CN109490744A - 一种pn结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统及方法，该系统包括：给进机构，用于自动传送PN结器件到样品测试台；固定片，用于固定PN结器件的两端并保持和PN结器件电极之间良好的电学接触；测量模块连接锁相放大器，锁相放大器连接计算机。测量模块通过采集回路标准电容的微弱分压信号，换算为PN结器件的结电容并可实时显示出PN结器件偏置电压‑结电容的关系曲线；对曲线可进行自动参数变换及拟合；并根据所拟合直线结果的相关系数大小来判断PN结的类型；由其类型对应的物理模型换算PN结器件的杂质浓度分布系数或浓度梯度系数。本发明可方便地进行大量PN结试样的杂质浓度/浓度梯度的自动检测，并对同一批次产品中的器件的类别差异进行统计。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件参数的自动测试技术领域，尤其是涉及一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统及方法。
背景技术
半导体器件中掺杂浓度分布将直接影响其电学特性。通常根据所需的电学性质，在制备过程中采用一定的工艺，人为控制杂质浓度/浓度梯度等重要器件参数。因此，在制备完成后对半导体器件中杂质分布的检测就成为一个非常重要的问题，一方面精确高效的测试方法可验证制备工艺的有效性，另一方面还能保障器件参数的可靠。现有的测试掺杂浓度的技术手段包括使用四探针、逐次去层的霍尔效应或者二次离子质谱等测量方法，但利用上述方式进行测量时会接触/破坏器件，不可避免的会造成器件损伤，都属有损的测量方式。
由此，人们在实际测量时更希望采用无损的方式，目前已有的技术手段包括光学检测方法，例如：自由载流子吸收测量技术，光载流子辐射测量技术等(如专利公开号CN1971868、CN101159243，CN101527273A所涉及内容)；以及电学检测方法，原理上主要包括利用测量半导体PN结的电容效应去计算并得到其杂质浓度分布的情况，主要的可实现方法包括采用LCR表(电感-电容-电阻表)或专用电容测试仪来进行电容测量的方法(如专利公开号106093641A，CN206540992U所涉及内容)。然而利用光学检测的方法在测量装置上需要搭建较为复杂的光学系统，典型的包括光源、检测光路和光学探测系统等，结构复杂成本较高；利用电学检测方式时，所需测量装置虽然较为简单，但测量信噪比容易受到线路噪声等不确定参数的影响；存在测量数据需要进行后处理转换，测量的自动化的程度较低等问题；并且大量数据测量后还无法自动实时对参数进行汇总和统计分析。例如：自动判定PN结的类型、进行突变结和线性缓变结分类等等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统及方法，本发明提供的自动测量功能可方便地进行大量PN结试样的杂质浓度/浓度梯度的自动检测，并方便对同一批次产品中的器件的类别差异进行统计。
本发明采取的技术方案为：
一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统，其特征在于该系统包括给进机构、样品测试台、测量模块、锁相放大器、计算机；
所述给进机构的驱动器连接计算机，给进机构用于自动传送PN结器件到样品测试台；所述样品测试台连接测量模块，样品测试台上设有固定压片，用于固定PN结器件的两端并和PN结器件电极之间电学接触；所述样品测试台连接测量模块；所述测量模块连接锁相放大器，所述锁相放大器连接计算机。
所述给进机构包括：
用于装设有待测试的PN结器件的样品卷盘，
用于引导PN结器件的引导转轮；
用于卷收已测试完的PN结器件的测试卷盘；
所述样品卷盘连接第一旋转机构；
所述测试卷盘连接第二旋转机构，所述第二旋转机构通过步进电机连接驱动器，所述驱动器通过RS232串口或USB通信接口连接计算机。
所述样品测试台包括一个具有绝缘表面和PN结器件固定槽的底座，以及用于固定PN结器件及两端电极的一组弹性压片。
所述测量模块包括：用于与样品测试台连接的测试电路；用于量化计算的标准电容C0；用于对PN结器件进行检测的测量回路；提供锁相放大器的信号通道接口和参考通道接口；基本的接口电路包括测试器件与标准电容C0的串联回路；锁相放大器的参考信号作为整个回路的激励信号；标准电容C0上的分压信号作为锁相放大器的测量信号；测量信号与锁相放大器之间采用电压跟随器作为连接缓冲模块。
所述计算机，用于实现锁相放大器的运行参数设置、PN结器件偏压控制、循环测量参数、测量信号采集、数据可视化。
