Устройство для исследования глубоких уровней в полупроводниках Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, предназначено для определения параметров электрически активных дефектов в полупроводниках и может быть использовано при разработке и производстве полупроводниковых приборов.

Известно устройство для определения параметров глубоких уровней в полупроводниках, содержащее криостат, источники импульсного и постоянного смещения, измеритель емкости, блок регулировки температуры, самописца, стробоскопический интегратор, импульсный интегратор, устройство выборки и хранения и синхронизатор.

Известно также устройство для измерения параметров глубоких уровней, содержащее C-V- характериограф, генератор импульсов смещения, генератор строб-импульсов, генератор нулевой линии, криостат. самописец и осциллограф.

Недостатками таких устройств являются низкая точность определения постоянной времени релаксации емкости при перезарядке глубоких уровней в полупроводниковых структурах, что приводит к ошибкам при определении ряда параметров p-n-структур. Кроме того, указанные устройства не позволяют одновременно измерять постоянные времени экспоненциальных

Ч

О

Јь

ю ел

Функций, содержащихся в сигнале релаксации спектра глубоких уровней (РСГУ).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является прототип устройства для измерения пара- 5 метров глубоких уровней в полупроводниках, содержащее криостат с датчиком температуры, по крайней мере два блока преобразования с устройствами выборки и хранения и вычитающими устройствами, из- 10 меритель емкости, выход которого подключен к первым входам всех устройств выборки и хранения, программатор, подключенный к управляющим входам устройств выборки и хранения и к источнику 15 импульсного смещения, и источник постоянного смещения, причем все блоки преобразования, начиная со второго, содержат одно устройство выборки и хранения, выход которого подключен ко второму входу вычи- 20 тающего устройства этого блока преобразования и к первому входу вычитающего устройства следующего блока преобразования, в первый вход вычитающего устройства второго блока преобразования подключен к 25 выходу второго устройства выборки и хранения первого блока преобразования.

Релаксация емкости образца, вызванная воздействием на образец напряжением постоянного и импульсного смещения, не- 30 прерывно измеряется измерителем емкости. При этом выборку значений релаксационного сигнала производят в определенные моменты времени ti,t2 и 13 с помощью отдельного устройства выборки и хранения 35 первого и второго блока преобразования. Напряжения i с устройств выборки и хрзне- ния поступают на вычитающие устройства, с выходов которых снимаются разностные напряжения Д L r, величине которых прямо- 40 пропорционально соответствует величине разности измеряемой емкости ДСп C(tn) - С (ь-ч). где г - 1,2.3 и т.д и регистрируется регистратором, Определение параметров глубоких уровней проводится по известным 45 методикам из зависимости изменения Д Сп от температуры образца.

Недостатком известного устройства является невысокая точность определения постоянной зремени релаксации емкости 50 р-п-перехсдз. поскольку Б устройстве не предусмотрена компенсация постоянной составляющей выходного сигнала измерителя емкости.

Другим недостатком известного устрой- 55 ства является невозможность измерения в течение одного периода повторения им- лульс огс напряжения смещения постоянной времени релаксации нескольких

экспоненциальных функций, содержащихся в сигнале РСГУ. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена возможность прямой регистрации постоянной времени релаксации, что снижает производительность работы устройства при экспресс-анализе параметров глубоких уровней пблупроводниковых устройств. Постоянная времени релаксации определяется посредством математической обработки записанной регистрирующим устройством зависимости Д Cn (t°) с использованием показательной функции.

Цель изобретения - повышение точности измерения постоянных времени релаксации спектра глубоких уровней и повышение производительности.

