Устройство для измерения профиля концентрации примесей в полупроводниках

 

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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕС) )УБЛИН (!9) () () 1(5() G 01 R 31/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬС ТБУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3568272/24-21 (22) 25.03.83, (46) 15.04.85. Бюл. )). 14 (72) В.И.Усик (71) Новосибирский государственный университет им. Ленинского комсомола (53) 621. 382. 3 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 924634, кл. C 01 Р 31!26, 1980.

2. R. 5. Nakhrnanson. А technique

for directly plotting the doping

profile of seniconductor wafers ("8-shaped way"), Solid- State Electronics, 1976, v. 19, р, о7. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМКРЕНИЯ

ПРОФИЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ, 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 нагруэочной 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 поляриэующего 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, вто рой вход которого соединен с выходом вторбго 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, о т л и ч а ю щ е е с я 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 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 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 блока деления соединен с выходом третьего избирательнаго усилителя, второй вход соединен

1150589

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

Изобретение относится к контролю злектрофизических 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, эадатчик смещения, испытуемый полупроводник, переменный конденсатор, повторитель, синхронные детекторы, фильтры, дешифратор, индикатор, переключатель, 15 блок конденсаторов 1.1).

Устройство позволяет измерять профиль концентрации легирующих примесей мелких уровней от глубины в шираком диапазоне измеряемых емкостей 20 и концентраций. Однако не дает информации о наличии глубоких примесей и не позволяет оценить концентрацию последних.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения концентрации примесей в полупроводниках, содержащее первый генератор, соединен-;. ный через модулятор, первый усилитель и иост с суммирующими резисторами с первым выводом полупроводника, второй вывод которого соединен с входом второго, третьего и четвертого усилителя, выход второго усили- 35 теля через смеситель, пятый усилитель и резистор соединен с первым выводом полупроводника, второй выход пятого усилителя через первый детектор соединен с резистором, вто- 4О рой генератор соединен с входами

I» смесителя и первого фазового детектора, вход фазового детектора соединен с выходом второго генератора, а выход детектора через переключатока соединен с выходом первого детектора, второй вход соединен с выходом источника опорного напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с входом фильтра. тель 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 выводом полупроводника, второй вход которого соединен с нагрузочным резистором. Устройство позволяет вести измерение "низкочастотного" и "высокочастотного" профиля концентрации, что дает более полную информацию о физических свойствах полупроводника. Измерения проводятся в широком диапазоне глубин и концентраций путем изменения величины нагрузочного резистора в цепи полупроводника и изменения величины высокочастотньж токов через полупроводник (2).

Иедостаток данного устройства— сложность аналоговой обработки сигналов. Кроме того, при отключенном генераторе частоты f npu изменении емкости полупроводника под воздействием напряжения смещения соответственно увеличатся шумы на входе детектора с выхода усилителя.

Это ограничивает динамический 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

1150589

45

SO

3 при изменении емкости полупроводника шумы на входе усилителя влияют на точность работы обратной связи.

Вход усилительного тракта для измерения Х (глубины) соединен с выходом усилитЬля через емкость полупроводника, нагруженного на нагруэочное сопротивление. Эта цепь при пло-, хой селективности может возбуждаться

° с даже при отключенном генераторе частоты 1, когда емкость полупроводника велика. Для устойчивой работы

О.О.С. требуется большая селектнвность усилителей, так как именно это и определяет точность измерений "низкочастотной" и "высокочастотной" концентрации.

Цель изобретения — повышение точности измеренйя.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения профиля концентрации примесей в полупроводниках, 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 нагрузочкой емкости, второй вывод которой соединен с шиной земли, первый генератор, первую клемму для подключения полупроводника, соединенную с первым выводом раэвязывающего 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, дополнительно снабжено усилителем постоянного тока, блоком деления, линейным повторителем, избирательным фильтром, сумматдром, 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 усилителя, 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 выходом первого детектора, второй вход соединен с выходом источника опорного напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен со входом фильтра, 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 поляриэующего напряжения смещения, развязывающий резистор 17, второй избирательный усилитель 18, второй синхронный детектор 19, третий генератор 20, второй детектор

21, третий избирательный усилитель

22, блок 23 деления, первый синхронный детектор 24, второй генератор

25 и вторую клемму 26 для подключения полупроводника.