一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量方法，测量模块通过固定压片采集的PN结器件微弱电压信号，换算为PN结器件的结电容并可实时显示出PN结器件偏置电压-结电容的关系曲线；进一步对曲线可进行自动参数变换及拟合；并根据所拟合直线结果的相关系数大小来判断PN结的类型；由其类型对应的物理模型换算PN结器件的杂质浓度分布系数或浓度梯度系数。
本发明的技术效果是：通过对PN结器件杂质浓度/浓度梯度的自动测量装置和方法的设计，提高了PN结器件参数的测量效率；同时，不同于基于LRC电表或电容表的方法，采用了相关检测的测量方法有利于抑制系统噪声，以便更精确地获取测量信号及器件参数。利用该发明对大量器件进行测量时，操作简便，自动化程度高。相比于人工手动测量，该发明还能够自动实现数据采集、存储及在线后处理；可对批量器件的测量结果进行归类及统计。一方面极大地提高了测量效率，另一方面可给出只有少量样品测试时无法给出的分类及统计规律。此外，整个测量系统易于模块化，适于集成在工业半导体检测设备中。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为本发明装置的计算机参数设置示意图。
图3为本发明测量方法流程图。
图4(a)本发明测量的同一型号批次的PN结器件VR-Cx关系曲线的一个典型测量结果图，该结果经过变换后符合突变结的物理模型。
图4(b)为图4(a)变换为偏置电压VR与的关系所示的测量结果图。
图4(c)为图4(a)变换为偏置电压VR与的关系所示的测量结果图。
图5(a)为本发明测量的同一型号批次的PN结器件VR-Cx关系曲线的一个典型测量结果图一，该结果经过变换后符合线性缓变结的物理模型。
图5(b)为本发明测量的同一型号批次的PN结器件VR-Cx关系曲线的一个典型测量结果图二，该结果经过变换后符合线性缓变结的物理模型。
图5(c)为本发明测量的同一型号批次的PN结器件VR-Cx关系曲线的一个典型测量结果图三，该结果经过变换后符合线性缓变结的物理模型。
图6为相同型号批次的PN结器件中按照相关系数进行自动聚类的一个典型结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统，该系统包括给进机构、样品测试台2、测量模块3、锁相放大器4、计算机5。
所述给进机构的驱动器6连接计算机5，给进机构用于自动传送PN结器件到样品测试台2；所述样品测试台2连接测量模块3，样品测试台2上设有固定压片7，用于固定PN结器件的两端并和PN结器件电极之间电学接触；所述样品测试台2连接测量模块3；所述测量模块3连接锁相放大器4，所述锁相放大器4连接计算机5。
所述给进机构包括：
用于装设有待测试的PN结器件的样品卷盘1.1，
用于引导PN结器件的引导转轮1.2；
用于卷收已测试完的PN结器件的测试卷盘1.3；
所述样品卷盘1.1连接第一旋转机构；
所述测试卷盘1.3连接第二旋转机构，所述第二旋转机构通过步进电机连接驱动器6，所述驱动器6通过RS232串口或USB通信接口连接计算机5。
驱动器6主要为所述步进电机的正常工作提供足够的电流，驱动器6所执行动作的指令由计算机5产生，执行动作的指令包括旋转角度、旋转方向和旋转速度等，并通过RS232串口或USB通信等方式进行传递。
所述样品测试台2包括一个具有绝缘表面和PN结器件固定槽的底座，以及用于固定PN结器件及两端电极的一组弹性压片。
在实际工作中，PN结器件样品自动给进的工作方式是：样品卷盘1.1每转动一件样品，已测试的PN结器件样品将从弹性压片下由引导转轮1.2拉出，相应地一个新的PN结器件测试样品将被压入弹性压片下。PN结器件样品由弹性压片自动压在样品测试台2底座上的固定槽中，并保持电极接触良好。
所述测量模块3包括：
用于与样品测试台2连接的测试电路；
用于量化计算的标准电容C0；标准电容C0采用10nF容量的独石电容。
用于对PN结器件进行检测的测量回路；
提供锁相放大器4的信号通道接口和参考通道接口。
基本的接口电路包括测试器件与标准电容C0的串联回路；锁相放大器4的参考信号作为整个回路的激励信号；标准电容C0上的分压信号作为锁相放大器4的测量信号；测量信号与锁相放大器4之间采用电压跟随器作为连接缓冲模块。
所述锁相放大器4为通用或自制的电路模块，用于实现测量信号和参考信号的相关检测，即具备将淹没在噪声中的信号提取出来的功能。锁相放大器4采用SignalRecovery公司的DSP7265型双相锁相放大器
所述计算机5，如图2所示，主要能够与锁相放大器4和步进电机驱动器6进行通信，实现锁相放大器4的工作参数设置、测试器件的偏压控制、测量信号的采集等功能、以及步进电机旋转的控制等。计算机5所采集的数据能够转换为PN结器件的反向偏压-结电容关系曲线并进行实时显示、更新；对测量曲线可进行自动参数变换及拟合；可根据变换数据所拟合直线的相关系数大小来自动判断PN结器件的类型，并由其类型推算杂质浓度分布系数或杂质浓度梯度系数。进行大量样品自动测量时，还可按相关系数自动给出同一批样品的类型分布，提供少量样品手工测试无法给出的统计信息。