Указанная цель достигается тем, что устройство для исследования глубоких уровней в полупроводниках, содержащее криостат для размещения образца, источники импульсного и постоянного смещения, измеритель емкости, датчик температуры образца, устройство выборки и хранения и вычитающее устройство в составе блоков преобразования, программатор и регистратор дополнительно снабжено блоком памяти напряжения разбаланса, и блоком вычитания постоянной составляющей, блоком регистров и блоком индикации постоянных времени релаксации.а также входящими в блок преобразования делителем напряжения в е раз, компаратором напряжения, блоком кодирования и измерителем постоянной времени релаксации, при этом измертель емкости подключен к первому входу блока вычитания постоянной составляющей и к сигнальному входу блока памяти напряжения разбаланса, вход синхронизации которого подключен к программатору, а выход - к второму входу блока вычитания постоянной составляющей, выход которого подключен к входу входящих в блок преобразования устройства выборки и хранения и к первому входу компаратора напряжения, второй вход которого через делитель напряжения в е раз подключен к выходу устройства выборки и хранения, а выход - к блоку кодирования и к измерителю времени релаксации, выходы которых через блок регистров подключены к блоку индикации постоянных времени релаксации, причем программатор подключен к входам синхронизации устройства выборки и хранения, измерителя времени релаксации и к первому управляющему входу устройства выборки и хранения, второй управляющий вход которого подключен к второму выходу блока кодирования.

Предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков: блока памяти напряжения разбаланса и блока вычитания постоянной составляющей, что позволяет исключить из исследуемого сигнала постоянную составляющую и тем самым повысить точность измерения постоянной времени релаксации глубоких уровней; делителя напряжения в е раз. компаратора напряжения, блока кодирования, и блока измерения постоянной времени релаксации, что позволяет измерять в течение одного периода повторения импульсного напряжения смещения значений постоянных времени релаксации спектра глубоких уровней; блока регистров и блока индикации постоянных времени релаксации, что обеспечивает возможность прямой регистрации постоянной времени релаксации и тем самым повышает производительность при экспресс-анализе.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для исследования глубоких уровней в полупроводниках; на фиг.2 - эпюры напряжений, действующих на образце и на блоках, входящих в состав измерителя емкости; на фиг.З - структурная схема измери- теля емкости; на фиг.4 - эпюры напряжений, поясняющие принцип действия введенных дополнительно блоков, обеспечивающих компенсацию постоянной составляющей и разделение спектра релаксации глубоких уровней нэ отдельные составляющие при измерении постоянной времени релаксации: а) исследуемый сигнал на выходе измерителя емкости и постоянная составляющая этого сигнала, на выходе измерителя постоянной составляющей; б) сигнал на входе блока преобразования на выходе устройства выборки и хранения и на выходе делителя напряжения вераз; в) эпюры, поясняющие принцип измерения постоянных времени релаксации п-экспоненциальных составляющих в спектре РСГУ; на фиг.5 - временные диаграммы, поясняющие работу программатора.

Устройство для исследования глубоких уровней в полупроводниках содержит (фиг.1) криостат 1 для размещения образца 2, источник 3 импульсного смещения и источник 4 постоянного смещения, подключенные к образцу 2, измеритель 5 емкости, во входную цепь которого включен образец 2, а выход подключен к регистратору 6, блок 7 памяти напряжения разбаланса и к первому входу блока 8 вычитания постоянной составляющей. Выход блока 8 вычитания постоянной составляющей подключен к входящим в блок 9 преобразования устройству 10 выборки и хранения и компаратору

11 напряжения, соединенным между собой через делитель 12 напряжения в е раз. Выход компаратора 11 напряжения подключен к блоку 13 кодирования и измерителю 14

постоянной времени релаксации, сигнальные выходы которых через блок 15 регистрации подключены к блоку 16 индикации постоянных времени релаксации. Второй выход блока 13 кодирования подключен к

0 соответствующему входу устройства 10 выборки и хранения. Программатор 17 подключен к входам управления источников импульсного 3 и постоянного 4 смещения и блока 7 памяти навпряжения разбаланса и

5 к входам синхронизации источника 4 импульсного смещения, измерителя 5 емкости, измерителя 14 постоянной времени релаксации и устройства 10 выборки и хранения. Датчик 18 температуры подключен через

0 блок 19 регулировки температуры к регистратору 6.

Устройство работает следующим образом.

