронного детектора, первый вход усилителя постоянного тока соединен с выходо первого детектора, второй вход соединен с выходом источника опорного напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен со входом , а первый и второй- детекторы выполнены синхронНЫМИ. На чертеже приведена блок-схема устройства. Устройство содержит первый генератор 1, сумматор 2, модулятор 3, выходной усилитель 4, блок 5 компенсации, первую клемму 6 для подключения полупроводника, нагрузочную емкость 7, Линейный повторитель 8, первый избирательный усилитель 9, первый детектор 10, усилитель 11 постоянного тока, источник 12 опорного напряжения, фильтр 13, смеситель 14, избирательный фильтр 15, блок 16 поляризующего напряжения смещения, развязывающий резистор 17, второй избирательный усилитель 18, второй синхронный детектор 19, третий генера:тор 20, второй детектор 21, третий избирательнь усилитель 22, блок 23 деления, первь синхронный детектор 24, второй генератор 25 и вторую клемму 26 для подключения полупроводника. Генератор 1 соединен с входом модулятора 3, выход которого связан с входом избирательного фильтра 15, связанного с входом смесителя 14, второй вход которого связан с генератором 20 и входом второго синхронного детектора 19, а выход - с вторым входом сумматора 2, вход выходного усилителя 4 соединен с вторым выходом модулятора 3, выход - с блоком 5 компенсации, выход которого соединен с второй клеммой 26 для подключения полупроводника и нагрузочной емкостью 7, соединенной одной обкладкой с линейным повторителем 8, выход которого соединен с первым избирательным усилителем 9, выход которого связан с первым детектором 10, второй вход которого соединен с генераторо м 1, а выход связан с усилителем 11 постоянного тока, второй вход которого соединен с источником 12 опорного напряжения а выход - с фильтром 13, выход кото рого соединен с модулятором 3; второй выход линейного повторителя 8 через избирательный усилитель 18,Г соединен с вторым входом синхронног детектора 19, генератор 1 соединен со входом второго детектора 21, соединенного через третий селективный усилитель 22 с блоком 23 делени второй вход детектора 21 связан с избирательным фильтром 15, а второй выход - с вторым входом блока 23 деления, выход которого связан с еинхронньм детектором 24, к входу которого присоединен генератор 25 и выходы усилителя 4 и блока 16, со единенные через резистор 17 меясду собой, а первая клемма 6 для подклю чения полупроводника подключена к выходу усилителя 4. Устройство работает следующим об разом. Высокочастотный сигнал с частото { (например 1000 кГц) от генератор 1, через сумматор 2 поступает на пе вый вход модулятора 3, с первого вы хода через избирательный фильтр 15, выделяющий частоту , сигнал посту пает на первый вход смесителя 14, н второй вход которого поступает сигнал с частотой j (например 150 кГц с первого выхода генератора 20. На выходе балансного смесителя 14 выде ляется сигнал с частотой f fi ± f (например 7. - t s 9 - 150 1150 кГц) и через сумматор 2 и модулятор 3 поступает на вход выходного усилителя 4. Таким образом, на вход усилителя 4 поступают сигналы с частотой f и f . Усилитель обеспечивает полное подавление комбинационной частоты f f2 - f . На полупроводник с выхода усилителя 4 поступают сигналы чисто гармонических частот f и €, , Сигналы частот н ч 2 через блок 5 компенсации поступают на вторую клемму 2б для подк.пючения полупроводника. Блок 5 компенсации компенсирует ток утечки, текущий через паразитную краевую емкость испытуемого полупроводника, так что сигнал на нагрузочной емкости 7 пропорционален только емкости обедненного слоя полупроводника. Сигналы с частотой и fj , проходя через полупроводник, выделяются на малом реактивном сопротивлении нагрузочной емкости 7. При этом всегда должно вьшолняться условие С . 100 Сп,п -емкость нагрузочного резистора-, -емкость измеряемого полупроводника. Сигналы и f поступают на вход повторителя 8, с выхода которого сиг нал f через первый избирательный усилитель 9 поступает на вход детектора 10, на второй вход которого подано напряжение с второго выхода генератора 1 с частотой f . Фазочувствительный детектор настроен на емкостную составляющую тока с частотой { , так что продетектированный сигнал на его. выходе пропорционален только емкости С п)п обедненного слоя и не зависит от , проводимости G полупроводника. Сигнал с выхода детектора 10 через усилитель 11 постоянного тока, на второй вход которого подано опорное напряжение от источника 12, и фильтр 13 поступает на второй регулирующий вход модулятора 3, замыкая цепь отрицательной обратной связи стабилизации тока с частотой f через полупроводник. Обозначим амплитудные значения напряжения сигнала с частотой f, на выходе усилителя 11 через V , на выходе фазочувствительного детектора 10 через Vj, тогда , nfn где fi некоторый коэффициент пропорциональности. Отрицательная обратная связь с выхода детектора 10 через блоки 1113 поддерживает напряжение УС с погрешностью не хуже 1% при изменении емкости полупроводника (Vj const), тогда из (1) ,т.