Устройство для измерения концентрации легирующих примесей в полупроводниках

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, содержащее первый и второй генераторы высокой частоты, сумматор; шины для подключения испытуемой структуры, первая из которых присоединена к выходу блока компенсации , переключателю и входу первого селективного усилителя,соединенного выходом с одним из входов первого фазового детектора , другой вход которого подключен к первому выходу первого генератора высокой частоты, а выход фазового детектора через последовательно-соединенные усилитель постоянного тока и первый фильтр нижних частот присоединен к управляющим входам первого и второго регулируемых усилителей, источник опорного напряжения, подключенный к управляющему входу усилителя постоянного тока, блок смещения, второй фазовый детектор, второй селективный усилитель , соединенный выходом через последовательно включенные второй регулируемый усилитель и третий фазовый детектор с первой выходной клеммой устройства и с входом логарифмического усилителя, присоединенного выходом к второй выходной клемме устройства, четвертый детектор, подключенный к третьей выходной клемме устройства , и четвертую выходную клемму устройства , отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены третий генератор высокой частотьг, второй и третий фильтры нижних частот, корректирующий усилитель, два смесителя, нуль-орган, третий регулируемый усилитель, блок управления частотой, управляемый фазовращатель, фазоинверсный каскад, блок стабилизации амплитуды и преобразователь частоты в напряжение, причем второй выход первого фазового детектора через последовательно включенные второй фильтр нижних частот, корректирующий усилитель и первый смеситель подключен к входу второго селективного усилителя, блок управления частотой через последовательнно включенные третий генератор, второй смеситель, блок стабилизации амплитуды и преобразователь частоты в напряжение соединен с четвертой выходной клеммой устройства , второй выход третьего генератора присоединен к второму входу первого сме (О сителя, первый выход второго генератора (Л подключен к сигнальному входу управляемого фазовращателя, управляющий вход которого соединен через последовательно включенные третий фильтр нижних частот, нульорган и второй фазовый детектор с вторым выходом второго генератора и опорным входом третьего фазового детектора, соединенного сигнальным входом с сигнальным вхо дом второго фазового детектора, выходы СП управляемого фазовращателя и блока стабилизации амплитуды подключены соответстсо оо со венно к входам второго смесителя и третьего регулируемого усилителя, соединенно,го своим управляющим входом с выходом первого фильтра нижних частот, а выходом - с первым входом сумматора, второй в.ход которого подключен к выходу блока смещения , а третий через последовательно включенные (|)азоинверсный каскад и первый регулируемый усилитель - к второму выходу первого генератора, выход сумматора присоединен к второй щине для подключения испытуемой структуры, а выходы фазоинверсного каскада соединены соответственно с входом блока компенсации и с входом четвертого детектора, который выполнен в виде амплитудного детектора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1075333 з(50 Н 01 L 21/66; G 01 R 31/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ " у (Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3373662/! 8-21 (22) 23.12.81 (46) 23.02.84. Бюл. № 7 (72) В. И. Усик (71) Институт физики полупроводников

Сибирского отделения АН СССР (53) 621.382.2 (088.8) (56) 1. Патент США № 373119"., кл. 324—

158Р, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР № 924634, кл. G 01 R 31/26, 1980. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЕГИРУ)ОЩИХ

ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, содержащее первый и второй генераторы высокой частоты, сумматор; шины для подключения испытуемой структуры, первая из которых присоединена к выходу блока компенсации, переключателю и входу первого селективного усилителя, соединенного выходом с одним из входов первого фазового детектора, другой вход которого подключен к первому выходу первого генератора высокой частоты, а выход фазового детектора через последовательнсг соединенные усилитель постоянного тока и первый фильтр нижних частот присоединен к управляющим входам первого и второго регулируемых усилителей, источник опорного напряжения, подключенный к управляющему входу усилителя постоянного тока, блок смещения, второй фазовый детектор, второй селективный усилитель, соединенный выходом через последовательно включенные второй регулируемый усилитель и третий фазовый детектор с первой выходной клеммой устройства и с входом логарифмического усилителя, присоединенного выходом к второй выходной клемме устройства, четвертый детектор, подключенный к третьей выходной клемме устройства, и четвертую выходную клемму устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены третий генератор высокой частоты, второй и третий фильтры нижних частот, корректируюгций усили гель, два смесителя, нуль-орган, третий регулируемый усилитель, блок управления частотой, управляемый фазовращатель, фазоинверсный каскад, блок стабилизации амплитуды и преобразователь частоты в напрчжение, причем второй выход первого фазового детектора через последовательно включенные второй фильтр нижних частот, корректирующий усилитель и первый смеситель подключен к входу второго селективного усилителя, блок управления частотой через последовательнно включенные третий генератор, второй смеситель, блок стабилизации амплитуды и преобразователь частоты в напряжение соединен с четвертой выходной клеммой устройства, второй выход третьего генератора присоединен к второму входу первого смесителя, первый выход второго генератора подключен к сигнальному входу управляемого фазовращателя, управляющий вход которого соединен через последовательно включенные третий фильтр нижних частот, нульорган и второй фазовый детектор с вторым выходом второго генератора и опорным входом третьего фазового детектора, соединенного сигнальным входом с сигнальным входом второго фазового детектора, выходы управляемого фазовращателя и блока стабилизации амплитуды подключены соответст венно к входам второго смесителя и третьего регулируемого усилителя, соединенного своим управляющим входом с выходом первого фильтра нижних частот, а выходом— с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока смещения, а третий через последовательно вклю ченные фазоинверсный каскад и первый регулируемый усилитель — к второму выходу первого генератора, выход сумматора присоединен к второй шине для подключейия испытуемой структуры, а выходы фазоинверсного каскада соединены соответственно с входом блока компенсации и с входом четвертого детектора, который выполнен в виде амплитудного детектора.

1075333

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для определения профиля концентрации легирующих примесей в полупроводниковых структурах, пластинах, пленках, приборах и т.п, Известно устройство для измерения концентрации легирующих примесей в полупроводниковых -структурах, содержащее первый генератор, соединенный через сумматор с образцом, который через первый детектор и фильтр подключен к одному из входов регистратора, второй генератор, соединенный через переключатель с сумматором и одним из входов второго детектора, другой вход которого присоединен к выходу второго генератора, а выход — к второму входу регистратора, и источник смещения, подключенный к третьему входу сумматора (1).

Устройство позволяет вести измерения в широком диапазоне концентраций, однако измерения проводятся на фиксированной частоте, что не дает информации о частотных свойствах полупроводника.

Наиболее близким к изобретению явля-, ется устройство для измерения концентрации примесей в полупроводниках, содержащее первый и второй генераторы высокой частоты, сумматор, шины для подключения испытуемой структуры, первая из которых присоединена к выходу блока компенсации, переключателю и входу первого селективного усилителя, соединенного выходом с одним из входов первого фазового детектора, другой вход которого подключен к первому выходу первого генератора высокой частоты, а выход фазового детектора через последовательно соединенные усилитель постоянного тока с подключенным к нему источником опорного напряжения и первый фильтр нижних частот присоединен к управляющим входам первого и второго регулируемых усилителей, источник опорного напряжения, подключенный к управляющему входу усилителя постоянного тока, блок смещения, второй фазовый детектор, второй селективный усилитель, соединенный выходом через последовательно включенные второй регулируемый усилитель и третий фазовый детектор с первой выходной клеммой устройства и с входом логарифмического усилителя, присоединенного выходом к второй выходной клемме устройства, четвертый детектор, подключенный к третьей выходной клемме устройства, и четвертую выходную клемму устустройства (2) .

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет вести измерения в широком диапазоне частот и тем самым получать информацию о концентрации

«глубоких» центров в исследуемой структуре. Это ограничивает его функциональные„ возможности.