В криостат 1 (например типа УТРЕКС

5 производства СКТБ института физики АН УССР) помещается образец 2. который расположен в держателе образца с электрическими выводами для подключения к образцу источников постоянного 3 и импульсного 4

0 смещения и измерителя емкости 5. Источник 3 постоянного смещения управляющим входом подключен к программатору 17 и представляет собой аналого-цифровой преобразователь, построенный, например, на

5 базе микросхемы К572ПА с выходным транзисторным усилителем мощности. По управляющему входу на источник 3 постоянного смещения с одного из выходов программатора 17 поступает сигнал для задания уров0 ня напряжения смещения, например, в двоичном параллельном коде в уровнях ТТА-логики (интервал времени t0-ti на фиг.5). При этом на выходе источника 3 постоянного смещения формируется напря5 жение (фиг.2а), уровень которого может изменяться от 0 до Е см max и которое подается на образец в обратном направлении и вызывает заполнение глубоких уровней полупроводника носителями заряда.

0Источник 4 импульсного смещения управляющим входом и входом синхронизации подключен к программатору 17 и представляет собой цифроаналоговый преобразователь с транзисторным усилителем

5 мощности, аналогичным источнику 3 постоянного смещения , и содержит выходной ключевой каскад, выполненный, например, на транзисторе типа КТ8 29.

По управляющему входу на источник 4 импульсного смещения с соответствующего

выхода программатора 17 подается сигнал для задания амплитуды так называемого импульса заполнения, например в параллельном двоичном коде (интервал времени на фиг.5)/ Импульсы смещения (фиг.26) осуществляют вывод основных носителей из области локализации. По окончании действия импульсов заполнения происходит перезаряд глубоких уровней, который характеризуется экспоненциально спадаю- щим переходным процессом и который может быть выделен с помощью измерителя емкости 5 с целью измерения начального и конечного значения емкости образца и постоянной времени переходного процесса.

Измеритель 5 емкости может быть представлен (см. фиг.З) в виде последовательно соединенных моста 20 полных проводимо стей. усилителя 21 и синхронного детектора 22, на вход опорного сигнала которого через фазовращатель 24 подается сигнал с генера- тора 23 синусоидального напряжения,второй выход которого подключен к мосту 20 полных проводимостей. В качестве моста полных проводимостей может быть использован трансформаторный мост по схеме, приведенной на фиг.6. На образец 2. включенный в измерительную цепь моста 20 напряжение постоянного и импульсного смещения может быть подано по известной схеме. К об- разцу 2. включенному в измерительную цепь моста 20, приложено также синусоидальное напряжение с выхода генератора 23 синусоидального напряжения (фиг.2г). В результате воздействия на образец 2 им- п/льсов заполнения происходит модуляция синусоидального напряжения процессом перезаряда глубоких уровней в полупроводнике (фиг.2д). Этот про.. СДулировзннь1 / сигнал с выхода моста 20 поступает на усилитель 21, выполненный, например -я операционных усилителях микросхем серий KI40 пли KI53 в цепи обратной с зм которого может включаться избирё ельный фильтр, например, двойной Т-о5рязнкп С- мост настроенный на частоту генератора 23 синусоидального напряжения Выходной сигналу усилителя 21 поступает на синхро- детектор 22, выполненный, например на перемножителе на микросхеме . С выхода синхродетекторэ 22 снимается сигнал (фиг.2е), изменение амплитуды которого определяет изменение емкости ъбразца 2.