1150589

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 генератором 1, а выход связан с усилителем 11 постоянноro тока, второй вход которого соединен с источником 12 опорного напряжения, а выход — с фильтром 13, выход которого соединен с модулятором 3; второй выход линейного повторителя 8 через избирательный усилитель 18, соединен с вторым входом синхронного детектора 19; генератор 1 соединен со входом второго детектора 21, соединенного через третий селективный усилитель 22 с блоком 23 деления, второй вход детектора 21 связан с избирательным фильтром 15, а второй выход — с вторым входом блока 23 деления, выход которого связан с синхронным детектором 24, к входу которого присоединен генератор 25 и выходы усилителя 4 и блока 16, соединенные через резистор 17 между собой, а первая клемма 6 для подключения полупроводника подключена к выходу усилителя 4.

Устройство работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал с частотой (например 1000 кГц) от генератора через сумматор 2 поступает на первый вход модулятора 3, с первого выхода через избирательный фильтр 15, выделяющий частоту f сигнал поступает на первый вход смесителя 14, на второй вход которого поступает сигнал с частотой Е (например 150 кГц) с первого выхода генератора 20. На выходе балансного смесителя 14 выделяется сигнал с частотой fz = Е„ + Я (например f = Е„ + Е = 1000 +

С 3 100 С„)„ где С

ЗО

4S

+ 150 = 1150 кГц) и через сумматор

2 и модулятор 3 поступает на вход выходного усилителя 4. Таким образом, t на вход усилителя 4 поступают сигналы с частотой Е„ и Е . Усилитель обеспечивает полное подавление комбинационной частоты f = f — f . На т полупроводник с выхода усилителя 4 поступают сигналы чисто гармонических частот „ и 1 . Сигналы частот и Е через блок 5 компенсации поступают на вторую клемму 26 для подключения полупроводника. Блок 5 компенсации компенсирует ток утечки, текущий через паразитную краевую емкость испытуемого полупроводника, так что сигнал на загрузочной емкости 7 пропорционален только емкости С„<„ обедненного слоя полупроводника. Сигналы с частотой Е„ и Е, проходя через полупроводник, выделяются на малом реактивном сопротивлении нагруэочной емкости 7. При этом всегда должно выполняться условие емкость нагрузочногО резистора

С„ „ - емкость измеряемого полупроводника.

Сигналы Х„ и Е поступают на вход повторителя 8, с выхода которого сиг нал 1„ через первый избирательный усилитель 9 поступает на вход детектора 10, на второй вход которого подано напряжение с второго выхода генератора 1 с частотой Е„ .

Фаэочувствительный.детектор настроен на емкостную составляющую тока с частотой f, так что продетектированный сигнал íà его. выходе пропорционален только емкости q n . обедненного слоя и не зависит от, проводимости С 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 1„ через полупроводник.

Обозначим амплитудные значения напряжения сигнала с частотой на выходе усилителя 11 через ЧЕ на выходе фаэочувствительного детектора 10 через 7Е, тогда

1! 50589 l0

oL

0 = — - Х

1

1 С«(п «(и ,уц С« п я С п

55

О,-й cx N

4 (1) где М вЂ” некоторый коэффициент пропорциональности.

