Устройство для определения концентрации примесей в полупроводниках

(22) Заявлено 020774 (21) 2041 54,/18-25 О 01 П 31/26 Государственный коиктет СССР по дедам изобретений и открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Изобретение относится к области контроля электрофиэических параметров полупроводников и может бьтгь использовано для определения профиля концентрации легирующих примесей в полупроводниковых слитках, пластинах, пленках, а также в различных полупроводниковых структурах и приборах (р-п переходы, ИДП структуры, диоды, фото диоды, транзисторы и др.). Н)Известно устройство для контроля распределения примесей в полупроводниках, содержащее генератор пилообразного напряжения, генератор высокой час- тоты, фильтр, квадратичный усилитель, 15 дискриминаторы и индикатор 1,1 1, Известное устройство имеет недостаток, который заключается в том, что характеристика распределения примесей в полупроводниках наблюдается на экране И осциллограФа, что затрудняет непосредственный отсчет измеряемой величины,Известно устройство для определе ния профиля распределения концентрации примесей, содержащеегенераторы низкой и высокой частоты, а также генератор смещения, соединенные с образцом, селективные усилители, детекторы и регистратор 2). ЗО Данное устройство свободно от недостатков первогооднако точностьизмерения его низкая.Целью изобретения является повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем,что в устройство введены модулятор,включенный между генератором высокойчастоты и образцом, а также второйгенератор высокой частоты,преобразователь частоты и цепь обратной связи из усилителя, детектора и фильтра,причем, вход усилителя соединен собразцом, выход фильтра обратной связи соединен с модулятором, выход первого селективного усилителя соединенс преобразователем частоты, выход которого через второй усилитель соединен со входом образца,На чертеже показана схема устройства для определения концентрации при-месей в полупроводниках, Оно содержитгенератор высокочастотного сигнала 1частоты т (например, т = 600 кгц)7на выходе которого установлен модулятор 2, 3 - селективный усилительчастоты т , вход которого соецнненс выходом модулятора, а выход - странсформаторньпч мостом переменноготока 4, в одно плечо которого вклю 658507чен измеряемый полупроводниковый образец 5, представленный в виде конденсатора, имеющего суьщарную емкость С + С", складывающуюся на подлежащей измерению емкости обедненного слоя С и паразитной и краевой емкости Сф . В другое плечо моста включена компенсационная емкость 6. Выход моста с токосъемным сопротивлением 7 соедийен со входами двух селективных усилителей: частоты 1 8 и частоты ( 13й (например, 400 кгц). На выходе первого селективного усилителя 8 установлен преобразователь частоты 1 в частоту 1, состоящий из генератора 10 частоты ), + Ф (гетеродин) 1000 кгц и смесителя 9 .Йа выходе смесителя сто ит усилитель частоты й 11 и далее -2детектор 12, с которого сигнал подается на вход горизонтальной развертки регистратора (двухкоординатно- ГО самописца или осциллографагна схе 20 ме регистратор не показан). Выход усилителя 11, кроме того, соединен со входом моста 4, На выходе усилителя 13 установлен детектор 14, который через фильтр обратной связи 15 сое динен с управляющим электродом модулятора. Образец 5 соединен также с выходами генератора низ кой частоты 1 16 (нанример, 0,5 кгц) и ручного, электромеханического или электронного генератора медленно изменяющегося напряжения смещения 17, Выход усилителя 3 соединен также со входом детектора 18, выход которого соединен со входом вертикальной развертки регистратора или через линейный усилитель частоты 1 19 и детек 3тор 20, или через логарифмический усилитель той же частоты 21 и детектор 22.Работа устройства . основана на из" вестной методике определения проФиля концентрации примесей, согласно которой Расстояние хот металлического контакта или от более сильно легированной области полупроводника45 связано с емкостью обедненного слоя образца С формулой.х = Игде А - некоторый коэффициент пропорциональности, а концентрация примесей на этой глубине И(х) связана с емкостью С формулой сИ 0 2и амгде В - коэффициент пропорциональ-, ности, а Ч - напряжение образца, Для 14 ДП структур эти формулы также могут быть использованы, поскольку диэлектрик .