1О

25 зо

З5

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения концентрации легирующих примесей в полупроводниках, содержащее первый и второй генераторы высокой частоты, сумматор, шины для подключения испытуемой структуры, первая из которых присоединена к выходу блока компенсации, переключателю и входу первого селективного усилителя, соединенного выходом с одним из входов первого фазового детектора, другой вход которого подключен к первому выходу первого генератора высокой частоты, а выход фазового детектора через последовательно соединенные усилитель постоянного тока и первый фильтр нижних частот присоединен к управляющим входам первого и второго регулируемых усилителей, источник опорного напряжения, подключенный к управляющему входу усилителя постоянного тока, блок смещения, второй фазовый детектор, второй селективный усилитель, соединенный выходом через последовательно включенные второй регулируемый усилитель и третий фазовый детектор с первой выходной клеммой устройства и с входом логарифмического усилителя, присоединенного выходом к второй выходной клемме устройства, четвертый детектор, подключенный к третьей выходной клемме устройства, и четвертую выходную клемму устройства, введены третий генератор высокой частоты, второй и третий фильтры нижних частот, корректирующий усилитель, два смесителя, нуль-орган, третий регулируемый усилитель, блок управления частотой, управляемый фазовра щатель, фазоин версный каскад, блок стабилизации амплитуды и преобразователь частоты в напряжение, причем второй выход первого фазового детектора через последовательно включенные второй фильтр нижних частот, корректирующий усилитель и первый смеситель подключен к входу второго селективного усилителя, блок управления частотой через последовательно включенные третий генератор, второй смеситель, блок стабилйзации амплитуды и преобразователь частоты- в напряжение соединен с четвертой выходной клеммой устройства, второй выход третьего генератора присоединен к второму входу.первого смесителя, первый выход второго генератора подключен к сигнальному входу управляемого фазовращателя, управляющий вход которого соединен через последовательно включенные третий фильтр нижних частот, нуль-орган и второй фазовый детектор с вторым выходом второго генератора и опорным входом третьего фазового де-. тектора, соединенного сигнальным -sxoaoMI с сигнальным входом. второго фазового де- тектора, выходы управляемого фазовращателя и блока стабилизации амплитуды под1075333 ключены соответственно к входам второго смесителя и третьего регулируемого усилителя, соединенного своим управляющим входом с выходом первого фильтра нижних частот, а выходом — с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока. смещения, а третий через последовательно включенные фазоинверсный каскад и первый регулируемый усилитель— к второму выходу первого генератора, выход сумматора присоединен к второй шине для подключения испытуемой структуры, а выходы фазоинверсного каскада соединены соответственно с входом блока компенсации и с входом четвертого детектора, который выполнен в виде амплитудного детектора. ,На чертеже изображена блок-схема устройства. (стдойство содержит первый генератор 1 высокой частоты, соединенный через первый регулируемый усилитель 2, фазоинверсный каскад 3 и сумматор 4 с первой шиной для подключения исследуемой структуры (полупроводника) 5. Далее устройство содержит блок 6 смещения, блок 7 компенсации, амплитудный детектор 8, первый селективный усилитель 9, переключатель 10, первый фазовый детектор 11, усилитель 12 постоянного тока, источник 13 опорного напряжения, первый фильтр 14 нижних частот, второй фильтр 15 нижних частот, корректирующий усилитель 16, первый смеситель 17, второй селективный усилитель 18, второй регулируемый усилитель 19, второй фазовый детектор 20, третий фазовый детектор

21, логарифмический усилитель 22, нуль-орган 23, третий фильтр)24 нижних частот, управляемый фазовращатель 25, второй 26 и третий 27 генераторы высокой частоты, блок 28 управления частотой, второй смеситель 29, блок 30 стабилизации амплитуды, преобразователь 31 частоты в напряжение и третий регулируемый усилитель 32. Четыре выходные клеммы устройства обозначены в порядке возрастания номеров индексами

N, log N, Х и V< соответственно.