一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量方法，包括以下步骤：
步骤一：连接锁相放大器4模块，设置锁相放大器4的一个模拟输出端，作为待测PN结器件的反向偏置电压，设置锁相放大器4的工作参数、以及循环测试的工作参数。例如：参考信号的频率、幅度等；以及循环测试的工作参数，例如：反向偏置电压大小的变化范围、数据点数及每点的积分时间等。
步骤二：对于一个PN结器件，开始测量的工作：逐次改变偏置电压值，等待相应的积分时间，读取锁相信号通道的信号幅值；结合测量模块3中标准电容C0的值和阻抗分压的比例关系，将测量信号转换为PN结器件结电容值。
步骤三：计算机5存储偏置电压与结电容的关系数据并在界面绘制曲线；同时将结电容原始数据转换为电容平方倒数和电容三次方倒数与偏置电压之间的关系，再分别对变换的数据进行线性拟合。
步骤四：根据拟合结果得到的相关系数大小，自动判断PN结的类型，包括：突变结及线性缓变结，如归为突变结模型，则计算出PN结器件低掺杂一侧杂质浓度分布系数；如归为线性缓变结模型，则计算PN结器件的浓度梯度系数。
进行大量样品自动测量时，还能够按相关系数自动给出同一批样品的类型分布。
实施例：
下面以采用本发明的一种PN结器件的杂质浓度/浓度梯度的自动测量系统，实测一种PN结样品为例，详细介绍本发明的测量方法。
具体测量方法的步骤如下，流程如图3所示：
1：试样装载初始化：将PN结器件的样品卷盘1.1固定在旋转机构中，手工引导卷盘纸带的前几个元器件经过弹性压片并装载在测试卷盘1.3中；测试卷盘1.3的旋转并调试步进电机转角，转速等参数，以确保后续器件能较好的卡入弹性压片的下方。
2：初始化：在连接计算机5和锁相放大器4，具体连接方式可采用RS232串口或USB通信的方式；在连接成功后，设置锁相放大器4的工作参数；通常为满足测量的信噪比等要求，确保测量曲线的光滑程度，将测试信号的频率选择在30kHz以上，测试信号的幅度大小Vt为不影响实际反向偏压的工作，设定在0.1V左右。
设定反向偏压的扫描范围和点数，例如：反向偏压范围从0V-10V，数据点包含200个。在计算机5中根据偏压范围和测试点数，自动计算循环测试中每次所需的偏置电压VR；由锁相放大器4的时间常数Tc，典型值约在500ms，自动计算测量时在每个数据点的等待时间dT。所述的测试激励信号的频率、幅度和每点等待时间等参数如更换不同型PN结器件后，需重新进行调试，以确保测量曲线外形光滑且具有较好的信噪比。
3：开始循环测试，采集数据并绘图显示；按照测试逻辑，首先设定一个偏置电压VR，然后等待dT时间，接着读取测量信号Vi的幅度。对于每个幅度值，可依照串联回路阻抗分压的关系及标准电容C0的数值，等比例的转换为势垒电容Cx，其转换关系为(Vi/Vt)*C0。软件循环工作时可实时绘制出VR-Cx的关系曲线。图4(a)给出了一个VR-Cx关系曲线的典型测量结果。曲线可分别变换为偏置电压VR与和的关系，见图4(b)、图4(c)所示的测量数据。然后再分别进行线性拟合，得到斜率、相关系数等线性拟合结果。测量完成后循环更新偏置电压条件再重新进行测试。
4：曲线聚类：由于制作工艺差异，常见PN结器件模型包含突变结或线性缓变结。设VR-1/C2数据线性拟合的相关系数是R1，VR-1/C3数据线性拟合的相关系数是R2。当R1>R2时，说明VR-1/C2数据的线性拟合效果更好，应归为突变结模型，如图4(b)、图4(c)测量数据，其中4(b)的线性度明显更佳。
图5(a)、图5(b)、图5(c)给出了一个同一型号批次的PN结器件中符合突变结模型的典型测量结果。其中图5(c)的线性度更好，即R1<R2，此时VR-1/C3数据的线性拟合效果更好，应归为线性缓变结模型。
5：系数求解：
1)求解突变结模型中低掺杂一侧杂质浓度分布系数ND：根据P-N结器件的半导体耗尽层理论可知存在以下关系：势垒电容其中为约化浓度，A为结区面积。因此，即对突变结模型来说，VR与呈线性关系。由直线斜率(等于)可求出掺杂约化浓度N*。对于单边突变结模型，约化浓度N*可由低掺杂一侧浓度ND替代。此外由直线截距还可求出接触电势VD。
2)求解线性缓变结的杂质浓度梯度分布：同样由PN结器件半导体耗尽层理论，对于线性缓变结其势垒电容其中:G为杂质浓度梯度。因此，即对线性缓变结来说，VR与呈直线关系。同理，由直线斜率(等于)和截距可求出杂质浓度梯度G和VD。其中，变换数据拟合直线的方式采用标准最小二乘法进行线性拟合。
6：测量完毕后，系统自动更换下一个样品，所述系统的具体实施方式回到第2步并进行循环。
