Устройство для измерения профиля легирующей примеси в полупроводниковых структурах

 

СО)ОЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

3(Я) Я 01 Й 31/26

ГОСУДАРСТОЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М ABTOPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (211 2797009/18-25 (22) 17.07.79 (46) 15.01.84. Бюл. Р 2 .(721 А.С.Сергеев (71) Научно-исследовательский ин ститут механики и физики при Саратовском ордена Трудового Красного

Знамени государственном университете им. Н.Г.Чернышевского (53) 621.382.2 (088.8) (56) 1. Патент США Р 3.518.545, кл. 324 «158, опублик. 1970.

2. Патеит Великобритании

Р 1.269.263, кл. G 1 V опублик.

1972.

3. Авторское свидетельство СССР

1(517863, кл. Q 01 Я 31/26, 1976 (прототип). ..(541 (571 УСТРOACТВO ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПРОФИЛЯ ЛЕРИРУИ(цЕЙ ПРИМЕСИ В ПОЛУ

ПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ, содержащее источник обратного смещения, управляемай генератор гармонических колебаний, параллельный колебательный контур, настроенный на вторую гармонику колебаний генератора, селективные вольтметры первой и второй гармоник и фильтр перI (19) (П) вой гармоники, причем испытуемая структура включена между выходом источника обратного смещения и параллельным колебательным контуром, соединенным через фильтр первой гар« моники с регулирующим входом управляемого генератора гармонических колебаний, регулируемый выход которого подключен к селективному вольтметру первой гармоники, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона и увеличения точности измерений, в него введены управляемый источник второй гарМоники, коммутатор и фильтр, выделяющий вторую гармонику, причем коммутатор соединен с.регулируемым выхо- а дом управляемого генератора гармо® нических колебаний, с выходом источника обратного смещения, селективным вольтметром второй гармоники и выходом управляемого источника второй гармоники, сигнальный вход которого соединен с нерегулируемым выходом генератора, а регулирующий вход через фильтр, выделяющий вторую гармонику, подключен к колебательному контуру.

805781

Изобретение относится к электронной промышленности, предназначено для измерения профиля распределения легирующей примеси в полупроводниковых структурах с помощью резкого диффузионного р -n-перехода или барь- 5 ера Шоттки и может быть применено при разработке и производстве полупроводникОвых приборов различных типов ..

Известны устройства для измерения профиля легирования в полупроводниковых структурах, в которых на одной из поверхностей структуры формируется диод с барьером Шоттки и измеряются напряжения первой и второй гар- 15 моник на диоде при условии постоянства тока первой гармоники, через диод. Одно из известных устройств содержит источник обратного смещения, генератор гармонических колебаний, соединенный с исследуемым образцом (диодомj, к которому подклю- чены селективные вольтметры первой и второй гармоник. Амплитуда второй гармоники здесь меняется обратно пропорционально концентрации легирующей примеси на глубине, определяемой величиной обратного смещения, подаваемого на диод, а амплитуда первой гармоники прямо пропорциональна глубине (1). 30

Другое известное устройство для измерения профиля легирования в полупроводниковых структурах, содержащее источник обратного смещения, генератор переменного тока, соединен- 35 ный или с p --h-переходом или с емкостным электродом, и самописец, регистрирующий амплитуды первой и второй гармоник, обеспечивает возможность графического построения профиля легирования f23.

Недостатками этих устройств являются трудность поддержания постоянства тока через диод при изменении напряжения смещения (глубины, ограничение диапазона измерений из-за влияния паразитных емкостей манипу-... лятора и схемы и трудность выделения второй гармоники на фоне первой, что, в конечном счете приводит к низкой точности измерений. 50

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является устройство, содержащее источник обратного смещения, управляемый генератор гармонических колебаний, па раллельный колебательный контур, нас" троенный на вторую гармонику колебаний генератора, селективные вольтметры первой и второй гармоник и фильтр первой гармоники. Испытуемая струк- 60 тура включена между выходом источника обратного смещения и параллель-. ным колебательным контуром, соединен ным через фильтр первой гармоники с регулирующим входом управляемого ге- у5 нератора гармонических колебаний, регулируемый выход которого подключен к селективному вольтметру первой гар моники (3 j.