В режиме балансировки моста 20 на образец 2 подается только напряжение сме- щения (фиг.2а) с источника 3 постоянного смещения. Балансировка моста 20 производится до получения на выходе измерителя емкости минимального сигнала положительного уровня (сигнал 2 на фиг.46) в интервал времени ti-t2 (фиг.5). В схеме моста 20 может использоваться принцип компенсации емкости путем изменения числа витков индуктивных декад,что позволяет по окончании балансировки измерить величину емкости образца 2 путем отсчета числа витков индуктивной декады, с которых снимается напряжение, компенсирующее емкость образца 2 до получения минимального сигнала на выходе измерителя 5 емкости. По окончании балансировки моста по команде оператора в программаторе 17 в момент времени t2 формируется импульс записи сигнала разбаланса (фиг.5), который подается на блок 7 памяти напряжения разбаланса. По этому импульсу блок 7 памяти преобразовывает аналоговый входной сигнал в цифровой код, записывает этот код в регистре на микросхеме, например, типа KI55 ИР 13 и передает его на вход цифроаналогового преобразователя, на базе микросхемы К572ПА1, на выходе которого формируется постоянное напряжение, равное входному напряжению разбаланса (эпюра 2 на фиг.За). Аналого-цифровой преобразователь может быть выполнен на микросхеме К572ПВ1.

Сигнал с выхода блока 7 памяти напряжения разбаланса поступает на второй вход блока 8 вычитания. После окончания балансировки моста 20 на выходе программатора 17, подключенном к управляющему входу источника А импульсного смещения в интервале времени (фиг.5) формируется сигнал установки амплитуды импульсов заполнения двоичном десятиразрядном коде.

В режиме изменения параметров глубоких уровней нэ емхсде синхронизации .г.мматорз 17 с момента времен,- tc (фиг.5) формируются импульсы синхронизации, которые поступают на соответствующие вход; ; с ни к а 4 импульсного смещения, измер/тель 5 емкости (на усилитель 21 измерителя 5 емкости), измеритель 14 постоянной времени релаксации и устройство 10 в: ;6ор-:и и хранения блоь Э 9 преобразования, При этом на образец 2 с источников 3 и импульсного смещения поступает суммарной сигнал, как показано на фиг.2 Г. -с защиты усилителя 21 измерителя 5 ю - - i-i от перегрузки во время действия импульсов заполнения в усилителе 21 предусмотрено стробирование Р«одного каскада с помощью ключевой схемы, выполненной, например, на полевом транзисторе КПЗОЗЖ.

Стрсбирование усилителя 21 осуществляется импульсами синхронизации с программатора 17.

В режиме измерения параметров глубоких уровней е на выходе измерителя 5 емкости, подключаемом к первому входу блока 8 вычитания, присутствует экспоненциально спадающий сигнал, как показано на фиг.2е, лредставляющей сумму двух сигналов; экспоненциального (эпюра 1 на фиг.4а) и постоянного сигнала разбаланса (эпюра 2 на фиг.4а). В блоке 8 вычитания производится вычитание запомненного в блоке 7 памяти напряжения разбаланса из входного сиг- мала с выхода измерителя 5 емкости и на вход устройства 10 выборки и хранения поступает сигнал в виде экспоненциально спадающего напряжения, стремящегося в пределе к нулевому уровню (эпюры 1 на фиг.4б).

Блок вычитания представляет собой операционный усилитель на микросхеме, например, типа К153УД5. на одном из входов которой установлен инвертор, выполненный на микросхеме того же типа, инвертирующий сигнал напряжения разбаланса с блока 7 памяти. С второго выхода измерителя 5 емкости проинтегрированный сигнал поступает на резистор 6, на второй вход которого поступает сигнал с блока 19 регулировки температуры, величина которого характеризует температуру в камере 1 криостата, где помещен образец 2. Информация о температуре в камере с образцом 2 снимается с помощью датчика 18 температуры (например, терморезистор). В качестве блока 19 регулирования температуры может быть использован блок, входящий в комплект криостатной системы УТРЕКС.

Устройство 10 выборки и хранения может быть выполнено на базе микросхемы

типа KIIOOCK2.

В момент to окончания импульса заполнения (фиг.4б) устройство 10 выборки и хранения запоминает уровень входного напряжения (эпюра 2 на фиг.46), который делителем 12 напряжения, выполненном на прецизионных резисторах, делится в е раз (эпюра 3 на фиг.46) и подается на второй вход компаратора 11 напряжений. В момент равенства экспоненциально спадающего напряжения на первом входе компаратора

11 напряжений запомненногои разделенного в е раз уровня напряжения, действующе- го на втором входе компаратора 11 напряжений в момент времени ti (фиг.46) на выходе компаратора напряжений Формируется импульс перезаписи устройства 10 выборки и хранения (фиг.4в). В момент прихода этого импульса в устройстве 10 выборки и хранения стирается предыдущая информация и записывается новое действующее на входе значение экспоненциально

спадающего напряжения. В момент времени т.2 вновь формируется импульс перезаписи и т.д. Компаратор 11 напряжений выполнен, например, на базе микросхемы

К521САЗ.

