Устройство для определения концентрации примесей в полупроводниковых образцах

СОЮЗ СОВЕТСНИХОЕИдаПНепжикРЕСПУБЛИН А Н 0 1 66 1 К 3 ОПИС АНИЕ ИЗОБРЕТКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТОР ко ССС05.7 Э.М овимента", ). ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ(7 1) Институт физики полупроводСибирского отделения АН СССР(56) .1. Авторское свидетельствоВ 517863, кл. С 01.К 31/26, 31.2. Орлов О.М., Принц В,Я. СкоПрибор для автоматического измения профиля концентрации мелкихней.-чПриборы и техника экспер1979, У 4, с. 258-261 (прототип(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРРДЕЛЕНИЯКОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ В ПОЛУПРОВОД-.НИКОВЫХ ОБРАЗЦАХ, включающее генератор, выход которого соединен с входомпервого регулируемого усилителя,заграждающий фильтр второй гармоники,первый повторитель, первую шину дляподключения полупроводникового образца, которая соединена с выходом блокасмещения,.выход заграждающего фильтра второй гармоники соединен черезлинейный детектор с первым выходомустройства, второй регулируемый усилитель, соединенный через последовательно соединенные селективный усилитель второй гармоники и амплитудный детектор с входом логарифмичес-,кого усилителя, выход которого соединен с вторым выходом устройства,генератор опорного напряжения, выходкоторого соединен с инвертирующнмвходом усилителя постоянного тока,выход которого соединен с управляющим входом первого регулируемого усилителя, селективный усилитель первой гармоники и втору.о шину для подключения образца, о т л и ч а ю щ е е -с я тем, что, с целью повышенияточности, оно снабжено вторым повто.рителем, переключателем диапазонов,блоком конденсаторов, дешифратором,блоком индикации, фазочувствительнымдетектором, конденсатором переменнойемкости, удвоителем частоты, при .этомамплитудный детектор выполнен в видесинхронного детектора, опорный входкоторого соединен с выходом удвоителя частоты, вход которого соединен.с вторым выходом генератора и опорным входом фазочувствительного детектора, вход которого соединен с выходом селективного усилителя первой гармоники, а выход соединен с неинвертирующим входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен суправляющим входом второго регулируемого усилителя, сигнальный вход которого соединен с первым выходом второго повторителя, второй выход которого соединен с входом селективногоусилителя первой гармоники, вход вто рого повторителя соединен с второйшиной для подключения образца полупроводника и черезконденсатор переменной емкости:;сбединен с вторым выходом фильтра второй гармоники, а черезпереключатель диапазонов - с входомблока конденсаторов, второй выход переключателя диапазонов соединен свходом дешифратора, первый выход которого соединен с входом блокаиндикации, а второй выход - с управляющим входом селективного усилителя второй гармоники, выход первогорегулируемого усилителя соединен с1128202входом заграждающего Фильтра второй . которого соединен с первой шиной гармоники, выход которого соединен для подключения образца полупроводнис входом первого повторителя, выход ка.Изобретение относится к области контроля электрофизических параметров в полупроводниках и может быть использовано для определения профи" ля концентрации легирующих примесей в полупроводниковых структурах, плас" тинах, пленках, приборах и т.п.Цель изобретения - повышение точности измерений.На фиг, 1 приведена блок-схема устройства для определения концентра- ции примесей в полупроводниковых образцах; на Фиг. 2 в . пример реали зации блоков, с которыми соединены шины для подключения полупроводникового образца.