К входам сумматора 4 подключены помимо фазоинверсного каскада 3 блок 6 смещения и выход третьего регулируемого усилителя 32, а выходы фазоинверсного каскада 3 соединены с блоком 7 компенсации и с амплитудным детектором 8, выход которого соединен, в свою очередь, с третьей выходной клеммой Х устройства. Вторая шина для подключения исследуемой структуры 5 через последовательно включенные первый селективный усилитель 9, первый фазовый детектор 11, усилитель 12 .постоянного тока и первый фильтр 14 нижних частот соединена, с управляющими входами первого 2, второго 19 и третьего 32 регулируемых усилителей.

Выходы управляемого фазовращателя 25 третьего генератора 27 и блока 30 стабилизации амплитуды соединены соответственно с входами второго смесителя 29, первого- смесителя 17 и третьего регулируемого усилителя 32. Блок 28 управления частотой через последовательно включейные третий генератор 27, второй смеситель 29, блок 30 стабилизации амплитуды и преобразователь

31 частоты в напряжение. подключен к четвертой выходной клемме Vf устройства.

Работа устройства основана на том, что через исследуемую структуру (полупровод35 ник) 5 пропускают высокочастотный ток с частотой постоянной амплитуды, а также подают дифференцирующее напряжение с частотой f< — — f< — f (где 1„— нижняя частота дифференцирующего напряжения, 40 1в — верхняя частота дифференцирующего напряжения), изменяя в небольших преде45

5

Источник 13 опорного напряжения подключен к усилителю 12 постоянного тока, вход первого фазового детектора 11 соединен с выходом первого генератора 1, а его выход через последовательно включенные второй фильтр 15 нижних частот, корректирующий усилитель 16, первый смеситель 17, второй селективный усилитель 18 и второй регулируемый усилитель 19 соединен с входами второго 20 и третьего 21 фазового детекторов.

Выход третьего фазового детектора 21 подключен к первой выходной клемме NÐ и входу логарифмического усилителя 22, соединенного выходом с второй выходной клеммой log N.

Опорные входы второго 20 и третьего 21 фазовых детекторов присоединены к выходу второго генератора 26, соединенного с сигнальным входом управляемого фазовращателя 25, управляющий вход которого подключен через последовательно соединенные третий фильтр 24 нижних частот и нуль-орган 23 к выходу второго фазового детектора 20. лах емкость полупроводника, что ведет к возникновению небольшой модуляции высокочастотного сигнала частоты fq частотой 1 .

При этом выполняется условие 1,> 1„. На полупроводнике измеряют напряжение возникающей модуляции Ч „с частотой f, которое непосредственно связано с концентрацией легирующей примеси, и в результате аналоговой обработки, осуществляемой вторым 19 и третьим 32 регулирующими усилителями получают сигнал, пропорциональный концентрации легирующей примеси в полупроводнике у ф d(c " где С вЂ” емкость образца, связаннная с емкостью обедненного слоя полупроводника, зависящая от напряжения V на образце.

1075333

Устройство работает следующим образом

Высокочастотный сигнал с частотой

>г генератора через регулируемый усилигель 2, фазоинверсный каскад 3 и суммаор 4 поступает на первую шину для подключения структуры 5, вторая шина которой

«осдииеиа с входом селективного усилители 9 и входом переключателя 10 глубины обедненного слоя, позволяющим изменять ток через полупроводник переключением емкостиых делителей. которые включаются последовательно с >н>лупроводником, и выбирать наиболее оптимальный режим ири измерениях с регистрацией измеряемых величин.