е. напряжение на выходе усилителя 4, поступающее на полупроводник, и соответственно на выходе модулятора 3 поступающее через фильтр 15 на балансный смеситель 1А и синхронный детектор 21, обратно пропорциональн емкости полупроводника, и, следовательно, пропорционально расстоянию X (глубине). Это-напряжение детектируется детектором 21, на второй вход которого подано опорное напряжение с частотой { с выхода 1енера тора 1. Выпрямленное, отфильтрованное напряжение поступает на регистратор. Так как напряжение с частотой {, поступающее на вход балансного смесителя 14 из (2) изменяется пропорционально глубине обедненн го слоя, то на выходе его образован ный, отфильтрованный сигнал с ампли тудой Vj с частотой fji изменяется также пропорционально глубине (X), т.е. Vf /хХ. то напряжение с часто той fj поступает через сумматор 2 на модулятор 3 (усиление которого и (2) изменяется пропорционально глуб и на ejo выходе равно -I .. Это напряжение с частотой , пройд усилитель 4 поступает на полупровод ник, на который также поступает напряжение с частотой f, . Они смешива ются на нелинейной емкости полупров и на малом реактивном сопротив лении нагрузочного конденсатора 7 вьщелится напряжение з - где N - концентрация примеси, а «2 -, . Через линейный повторитель 8 сиг нал поступает на вход избирател ьног .илителя 18 (фильтр на его входе подавляет частоты f и f ) и г eio выхода поступает на вход с.-нпхроиного детектора 19, на второй вход которого подано напряжение с второг(- выхода генератора 20 с частотой {,. Продетектированное напряжение поступает на регистратор пропорциональное N, или преобразованное в log N, т.е. на регистратор поступает сигнал, пропорциональный концентрации мелких уровней (высокочастотная концентрация). Для измерения низкочастотной концентрации на испытуемый полупроводник с генератора 25 через резистор 17 подается низкочастотное напряжение постоянной амплитуды малетй величины ( 30 млВ) с частотой f (например 60 Гц). Это напряжение поступает на полупроводник, вызывая изменения емкости полупроводника с частотой f , и на выходе модулятора 3 появляется сигнал частоты ,, промодулированный частотой f (следствие работы обратной связи). то напряжение через избирательньй фильтр 15 поступает на детектор 21 и согласно (2) изменяется пропорционально глубине (X). С выхода детектора отфильтрованная постоянная составляющая также подается на регистратор. Амплитуда напряжения Vf с частотой , -выделенная на втором выходе детектора 21 и поступающая на вход третьего избирательного усилителя 22,, будет 1 «iC,.. t , 4 С Это напряжение усиливается усилителем 22 и поступает на вход блока 23 деления,усиление которого ме- няется (линейно) пропорционально ве-дичине X. Блок 22 вьфабатывает на выходе сигнал, пропорциональный отно5Ьению сигналов на его входах, так KaV на один его вход поступает сигнал с выхода усилителя 22, величина которого определяется формулой (3), а на другой - сигнал, определяемый из формулы (2), на его выходе будет напряжение Uf A-KVx N , Это напряжение детектируется детектором 24, на второй вход которого 9 подано опорное напряжение с генера тора 25 с частотой -t . Продетектированное напряжение поступает на регистрафор, пропорциональное N или преобразованное в log N, т.е. на регистратор поступает сигнал, пропорциональный суммарной концент рации мелких и глубоких уровней. Поляризующее напряжение поступает на полупроводник через резистор 17 с вь1хода блока 16. При измерении никзочастотной концентрации генератор 20 может быть отключен, при включенном гене раторе 20 можно вести одновременно измерения высокочастотной и низ кочастотной концентрации при испо зовании двух регистраторов (самописцев). Таким образом, введение избирательного фильтра 15 и соединение его входа с модулятором 3, первого выхода с детектором 21 второго вьсхода с первым входом балансного смесителя 14, выход которого через сумматор 2 соединен с модулятором 3, а также соединение первого гене

/y(x),log/v ix)

logNB(0 ратора 1 через сумматор 2 с модуля- : тором 3 позволило значительно упрос тить аналоговую обработку для получения сигналов,пропорциональных 11ti и --j-, исключить восьмеричный tl|n путь и с большой точностью в широком диапазоне изменения емкости получить сигналы,пропорциональные 1 1 „ Это значительно повысило nin . . точность измерении и расширило диапазон по измеряемой емкости с сохранением точности. Исключились усилители с большим усилением, не предъявляются сверхвысокие требования в отношении избирательности. Применение в обратной связи деектора усилителя постоянного тока их связей позволило без дополнительых погрешностей измерить полупроводики с низкой добротностью, повысить ачество работы О.О.С., увеличить очность измерения и расширить динаический диапазон по измеряемой емости.