按上述方法，在自动测量后对同一型号批次的PN结器件的模型进行统计和分析，例如对变换数据的相关系数测量结果进行聚类分析，图6给出了相同批次的PN结器件中按照相关系数进行自动聚类的典型结果，此结果便于进一步对掺杂等工艺差异进行量化。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所在的任何修改、等同替换、改进等，均应该包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统，其特征在于：该系统包括给进机构、样品测试台(2)、测量模块(3)、锁相放大器(4)、计算机(5)；
所述给进机构的驱动器(6)连接计算机(5)，给进机构用于自动传送PN结器件到样品测试台(2)；所述样品测试台(2)连接测量模块(3)，样品测试台(2)上设有固定压片(7)，用于固定PN结器件的两端并和PN结器件电极之间电学接触；所述样品测试台(2)连接测量模块(3)；所述测量模块(3)连接锁相放大器(4)，所述锁相放大器(4)连接计算机(5)。
2.根据权利要求1所述一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统，其特征在于：所述给进机构包括：
用于装设有待测试的PN结器件的样品卷盘(1.1)，
用于引导PN结器件的引导转轮(1.2)；
用于卷收已测试完的PN结器件的测试卷盘(1.3)；
所述样品卷盘(1.1)连接第一旋转机构；
所述测试卷盘(1.3)连接第二旋转机构，所述第二旋转机构通过步进电机连接驱动器(6)，所述驱动器(6)通过RS232串口或USB通信接口连接计算机(5)。
3.根据权利要求1所述一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统，其特征在于：所述样品测试台(2)包括一个具有绝缘表面和PN结器件固定槽的底座，以及用于固定PN结器件及两端电极的一组弹性压片。
4.根据权利要求1所述一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统，其特征在于：所述测量模块(3)包括：
用于与样品测试台(2)连接的测试电路；
用于量化计算的标准电容C0；
用于对PN结器件进行检测的测量回路；
提供锁相放大器(4)的信号通道接口和参考通道接口；
基本的接口电路包括测试器件与标准电容C0的串联回路；锁相放大器(4)的参考信号作为整个回路的激励信号；标准电容C0上的分压信号作为锁相放大器(4)的测量信号；测量信号与锁相放大器(4)之间采用电压跟随器作为连接缓冲模块。
5.根据权利要求1所述一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量系统，其特征在于：所述计算机(5)，用于实现锁相放大器(4)的运行参数设置、PN结器件偏压控制、循环测量参数、测量信号采集、数据可视化。
6.一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量方法，其特征在于：测量模块(3)通过固定压片(7)采集的PN结器件微弱电压信号，换算为PN结器件的结电容并可实时显示出PN结器件偏置电压-结电容的关系曲线；进一步对曲线可进行自动参数变换及拟合；并根据所拟合直线结果的相关系数大小来判断PN结的类型；由其类型对应的物理模型换算PN结器件的杂质浓度分布系数或浓度梯度系数。
7.根据权利要求6所述一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：设置锁相放大器(4)的一个模拟输出端，作为待测PN结器件的反向偏置电压，设置锁相放大器(4)的工作参数、以及循环测试的工作参数；
步骤二：对于一个PN结器件，开始测量的工作：逐次改变偏置电压值，等待相应的积分时间，读取锁相信号通道的信号幅值；结合测量模块(3)中标准电容C0的值和阻抗分压的比例关系，将测量信号转换为PN结器件结电容值；
步骤三：计算机(5)存储偏置电压与结电容的关系数据并在界面绘制曲线；同时将结电容原始数据转换为电容平方倒数和电容三次方倒数与偏置电压之间的关系，再分别对变换的数据进行线性拟合；
步骤四：根据拟合结果得到的相关系数大小，自动判断PN结的类型，包括：突变结及线性缓变结，如归为突变结模型，则计算出PN结器件低掺杂一侧杂质浓度分布系数；如归为线性缓变结模型，则计算PN结器件的浓度梯度系数。
8.根据权利要求6所述一种PN结器件杂质浓度/浓度梯度自动测量方法，其特征在于：进行大量样品自动测量时，还能够按相关系数自动给出同一批样品的类型分布。
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