Напряжение первой гармоники, выделяемое фильтром, управляет выходным напряжением генератора так, чтобы падение напряжения первой гармоники на колебательном контуре оставалось постоянным. Одновременно это обеспечит постоянство тока через образец.

Недостатками этого устройства as" ляются ограниченный диапазон и низкая точность измерения концентрации и глу бины. Связано это с тем, что напряжение второй гармоники измеряется не на диоде, а на контуре. Очевидно, что точность измерений будет тем выше, чем больше резонансное сопротивление

Р контура по сравнению с емкостным со противлением диода, т.е. чем больше добротность контура. В этом случае падением напряжения на диоде можно пренебречь и считать, что напряжение второй гармоники, возникающее на диоде и обратно пропорциональное концентрации примеси, в точности рав но измеряемому.

Целью изобретения является расширение диапазона и увеличение точности измерений.

Ноставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения профиля легирующей примеси в полу; проводяиковых, структурах, содержащее источник обратного смещения, управляемый генератор гармонических колебаний, параллельный колебательный контур, настроенный на вторую гармонику колебаний генератора, селективные вольтметры первой и второй гармоник и фильтр первой гармоники, причем испытуемая структура включена между выходом источника обратного сМещения и параллельным колебательным контуром, соединенным через фильтр первой гармоники с регулирующим входом управляемого генератора гармонических колебаний, регулиру- . емый выход которого подключен к селективному вольтметру первой гармоники„ введены управляемый источник второй гармоники, коммутатор и фильтр, выделяющий вторую. гармонику, прячем коммутатор соединен с регулируемым выходом управляемого. генератора гармонических колебаний, с выходом источника обратного смещения, селективным вольтметром второй гармоники и выходом управляемого источника второй гармоники, сигнальный вход которого соединен с нерегулируемым выходом генератора, а регулирующий вход через фильтр, выделяющий вторую гармонику, подключен к колебательному контуру.

На чертеже приведена функциональ- ная схема предлагаемого устройства.

805781

Устройство содержит управляемый генератор 1 гармонических колебаний частоты ш образец 2, параллельный колебательный контур 3, настроенный на частоту 2, источник 4 обратного смещения, селективные вольтметры 5

5 и 6 первой и второй гармоник соответственно, фильтр 7,первой гармоники, коммутатор 8, управляемый источник 9 второй гармоники, фильтр 10, выделяющий вторую гармонику, кварце-. 10 вый генератор 11, регулируемый усилитель 12, фильтр 13 нижних частот, селективный усилитель 14 первой гармоники, детектор 15, дифференциальный усилитель 16, селективный усили- 15 тель 17 второй гармоники, детектор

18, фазовый детектор 19, умножитель

20 частоты, регулируемый усилитель

21.

Устройство работает следующим образом.

С кварцевого генератора 11 управляемого генератора 1 колебания частоты си поступают на регулируемый усилитель 12 и далее на фильтр 13 нижних частот., необходимый для подав ления второй и высших гармоник основ. ной частоты со, которые имеются на выходе генератора 11, и кроме того,, возникают в регулируемом усилителе

-12, работающем в нелинейном режиме.

С выхода фильтра синусоидальные колебания частоты ы через контакты коммутатора 8 подаютдя на измеритель ную цепь, представляющую собой последовательное соединение испытуемо- 35 го образца 2 и колебательного контура 3, имеющего резонанс на частоте

2щ. Сюда же поступает напряжение об"ратного смещения от источника 4.

Под действием протекающего .через 4О образец гармонического тока частоты со из-за нелинейных свойств барьерной емкости появляется ток .второй гармоники, Оба тока создают на контуре 3 падения напряжений первой и второй 45 гармоник соответственно. Напряжение .первой гармоники выделяется с помощью. фильтра 7 первой гармоники, представляющего собой селективный усилитель

14 первой гармоники, детектор 15 и дифф ренц, ьный усилитель 16, вы- 50 полняющий функции усилителя ошибки.