чисто 1 формально (с некоторой траисФормацией толщины в соответствии с разницей диэлектрических постоянных) может быть отнесен к области пространственного заряда. устройство для измерения концентрации примесей работает следующим образом. Высо кочастотн ый сиги ал ча. готы 1, от генератора 1 через мо. дулятор 2 и усилитель 3 попадает на мост 4, и, пройдя через образец 5, выделяется на малом токосъемном сопротивлении 7. С помощью емкости 6 можно скомпенсировать ток, текущий через паразитную и краевую емкость С , так что сигнал на выходе моста будет пропорционален только емкости 1 обедненного слоя С, Такая компенсация особенно желательна при измерениях на мальм площадях, когда погрешность, вносимая емкостью С, велика, Далее сигнал усиливается усилителем 8,преобразуется по частоте с помощью смесителя 9 и гетеродина 10 и вновь усиливается усилителем 11. Затем сигнал (уже с частотой Г. ) опять подаетс я на мос т, выделяетс я на сопротивлении 7 и усиливается усилителем 13. Амплитуды высокочастотных сигналов, попадающих на образец, выбираются достаточно малыми (подробнее об этом см.ниже), поэтому в принципе нелинейная емкость С может для них рассматриваться как линейная, Тогда амплитудные значения напряжений на выходе усилителей 3,11 и 13, которые мь обозначим через У , Ч и Ч связа зье ны соотношениями72=с СЧ (3)(4) где с. и 3 - некоторые коэффициентыпр опорци он ал ьн ости,Из (3) и (4)ьи С 5)2 5Ч = С ГБсфПосле усилителя 13 и детектора 14 напряжение через фильтр обратной связи подается на модулятор 2. Возникающая цепь авторегулирования работает таким образом, что поддерживает напряжение У , с достаточной степенью точности постоянным, несмотря на изменения емкости С (емкость изменяется за счет подачи напряжений с генераторов 16 и 17). Поясним, что такое авторегулирование вполне возможно, Практически емкость С изменяется не более чем в 10 раэ, следовательно согласно (6), для сохранения Чвь, необходимо изменить напряжение Ч, или,что то же самое, изменить пройускание модулятора 2 в 100 раз. Для этого достаточно изменить напряжение на полевом транзисторе КП 302 А всего на 0,5 вольта. Если опорное напряжение, подаваемое на модулятор, имеет величину 50 вольт, то напряжение на выходе Фильтра 15 будет оставать"я658507 Формула изобретения Выход 1 оук(х) Выхад,7 Выад Я 8 Цг 1 ИИПИ Эакаэ 2050/41 Тир оное илиал ППП Патент,г.ужгород,ул .Проектная,4 постоянным с точностью около 1%, Примерно с такой же точностью будет оставаться постоянным и напряжение Ч вью"В этих условиях, сравнивая формулы (5) и (6) с Формулами,(1) и (2),можно видеть, что напряжение Ч инапряжение на выходе детектора 12 5будут пропорциочальны расстоянию х,а напряжение, пропорциональное 1/11(х),можно получить, продифференцировавнапряжение Ч, по напряжению на образцеЧ, По:ледняя операция осуществляется 10подачей на образец небольшого (порядка0,1 вольта) модулирующего напряжениянизкой частоты г (например, 0,5 кгц)от генератора 16 гг выделения возника"ющей с той же частотой модуляции Чс помощью детектора 18, выходное напряжение которого частоты Е имеетамплитуду Ч, пропорциональйую 1/И(х) .Далее выход на регистрациго 1/1(х) осуществляется через усилитель 19 и детектор 20, а выход на регистрацию1 оф Б(х) - через логарифмический усилитель 21 и детектор 22.Для прохождения всех возможныхзначений координаты х к образцу прикладывается медленно изменяющееся17напряжение смещения от генератора 17,Максимальная величина этого напряженияЧ макс обычно ограничивается пробивным напряжением образца,В качестве регистрирующего прибора 30можно использовать двухкоординатныйсамописец или осциллограф, сразу получая графики 1/г( (х) или го(11 (х) как функции х. Калибровку графиков поосям можно производить, например, поэталонным образцам. Устройство для определения концен" трации примесей в полупроводниках, содержащее генераторы низкой и высокой частоты, а также генератор смещений, сОединенные с образцом, селективные усилители, детекторы и регистра", тор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены модулятор, включенный между генератором высокой час" тоты и образцом, а также второй генератор высокой частоты, преобразователь частоты и цепь обратной связи иэ усилителя, детектора и фильтра, причем вход усилителя соединен с образцом, выход Фильтра обратной связи соединен с модулятором, выход первого селективного усилителя соединен с преобразователем частоты, выход которого через усилитель соединен со входом образца. Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРФ 240853, кл.5 01 В 31/26, 01.04.69,2. Р, Л.ЭатагбоК, г1, ГоСГюег юЫ А,ГР оу,5,Рпцз. е Яс 1 ег 1 г 11 с .пв 1 гпчей 1 э,чо 1, 4,о,213, 1971,