Поскольку релаксация емкости образца 2 является экспоненциальной функцией, т.е. напряжение на входе блока 9 преобразования Uc . то время, в течение которого эта функция уменьшится в ё раз. является постоянной времени этой функции, т.е. постоянной времени релаксации глубоких уровней. Таким образом, измерив интервалы времена Ди ti - Т.6.Д13 t3-12 - tt,ft3 - u- t2 и т.д., можно однозначно определить постоянную времени релаксации П A ti . TZ A t2 и т.д. Если исследуемый сигнал содержит единственную экспоненциальную составляющую, то интервалы времени Ati Д т.2 -Д ta и т.д.

Импульсы перезаписи с компаратора 11 напряжений поступают на блок 13 кодирования и на измеритель 14 постоянной времени релаксации. В блоке 13 кодирования

импульсы перезаписи нормируются по амплитуде и длительность с помощью формиро- вателя импульсов, выполненному, например по микросхеме К155ЛН1. и передаются на вход перезаписи устройства 10

выборки и хранения и на вход счетчика, выполненного, например, на микросхеме К155ИЕ6. Сброс счетчика в нулевое состояние производится в момент времени to импульсом синхронизации (фиг.4г), этот

момент соответствует спаду импульса заполнения. Каждому импульсу перезаписи, поступившему на счетный вход счетчика, входящего в блок 13 кодирования, на выходе счетчика формируется двоичный код, соответствующий номеру этого импульса в пределах интервала времени между двумя импульсами заполнения. Этот код определяет адрес регистра в блоке 15 регистров, в который необходимо записать информацию.

Измеритель 14 постоянной времени релаксации представляет собой кварцевый генератор импульсов, выполненный, например, на микросхеме К155ЛАЗ и счетчик этих импульсов, управляемый импульсами синхронизации с программатора 17 (сброс счетчиков в нулевое состояние) и импульсами перезаписи с компаратора 11 напряжений. Счетчик импульсов может быть

выполнен в виде N последовательно соединенных счетчиков типа К155ИЕ7.

Количество импульсов, сосчитанных в течение интервала времени, например, отт.0 до ti (фиг.4г), однозначно определяют длительность этого интервала, а поскольку величина этого интервала определяется временем, в течение которого экспоненциально спадающее напряжение на входе преобразователя 9 уменьшится в е раз, то можно сделать вывод, что этот интервал времени соответствует постоянной времени переходного процесса в образце 2. Результат счета импульсов (гм) в двоичном коде записывается в тот регистр блока 15 регистров, адрес которого присутствует на адресном входе блока 15 регистров с выхода блока 13 кодирования. Блок регистров может быть выполнен на микросхемах типа К155ИР13.

Информация с каждого регистра блока 15 регистров поступает на соответствующий индикатор постоянной времени релаксации блока 16 индикации.

Программатор 17 обеспечивает передачу по команде оператора код уровня напряжения смещения (см. фиг.5) на источник 3 постоянного смещения, код амплитуды импульса заполнения на источник 4 импульсного смещения, импульсы записи напряжения разбаланса на блок 7 памяти напряжения разбаланса и импульсы синхронизации, поступающие на входы синхронизации источника 4 импульсного смещения, измеритель 5 емкости (на стробирующий вход усилителя 21 измерителя 5 емкости), устройства 10 выборки и хранения, измеритель 14 постоянной времени релаксации и блока 13 кодирования.

Программатор может быть выполнен на базе микропроцессорного комплекта К580, Ж1801 и других.