На второй вход усилителя 16 подается опорное напряжение Ц, с которым сравнивается напряжение первой гар- моники на контуре, усиленное усилите-55 лем 14 и продетектированное детектором 15. Напряжение с выхода усилителя 16 подается на регулирующий вход усилителя 12 с тем расчетом, чтобы при изменениях барьерной емкости об- 6О разца 2 оставалось постоянным падение напряжения первой гармоники на колебательном контуре 3. Это одновременно будет означать постоянство тока через испытуемый образец. Тогда напряжение на выходе генератора будет целиком определяться величиной барьерной емкости, а именно, будет прямо пропорционально ширине обедненной области р-и-перехода или барьера

Шоттки, т.е. глубине, на которой измеряется концентрация примеси. Выходное напряжение генератора 1, соответствующее этой глубине, измеряется селективным вольтметром 5., Измерение величины напряжения второй гармоники на контуре, обратно пропорциональной концентрации, производится методом замещения. Для этого напряжение второй гармоники выделяется с помощью фильтра 10 второй гармоники, где.оно усиливается селективным усилителем 17 второй гармоники и детектируется с помощью детектора 18,.выходное напряжение которого запоминается (фиксируется!. Затем контакты коммутатора 8 переводятся в другое положение (11), и на ту же измерительную цепь при тех же самых условиях подается напряжение второй гармоники с управляемого источника второй гармоники такой величины, чтобы напряжение на выходе детектора 18 было тем же, что и ранее, когда контакты коммутатора 8 находились s положении I. Это будет означать, что.па фение напряжения второй гармоники на колебательном контуре в первом и втором случаях одинаково, а йайряжение на выходе управляемого истоФника-9 в точности равно падению напряжения второй гармоники на образце 2 при протекании через него тока первой гармоники, поскольку и то и.другое напряжения создают на контуре 3 падение напряжения второй гармоники одинаковой величины. Напряжение на выходе источника 9 измеряется селективным вольтметром 6 ° Регулируемый источник

9 второй гармоники представляет собой умножитель 20 частоты, где частота исходных колебаний кварцевого генератора 11 удваивается, и регулируемый усилитель 21, На его регулирующий вход с выхода фильтра 10 подается напряжение так, чтобы свести к нулю разницу между падением напряжения второй гармоники, возникающим на контуре при прохождении через образец тока основной частоты, и падением напряжения. второй гармоники при подаче .на измерительную цепь напряжения второй гармоники с регулируемого источника 9 второй гармоники, т.е. в положениях 1 и П коммутатора 8. Фазовый детектор 19 в филь тре. 10 служит для обеспечения устойчивой работы системы автоматического регулирования второй гармоники и выполняет функции фазового различителя и пикового детектора.

Таким образом, напряжение, иэм— ряемое вольтметром 5, будет прямо

805781

Составитель Ю. Брыэгалов

Редактор Н. Коляда Техред В.далекорей Корректор О. Билак 9.Заказ 1022/1 Тираж 711 Подписное.

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 пропорционально глубине, а напряжение, измеренное вольтметром б, об, ратно пропорционально концентрации при любой величине резонансного сопротивления контура (добротности )и любой величине барьерной емкости образца 2. Точность измерений будет определяться здесь лишь точностью поддержания постоянства тока первой гармоники Через образец, которая, в свою очередь, определяется величиной 16 коэффициентов усиления усилителей

14, 16, фильтра 7 и точностью, с которой поддерживается. равенство падений напряжений на контуре в полэкении

2 и П коммутатора 8. Последняя будет определяться величиной коэффициента усиления усилителя 17 фильтра 10.

Как показывают расчеты, величина укаэанных коэффициентов, равная 104 и больше, позволяет производить измерения концентрации и глубины с точность@ единиц процентов и выше. Диапазон измерений определяется динамическим диапазоном регулируемых усилителей 12 и 21,который без особых трудностей может быть сделан более

40 дб, что позволяет повысить. точность измерений и улучшить качество контроля полупроводниковых структур.