Устройство для определения концентрации примесей в полупроводниковых образцах содержит генератор 1, вырабарывающий высокочастотные колебания, выход которого через последовательно соединенные первый регулируемый усилитель 2, заграждающий Фильтр 3 второй гармоники и первый повторитель 4 соединен с первой шиной 5 для под- ключения образца полупроводника. Инна 5 соединена с выходом блока 6 смещения. Выход заграждающего Фильтра 3 соединен через линейный детектор 7 с первым выходом устройства. Второй регулируемый усилитель 8 соединен через последовательно соединенные селективный усилитель 9 второй гармоники и амплитудный детектор 10 с входом логарифмического усилителя 11, выход которого соединен с вторым входом устройства. Вьщод генератора 12 опорного напряжения соединен с инвертирующим входом усилителя 13 постоянного тока, выход которого соединен с управляющим входом первого регулируемого усилителя 2. Селективный усилитель 14 выделяет сигнал первой гармоники. Вторая шина 15 для подключения полупроводникового образца соединена с входом второго повтори теля 16 и переключателя 17 диапазонов, выход которого подключен к блоку18 конденсаторов. Дополнительный выход переключателя 17 соединен свходом дешифратора 19, первый выход5 которого соединен с входом блока 20индикации, а второй выход соединенс управляющим входом селективного усилителя 9. Первый выход повторителя 16соединен с входом селективного усилителя 14, выход которого соединен свходом фазочувствительного детектора 21, выход, которого соединен с неинвертирующим входом усилителя 13,выход которого соединен с управляю-щим входом второго регулируемого усилителя 8, вход которого соединен свторым выходом второго повторителя 16Дополнительный вьжод заграждающегофильтра 3, на котором Формируетсяо противофазное напряжение первой гармоники, соединен через конденсатор22 (переменный элемент) с второй шиной 15.Опорный выход фазочувствительного25 детектора 21 соединен с вторым выходом генератора 1 и входом удвоителя23 частоты, выход которого соединенс опорным входом детектора 10,Работа устройства основана наЗО том, что через полупроводник пропускают высокочастотный ток постояннойамплитуды с частотой Г 1 и на емкостном делителе измеряют напряжениевторой гармоники с частотой 2 Г 1 , коЗ 5 торое непосредственно связано с концентрацией примесей. Аналоговая обработка этого сигнала для полученияИ 1 фйпроисходит путем синхронногорегулирования усиления регулируемых40 усилителей 2 и 8,.Расстояние Х от металлическогоконтакта связано с емкостью С обедненного слоя полупроводника Форму-лой Х = АС , где А - некоторый коэф 45 Фициент пропорциональности.Устройство работает следующимобразом.1128202 тора 21 через Ос ношением 4Они связаны соотО= С=Х д(2) 55 3Высокочастотный сигнал с частотой от генератора 1 через регулируе мый усилитель 2, фильтр 3, где происходит подавление частоты 2 возникающей в усилителе 2, поступает на вход повторителя 4.С дополнительного выхода фильтра 3 противофазный сигнал поступает через конденсатор 22 на вход повторителя 16. Чисто гармонический сигнал с часто О той Г с выхода фильтра 3 через повторитель 4 поступает на испытываемый образец полупроводника, на который поступает также постоянное поляризующее напряжение от блока 6. Ем костью конденсатора 22 можно скомпенсировать ток с частотой 6 теку 1 щий через параэитную краевую емкость металл - полупроводник (или электролит - полупроводник) так, что сигнал на входе повторителя 16 пропорционален только емкости С измеряемого полупроводника.Сигнал с частотой Г, пройдя через полупроводник, выделяется на 25 малом емкостном сопротивлении блока 18 конденсаторов, переключаемых переключателем 17 в зависимости от емкости С измеряемого полупроводника, Напряженйес блока 18 поступает на повторитель 16, обладающий высокой линейностью, так что при прохождении сигнала с частотойв нем не образуется паразитного сигнала с частотой 2 Г. С выхода повторителя 16 через селективный усилитель 1435 сигнал частоты Г поступает на фазочувствительный детектор 21, на опор-, ный вход которого поступает опорный сигнал с постоянной фазой от генера 40 тора 1, Фазочувствительный детектор 21 настроен на емкостную состав. - ляющую тока через полупроводник, т.е. фаза опорного сигнала такова, что на его выходе регистрируется45 продетектированный сигнал, прбпор,циональный только емкости С полупроводника и не зависит от проводимости 6 , величина которой определяет добротность измеряемого полупроводни 50 ка на частоте 1 . Сигнал с выхода фазочувствительного детектора 21 через усилитель 13 поступает на управляющий вход первого регулируемого усилителя 2. Обозначим амплитудные значения сигналов частоты У на выходе повторителя 4 через Ч , на выходе детекгде а(, - некоторый коэффициент пропорциональности,С - емкость измеряемого образца.