Формула изобретения Устройство для исследования глубоких уровней в полупроводниках, содержащее криостат для размещения образца с датчиком температуры, подключенный к первому входу измерите 1 емкости, источники импульсного и постоянного смещения, выходы которых подключены к первому входу кри- остата, а управляющие входы - соответственно к первому и второму выходам программатора, второй вход криостата является также его первым выходом и выходом датчика температуры и подключен через блок регулирования температуры к первому входу регистра, второй вход которого подключен к первому выходу измерителя емкости, а также входящее в блок

преобразования устройство выборки и хранения,отличающееся тем. что. с целью повышения точности измерения постоянных времени релаксации спектра глубоких

уровней и повышения производительности, устройство дополнительно снабжено блоком памяти напряжения разбаланса, блоком вычитания постоянной составляющей, блоком регистров, блоком индикации постоянных времени релаксации, в блок преобразования введены делитель напряжения в е раз, компаратор напряжения, блок кодирования и измеритель постоянной времени релаксации, причем второй выход измерителя

емкости подключен к первому входу блока вычитания постоянной составляющей и первому входу блока памяти напряжения разбаланса, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программатора, а выход - к второму входу блока вычитания постоянной составляющей, выход

которого подключен к первому входу блока

преобразования, который является первым

входом устройства выборки-хранения, и к

второму входу блока преобразования, который является первым входом компаратора напряжений, второй вход которого через делитель напряжения в е раз подключен к выходу устройства выборки-хранения, а выход

компаратора напряжения подключен к первым входам блока кодирования и измерителя постоянной времени релаксации, выходы двух последних являются соответственно первым и вторым выходами блока преобразования и подключены также соответственно к первому и второму входам блока регистров, связанного выходом с входом блока индикации постоянных времени релаксации, а входы синхронизации измерителя постоянной времени релаксации, блока кодирования и устройства выборки- хранения являются соответственно третьим, четвертым и пятым сходами блока преобразования, первым и вторым выходами которого являются соответственно выход измерителя постоянной времени релаксации и первый выход блока кодирования, второй выход которого подключен к второму входу устройства выборки-хранения, а четвертый выход программатора подключен одновременно к третьему, четвертому и пятому входам блока преобразования, к вторым входам измерителя емкости и источника постоянного смещения.

г

S йогу t

у л I нелог} и : f

Изобретение может быть использовано при разработке и производстве полупроводниковых приборов для определения параметров электрически активных дефектов в полупроводниках. Цель изобретения - повышение точности измерения постоянных времени релаксации спектра глубоких уровней и повышение производительности. Повышение точности достигается путем компенсации постоянной составляющей сигнала и раздельного измерения постоянных времени релаксации экспоненциальных составляющих, содержащихся в исследуемом сигнале. Измерение постоянных времени релаксации в течение одного периода повторения напряжения импульсного смещения повышает производительность устройства при экспресс-анализе. 5 ил. Ё

ft

/«АЛ/ /

Л|

vr.v//a,

HHJ3j}

итя

HKijt

a

A

Л

Mfau UU/M

to

)

stm

tUlit

tb

f/if JOXОГ$ Ш9

I 6

V

f/

г L

:

..d

Ш

hTFT-F l

f, I ч rfU

JJ

961WAI

)vn.l.

antj4t i

(firntl

П

. HI If

tfttnmti

Vhift.

Wltfilitl

ll

Й .

.tfAW

w4

.V-

(Sypotrti ШJOtUKU)

MdgcmomStu Sfjuww ypefxgjtaWjtxeHUX ffft- щемя ц„nyjtc jowfu. .ca&Wf

КодусггюНсБы а.чплитуЗи залотени

Цклилбса tuHtfioftuiautJlL- (ioneJHtvus)

ftoJontuFi:$fo нести полны) nfshsu ocm . j 6wlpjmeJt t FZtrr u

H

r.

;

i)

ЮЮ

Цклилбса tuHtfioftuiautJlL- (ioneJHtvus)

t

UiHipwvs

пэрэм.т:: tsytcw f г,:.:упsoloiiHtiroj.