Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к области метрики параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано при контроле удельного сопротивления пластин и слитков кремния, арсенида галлия, теллурида кадмия и т.д., а также может использоваться для измерения радиального и продольного распределений удельного сопротивления по слиткам моно- и поликристаллов.

Цель изобретения - повышение точности и производительности измерений в широком температурном диапазоне, расширение диапазона измеряемых удель ных сопротивлений.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 упрощенная эквивалентная схема измерения высокоомных полупроводниковых образцовj на фиг. 3 - измерительная плата с планарным конденсатором на фиг. 4 - зависимость уровня высокочастотного сигнала от удельного сопротивления кремниевых образцов тол- щиной мм; на фиг. 5 - упрощенная схема устройства, предназначенного для измерения низкоомных образцов; на фиг. 6 - график зависимости уровня сигнала от удельного сопротивления образцов кремния.

Устройство содержит полупроводниковый образец 1, стопорный штифт 2, предназначенный для прижима образца к планарному конденсатору, пенопласте вую ванну 3 для жидкого азота, электрды планарного конденсатора 4, измерительную плату 5, образующие измерительную ячейку, генератор б высокой частоты, высокочастотный вольт- метр 7. Выход генератора 6 высокой частоты соединен с последовательно включенными сопротивлением (R0) по лупроводникового образца и переходными контактными емкостями.

На фиг. 2 также обозначены сопротивление нагрузки (R.,r) и входное со/ ™

противление (R н ).

Физическая сущность способа измерений, реализуемого устройством, за- ключается в следующем. При включении образца полупроводникового материала в высокочастотную цепь посредством емкостных контактов ток, текущий через полупроводник, состоит из двух составляющих - тока проводимости, зависящего от концентрации и подвижности свободных носителей заряда, содержащихся в полупроводнике при данной температуре, и тока смешения, величина которого зависит от диэлектрической проницаемости Ј, связанной со строением кристаллической решетки полупроводникового материала. Для одного и того же полупроводника В const и независит от удельного сопротивления, поэтому изменение тока, протекающего по цепи: генератор - образец - нагрузочное сопротивление - земля, зависит только от тока проводимости или от сопротивления участка образца, включенного в измерительную цепь. Это1 сопротивление связано с удельным сопротивлением р соотношением R 0 Р К, где К - коэффициент включения, который зависит от конфи- гурации электродов, измерительного зазора между ними и толщины образца. Точный расчет коэффициента включения для планарного конденсатора является сложной задачей, поэтому для конкретных практических применений достаточно произвести градуировку по образцам с известными номиналами 0 определенными независимым методом.

Примером конкретного применения устройства может служить устройство для измерения удельного сопротивления пластин кремния и теллурида кадмия (фиг. 1 и фиг. 2). Генератор 6 высокой частоты нагружен на делитель, состоящий из сопротивления образца (Rfl) и сопротивления нагрузки (R ц), на котором измеряется сигнал, пропорциональный току, протекающему по цепи Площадь контактных площадок планарного конденсатора (фиг.З) и рабочая частота выбираются такими, чтобы можно было пренебречь контактным сопротивлением емкостей Сц. Номинал сопротивления нагрузки выбирается из соображений перекрытия требуемого диапазона о . Сопротивление нагрузки генератора R нг служит для согласования схемы с выходным сопротивлением генератора 6 высокой частоты. На фиг. 4 представлены градуировочные кривые, отражающие зависимость сигнала от удельного сопротивления пластин кремния толщиной 1 мм при разных сопротивлениях нагрузки на нескольких частотах. Снижение уровня сигнала при уменьшении частоты связано с заметным влиянием (увеличением) реактивного сопротивления контактных емкостей Ск. Это затрудняет измерение низкоомных образцов,