Отрицательная обратная связь с выхода детектора 10 через блоки 11—

13 поддерживает напряжение U c погрешностью не хуже 17о при изменении емкости полупроводника (Ч

const), тогда из (1) т. е. напряжение на выходе усилителя

1 15

4, поступающее на полупроводник, и соответственно на выходе модулятора

3; поступающее через фильтр 15 на балансный смеситель 14 и синхронный детектор 21, обратно пропорционально

20 емкости полупроводника и, следовательно, пропорционально расстоянию

Х (глубине). Это -напряжение детек— тируется детектором 2 1, на второй вход которого подано опорное напря25 жение с частотой 1„с выхода генератора 1. Выпрямленное, отфильтрованное напряжение поступает на регистратор. Так как напряжение с частотой „, поступающее на вход балансного смесителя 14 из (2) изменяется пропорционально глубине обедненного слоя, то на выходе его образованный, отфильтрованный сигнал с амплитудой Ч с частотой Е изменяется

2 т акже пропорционально глубине (Х), т. е. Vg X . Это напряжение с часто2 той Е2 поступает через сумматор 2 на модулятор 3 (усиление которого из (2) изменяется пропорционально глубине) и на его выходе равно

1 и<- х=

« п C„

«1«

Это напряжение с частотой, пройдя усилитель 4 поступает на полупровод45 ник, на который также поступает напряжение с частотой f,. Они смешиваются на нелинейной емкости полупроводника и на малом реактивном сопротивлении нагрузочного конденсатора 7 вьщелится напряжение

Vg — N

3 где N — концентрация примеси, а г

Через линейный повторитель 8 сигнал поступает на вход избирательного .cèëèòåëÿ 18 (фильтр на его входе подавляет частоты f, и 1, ) и с его выхода поступает на вход синхронногс детектора 19 на второй вход которого подано напряжение с нторог n»ixoда генератора 20 с. частотой Г„.

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 малой величины (30 млВ) с частотой F4 (например 60 Гц). Это напряжение поступает на полупроводник, вызывая изменения емкости полупроводника с частотой 1, и на выходе модулятора

3 появляется сигнал частоты Е„, про1 модулированный частотой Е (следст— вие работы обратной связи).

Это напряжение через избиратель— ный фильтр 15 поступает на детектор

21 и согласно (2) изменяется нропор— ционально глубине (Х). С выхода детектора отфильтрованная постоянная составляющая также подается на ре— гистратор.

Амплитуда напряжения Vg с часто1 той 1, выделенная на втором выходе детектора 21 и поступающая на вход третьего избирательного усилителя

22, будет U

С

«1«

Это напряжение усиливается усилителем 22 и поступает на вход блока, 23 деления, усиление которого меняется (линейно) пропорционально ве личине X . Блок 22 вырабатывает на выходе сигнал, пропорциональный отношению сигналов на его входах, так как на один его вход поступает сигнал с выхода усилителя 22, величина которого определяется формулой (3), а на другой — сигнал, определяем»Ф из формулы (2), на его выходе будет напряже ние

Это напряжение детектируется детектором 24, на второй вход которого

1150589

10 нчФ т

ВНИИПИ Заказ 2138/36 Тираж 748 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Ю подано опорное напряжение с генератора 25 с частотой 14. ПродетектиI, рованное напряжение поступает на регистратор, пропорциональное и или преобразованное в 1ng N, т.е. на регистратор поступает сигнал, пропорциональный суммарной онцентрации мелких и глубоких уровней.

Поляризунмцее напряжейие поступает на полупроводник через резистор 17 с выхода блока 16.

При измерении "никзочастотной" . концентрации генератор 20 может быть отключен, при включенном генераторе 20 можно вести одновременно измерения высокочастотной и низкочастотной концентрации при использовании двух регистраторов (самописцев).

Таким образом, введение избирательного фильтра 15 и соединение

его входа с модулятором 3, первого выхода с детектором 21 второго выхода с первым входом балансного смесителя 14, выход которого через сумматор 2 соединен с модулятором

3, а также соединение первого генеf ратора 1 через сумматор 2 с модуля-: тором 3 позволило значительно упрос тить аналоговую обработку для получения сигналов, пропорциональных

1 и, -, исключить восьмеричный

n(n n(n путь" и с большой точностью в широком диапазоне изменения емкости получить сигналы, пропорциональные

1 1 и . Это значительно повысило

n(n л п 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 де20 тектора усилителя постоянного тока и их связей позволило без дополнительных погрешностей измерить полупроводники с низкой добротностью, повысить качество работы О.О.С., увеличить

25 точность измерения и расширить динамический диапазон по измеряемой емкос ти.