Сип>ал с второго выхода каскада 3 через блок 7 компенсации поступает на вход селективцого усилителя 9. Причем сигнал с перB(>I.o выхода фазоинверсного каскада 3 и сигнал с второго выхода име1от фазовый сдвиг, равный !80 . Блоком 7 можно скомпенсировать ток с частотой f,, текущий через паразитиую и краевую емкости контакта металл — -полупроводник так, что сигнал на входе усилителя 9 будет пропорционален только емкости обедненного слоя полупроводника 5. Сигнал с частотой f>, пройдя через структуру 5, выделяется на малом сопротивлении емкостного делителя переключателя 10.

Далее сигнал через селективный усилитель 9 поступает на вход фазочуветвительного детектора 11, на второй вход которого поступает опорное напряжение постоянной фазы с генератора 1. Фазовый детектор 11 настроен на емкостную составляющую тока с частотой f> так, что продетектированный сипгал на его выходе пропорционален только емкост и С обедненного слоя и не зависит от проводимости G структуры 5. Сигнал с выхода детектора 11 через усилитель 12 постоянного тока, на второй вход которого подано опорное напряжение с источника 13, и фильтр 14 поступает на второй регулируюгций вход усилителя 2, замыкая цепь отрицательной обратной связи стабилизации тока частоты через структуру 5.

Отрицательная обратная связь работает таким образом, что напряжение на выходе детектора 11 поддерживается с погрешностью не хуже l о/о при изменении емкости структуры 5, при подаче на него смещающего напряжения с блока 6, т.е. напряжение на выходе фазоинверсного каскада 3, поступающее через сумматор 4 на структуру 5, пропорционально расстоянию Х (глубина гЯедненного слоя), причем влияние проводимости G структуры 5 исключается применением фазочувствительного детектора 1! в цепи обратной связи стабилизации тока.

Напряжение с третьего в 1хода фазоинверсного каскада 3 поступаеФ на амплитудный детектор 8 с выхода которого сигнал подается иа регистрирующий прибор (вход

Х двухкоординатного самописца).

Для получения дифференцирующего напряжения с частотой ), в устройстве используется генератор на биениях, который работает следуюшим образом.

Высокочастотный сигнал с третьего генератора 27 с частотой fq — fq поступает на первый вход второго смесителя 29, на второй вход которого поступает напряжение с генератора 26 через управляемый фазоврашатель 25 (изменением постоянного напряжения на втором входе фазовращателя можно регулировать плавно фазовый сдвиг в пределах 0 — 180 ) с частотой fq. С выхода смесителя 29 преобразованный сигнал поступает на вход блока 30 стабилизации амплитуды, где отфильтровываются высшие гармоники и происходит стабилизация напряжения V„c частотой (и с погрешностью не хуже

1 /о, где (м= 4 f»„, f» = fä — fg u fs =

f2 f3 °

20 Сигнал с первого выхода блока 30 поступает на преобразователь 31 частоты в напряжение, где происходит преобразование частоты fö в пропорциональное постоянное напряжение Ч„, в логарифмическом масштабе, которое поступает на регистрируюший прибор (вход Х двухкоординатного самописца не показан) .

Для точного контроля частоты f< к первому выходу блока 30 может быть подключен внешний частотомер (не показан). Сигнал с выхода блока 30 через третий регулируемый усилитель 32 и сумматор 4 подается на 5 структуру.

Усиление усилителей 32 и 19 изменяется синхронно и пропорционально с усилителем 2, так как регулирующие входы их соединены вместе и на них поступает регулирук>щее напряжение, равное регулирующему напряжению на втором входе усилителя 2, т.е. усиление усилителей 2, 32 и 19 меняется синхронно и пропорционально при изменении

4О регулирующего напряжения обратной связи.

Тогда напряжение Ъм стабильной амплитуды, поступающее на вход усилителя 32, на его выходе, а значит и на структуре 5 изменяется пропорционально V> — — Х (Х вЂ” глубина обедненного слоя полупроводника) .