а выход на насыщение при малых о увеличивает погрешность их измерения. Полочка при высоких Р на высоких частотах обусловлена преобладанием тока смещения над током проводимости. В данной установке требуемый диапазон р (5-10 -lu) OMICM перекрывается на двух частотах 20 и 5 МГц при сопротивлении нагрузки 62 Ом. При этом инструментальная погрешность измерений равна 5,2%, погрешность градуировки на f 20 МГц 1,8%, на f - 5 МГц 7,3%. Диапазон измеряемых удельных сопротивлений на частоте 20 МГц 3,7-1 07, 7 1 0 Ом с на частоте 5 МГц 3,7 О4. Измерения проводятся при любой температуре от комнатной до жидкого азота Для этого измерительная плата помещена в пенопластовый криостат. То, что измерения образцов теллурида кадмия проводятся на установке, про- градуированной кремниевыми образцами, существенной роли не играет, поскольку разница в диэлектрической проницаемости этих материалов невелика Ј„ 11,7, 10,9.

р

СЬ

Кт

Устройство работает следующим образом.

На генераторе 6 устанавливают рабочую частоту. Металлической пластиной замыкают электроды планарного конденсатора 4 и по высокочастотному вольтметру 7 выставляют калибровочное напряжение, равное 3В 3 10Э мВ. Устанавливают измеряемый образец на рабочую позицию и стопорным штифтом 2 поджимают его к электродам. Производят отсчет сигнала по шкале высокочастотного вольтметра 7 с учетом предела измерений. По градуировочному графику или таблицам определяют удельное сопротивление образца.

В случае измерения низкоомных образцов (фиг.5) сигнал снимается с самого образца,

На графике (фиг.6) представлена зависимость уровня сигнала от удель, . 583814 4

ного сопротивления образцов кремния толщиной 1 мм при сопротивлении па- грузки 100 Ом и 1 КОм на частоте 5 МГц. Используя подобную схему измерений, диапазон р расширен в сторону низких удельных сопротивлений до Ом-см, причем подбор номинала Р-н обеспечивает настройку участка с максимальной чувствительностью по р на нужный диапазон уров10

ней сигналов,

Формула изобретения

15

1. Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводниковых .материалов, содержащее генератор вы- сокойй частоты, высокочастотный вольт20 метр и измерительную ячейку с конденсатором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений в широком интервале температур, расшире25 ния диапазона измеряемых удельных

сопротивлений, конденсатор измерительной ячейки выполнен в виде планарного конденсатора, первая обкладка которого соединена с выходом генератора

30 высокой частоты, а вторая обкладка соединена с первым выводом нагрузочного резистора и входом высокочастотного вольтметра, второй вывод нагрузочного резистора соединен с обшей шиной, причем исследуемый образец размещен в измерительной ячейке компланарно с обкладками планарного кон35

денсатора,

2. Устройство по п. 1

о т л и - нагруэоч

чающееся тем, что ный резистор включен между выходом генератора высокой частоты и первой обкладкой планарного конденсатора измерительной ячейки, к которой подключен вход высокочастотного вольтметра, вторая обкладка планарного конденсатора измерительной ячейки соединена с общей шиной.

со

0

оо ю

а§

4 i

5

I

I

$5

Изобретение относится к области измерения параметров полупроводниковых материалов и может быть использовано для контроля удельного сопротивления пластин и слитков поли- и монокристаллов кремния, арсенида галлия, теллурида кадмия и т.д. Цель изобретения - повышение точности, производительности измерений в широком интервале температур, расширение диапазона измеряемых удельных сопротивлений. Устройство содержит генератор 6 высокой частоты и высокочастотной вольтметр 7. Генератор 6 высокой частоты подключен к делителю напряжения, состоящему из соединенных последовательно образца полупроводникового материала и нагрузочного сопротивления R нг. Сигнал, пропорциональный удельному сопротивлению полупроводника, может сниматься как с нагрузочного сопротивления, так и с образца в зависимости от диапазона измеряемых удельных сопротивлений. При этом образец включается в измерительную цепь посредством емкостной связи, образованной пластинами, и планарного конденсатора, размещенного на измерительной плате 5, к которой образец прижимается стопорным штифтом 2. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

gs

в и а

. Риг. 5

Ю