Отрицательная обратная связь рабо" тает таким образом, что при измене-. нии емкости полупроводника (при подаче на него изменяющегося поляриэующего напряжения) напряжение О поддерживается постоянньм с погрешностью менее 17 ( 0 = Сойз 1 ), Тогда из (1) имеел 0=.-СЭто значит, что и напряжение О на выходе повторителя 4, поступающее на полупроводник, пропорционально Х (глубине обедненного слоя)Проводимость 8 полупроводникане влияет на выполнение условия (2),То есть полностью исключено влияниеС на точность аналоговой обработкидля получения сигнала, пропорционального глубине обедненного слоя, приизмерении полупроводников с добротностью 01,С выхода фильтра 3 сигнал частоты г поступает на линейный детектор 7и с его выхода поступает на первыйвыход устройства для подключениярегистрирующего прибора и входа Хдвухкоординатного самописца.При прохождении чисто гармонического сигнала частоты Г через измеряемый полупроводник на нелинейнойемкости образца возникает сигнал счастотой 2 У и выделяется на маломемкостном сопротивлении блока 18 снапряжением 0 Г, Его величина про-порциональнаО,Г-Н "С,где С - емкость полупроводника;М - концентрация легирующей примеси,Пройдя повторитель 16, сигнал с частотой 2 Г поступает на вход регулируемого усилителя 8 через Фильтр на его входе (подавляющий сигнал с частотой т ). Усиление усилителя 8 изменяется синхронно и пропорционально с усилителем 2, так как их регулирующие входы соединены вместе и на них поступает регулирующее напряжение обратной связи с выхода усилителя 13. На выходе усилителя 2,1128202 Экак мы выяснили из формулы (2), напряжение также изменяется пропорционально расстоянию Х значит и напряжение ЩМ , поступающее на вход усилителя 8, на его выходе будет 5 т,е, %а выходе усилителя 8 имеемсигнал, пропорциональный концентра рции легирующей примеси в полупроводнике. Усиленный сигнал после селективного усилителя 9 поступает на входдетектора 10, на опорный вход которого поступает напряжение с удвоителя 23,с частотой 2 Г. Продетектированный сигнал с выхода детектора 10поступает на вход логарифмическогоусилителя 11. Сигнал е выхода усилителя 11 поступает на второй выходустройства для подключения вертикального входа двухкоординатного самописца.Переключатель 17 также выдаетуправляющий сигнал, который поступает в дешифратор 19, сигнал с выходакоторого управляет блоком индикации, показывающим степерь измеряемойконцентрации (10 - 10 ф), зависящей1 гот выбранного положения переключателя 17 и состояния дешифратора,который вырабатывает также управ. ляющий сигнал, поступающий на усилитель 9, изменяя его усиление в 10и 100 раз, позволяя расширить динамический диапазон измеряемых кон центраций на одном пределе, выбран. ном переключателем 17,В варианте устройства (Фиг. 2) генератор 1 вщдает сигнал с частотой 50 кГц, на выходе удвоителя Формируется сигнал с частотой 100 кГц . Устройство используется с электролитическим зондом ф = 2 мм, что позволяет проводить измеренияна границе полупроводник - диэлектрик - элек тролит с одновременным химическим или электрохимическим травлением, Переключатель 17 имеет пять пределов по измеряемой емкости (глубина Х) позволяя изменять ток с частотой 1 через полупроводник в зависимости .от измеряемой емкости (10-210 пФ)4 в пределах 1 - 100 мкА, позволяя выбрать наиболее удобный режим при измерении всего динамического диапазона полупроводников по измеряемой концентрации и глубине обедненного слоя (емкости). Предлагаемое устройство позволяетизмерять весь диапазон концентрацийртутным зондом одного диаметра,повысить точность измерений и удобство в работе с прибором. Кроме того,предлагаемое устройство позволяетпроводить измерения концентрации легирующих примесей в полупроводнике сэлектролитическим зондом большогодиаметра, измерения полупроводниковсо сложной геометрией профиля распре",деления примесей по глубине, когдартутным зондом невозможно провестиэти измерения из-за физических ограничений, возникающих вследствие про-боя полупроводника,1128202 йф р ХЯврС -с,-р,Составитель В. Карпоедактор С. Патрушева Техред С.йовжий ректор А, Тяск 10 0122 Тираж ВНИИПИ Государственногпо делам изобретений 13035, Иосква, Ж, Ра Заказ одписно ета о крыти аб., д к лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4