45 Это напряжение поступает на структуру 5, вызывая небольшую модуляцию высокочастотного сигнала f< частотой !>,. Промодулированное напряжение частоты f, выделяется на малом сопротивлении емкостного делителя, включаемого переключателем 10 последовательно с структурой 5. Напряжение поступает через первый селективный усилитель 9 на вход фазочувствительного детектора 11. Постоянная составляющая сигнала с выхода детектора I управляет работой обратной связи, а огибающая с частотой f с второго выхода детектора 11 через второй фильтр 15 поступает на вход корректирующего усилителя 16. Фильтр 15 служит для

1075333

ВНИИПИ Заказ 235(46 Тнраж 663 Подпненое

Фнлнал ППП «Патент», Ужгород, ул. Проектная, 4 подавления высших гармоник и выделения сигнала с частотой f

Напряжение с частотой f„= f„— f> поступает через усилитель 16 на вход первого смесителя 17, на второй вход которого подается напряжение с изменяющей частотой

fy — f с генератора 27, управляемого по сигналу блока 28 управления частотой.

Сигнал изменяющей частоты f преобразуется на выходе смесителя.17 в пропорциональное напряжение V< — N"-С (N — концентрация примеси) с частотой 1а, выделяемое. и усиливаемое вторым селективным усилителем 18, и с его выхода поступает на первый вход второго регулируемого усилителя 19, а на его выходе получается сигнал, пропорциональный концентрации легирующей примеси, который поступает на фазочувствительные детекторы 21 и 20, на вторые входы которых подается сигнал с частотой

fg постоянной фазы с выхода генератора 26.

Фазочувствительные детекторы настроены ортогонально, поскольку фазы опорных сигналов детекторов 20 и 21 сдвинуты на 90 между собой. Это означает, что если детектор 21 настроен в фазе с поступающим сигналом, происходит линейное детектИрование сигнала. На выходе детектора 20 при этом напряжение равно нулю при изменении амплитуды поступающего сигнала в большом динамическом диапазоне. Это используется для работы фазовой автоподстройки. Напряжение с выхода детектора 20 поступает на вход нуль-органа 23, после которого сигнал ошибки усиливается, проходит через фильтр 24, обеспечивающий устойчивую работу цепи фазовой автоподстройки в широком диапазоне частот, поступает на регулирующий вход управляемого фазовращателя 25, управляя фазой сигнала частоты

f, проходящего через фазовращатель 25 от генератора 26 на вход второго смесителя 29.

При этом изменяется и фаза сигнала с частотой f„, поступающего на полупроводник 5, так что сигнал на выходе фазового детектора 20 поддерживается всегда равным нулю во всем диапазоне рабочих частот и всем динамическом диапазоне амплитуд поступающего сигнала. Это означает, что фазовый (синхронный) детектор 21 автоматичес1О ки настроен в фазе с поступающим сигналом, осуществлю линейное детектирование.

Сигнал с выхода детектора поступает на логарифмический усилитель 22. С выхода детектора 21 или усилителя 22 сигналы подаются на регистрирующий прибор (вход 7

15 двухкоординатного самописца не показан).

Блок 28 управления подает управляющий сигнал на вход генератора 27, изменяя его частоту и позволяя снять зависимость кон (ентрации примесей в полупроводнике 5 на

20 частоте 4, изменяющейся в пределах частоты от 1„до f частоты дифференцирующего напряжения. При этом на вход Х двухкоординатного самописца подается напряжение с выхода детектора 8, а на вход 7 — с выхода детектора 21 или усилителя 22.

По сравнению с известным устройством, которое позволяет измерять «низкочастотную» и «высокочастотную» концентрацию и тем самым определять наличие глубоких центров и грубо оценивать концентрацию

gp,ïîñëåäHèõ, но не позволяет провести измерения в широком диапазоне частот, т.е. снимать частотные зависимости концентрации, предлагаемое устройство обладает более широкими функциональными возможностями.

35 Измерение частотных зависимостей концентрации позволяет определить также время релаксации глубоких центров.