DD278041A3 - Anordnung zur Messung kleinster Kapazitätsänderungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung, mit der kleinste Aenderungen einer Kapzitaet gemessen werden koennen. Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Kapazitaetsspektroskopie tiefer Stoerstellen in Halbleitern (DLTS-Methode), bei der kleine Kapazitaetsaenderungen in Halbleiterproben nach dem Anlegen steilflankiger Vorspannungsimpulse Aufschluss ueber Verunreinigungen im Material geben. Die Anordnung zeichnet sich gegenueber bisherigen hochempfindlichen Anordnungen durch die Moeglichkeit des elektronischen Brueckenabgleichs und durch eine kurze Relaxationszeit nach Vorspannungsimpulsen aus, wodurch eine Erweiterung der Messmoeglichkeiten, Verkuerzung des Messvorganges und Verringerung des Bedienungsaufwandes erreicht wird. Das Messobjekt 3 ist dabei Teil eines LC-Parallelresonanzkreises, wobei erfindungsgemaess am Anschluss des HF-Signalgenerators 1 ein mindestens dreifach-Balun-Uebertrager 2 mit zusammengeschalteten Primaer- und getrennten Sekundaerwicklungen liegt, wobei die erste Sekundaerwicklung mit dem Messobjekt 3, die zweite Sekundaerwicklung mit der Kapazitaetsdiode 5 und die dritte Sekundaerwicklung mit der Kreisinduktivitaet 7 verbunden ist, und die jeweils anderen Anschluesse der Sekundaerwicklungen HF-maessig auf Masse gelegt sind. Figur.

Description

Da die parallel zur Probe liegende Induktivität gleichstrommäßig durch einen Kondensator abgeblockt werden muß, entsteht dadurch ein parasitärer Serien-Resonanzkreis hoher Güte, der von den Vorspannungsimpulsen mit angeregt wird. Da sich dieser Kreis nicht wie der eigentliche Probenkreis durch temporären Kurzschluß am Vorverstärker-Eingang bedampfen läßt, führt dieser Effekt zu einem störenden Signal am Brückenausgang nach dem Anlegen von Vorspannungsimpulsen. Ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit der Realisierung einer elektronischen Brückenabstimmung. Elektronisch regelbare Induktivitäten hoher Güte sind im MHz-Bereich nur schwer realisierbar. Die in der DD-PS 202764 vorgeschlagene Brückenabst'mmung über die Vorspannung der Probe hat nur eine begrenzte Einsatzfähigkeit, da man im allgemeinen die Brücke auch unabhängig von der Probenvorspannung abstimmen will. Die eigentlich naheliegende elektronische Abstimmung durch eine der Probe HF-mäßig parallelgeschaltete Kapazitätsdiode ist ebenfalls nicht uneingeschränkt realisierbar, da Vorspannungsimpulse an der Probe hier auch stets mit ander Kapazitätsdiode liegen würden. Dabei läßt es sich nicht prinzipiell vermeiden, daß während des Impulses Strom über die Kapazitätsdiode fließt, wodurch sich nach dem Impuls deren Vorspannung und damit auch der Brückenabgleich unkontrolliert ändern kann.

Ziel dor Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine hochempfindliche Anordnung zur Messung kleinster Kapazitätsänderungen von Proben anzugeben, die mit steilflankigen Vorspannungsimpulsen beaufschlagt werden, die im Vergleich zu bekannten Anordnungen eine Erweiterung der Meßmöglichkeiten und eine Verkürzung des Meßvorgange j erlaubt sowie einen geringeren Bauelemente- und Bedienungsaufwand erfordert.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bewährte Parallelresonanz-Brückenanordnung zu einer Anordnung weiterzuentwickeln, die sich durch kurze Relaxationszeit nach Anlegen steilflankiger Vorspannungsimpulse an die Probe (Meßobjekt) und durch die Möglichkeit des elektronischen Abgleiche unabhängig von der Probenvorspannung auszeichnet. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Messung kleinster Kapazitätsänderungen, vorzugsweise für den Einsatz in der Kapazitätsspektroskopie von Halbleitern, bei der das mit einer Vorspannung beaufschlagte Meßobjekt, eine Kapazitätsdiode und eine Kreisinduktivität einseitig miteinander verbundene Elemente eines auf die Meßfrequenz abgestimmten Resonanzkreises zwischen dem Anschluß des HF-Signalgenerators und dem Eingang des HF-Vorverstärkers sind, dessen Wirkwiderstand durch eine zur Speisespannung des Resonanzkreises entgegengesetzt gepolte steuerbare HF-Stromquelle kompensiert wird; und bei der die Eingangskapazität des Vorverstärkers und Streukapazitäten gegen Masse mit einer zweiten Induktivität zwischen Eingang des VorverstärKers und Masse kompensiert sind gelöst, wobei erfindungsgemäß am Anschluß des HF-Signalgenerators 1 ein mindestens Dreifach-Balun-Übertrager 2 mit zusammengeschalteten Primär- und getrennten Sekundärwicklungen liegt, wobei die erste Sekundärwicklung mit dem Meßobjekt 3, die zweite Sekundärwicklung mit der Kapazitätsdiode 5 und die dritte Sekundärwicklung mit der Kreisinduktivität 7 verbunden ist, und die jeweils anderen Anschlüsse der Sekundärwicklungen HF-mäßig auf Masse gelegt sind.

Mit Vorteil stellt eine vierte Sekundärwicklung, die in zu den übrigen Wicklungen entgegengesetzter Polung mit einem Anschluß an Masse liegt und mit dem zweiten über einen elektronisch steuerbaren Widerstand 8 mit dem Eingang des HF-Vorverstärkers 9 verbunden ist, die steuerbare HF-Stromquelle dar. Zur Erzielung des gewünschten Effektes ist es nötig, daß die Spannungen für das Meßobjekt und die Kapazitätsdiode niederohmig an die entsorechenden Anschlüsse gelegt sind, so daß HF-mäßig dort ein Kurzschluß gegen Masse realisiert ist. Nur dann können die Sekundäranschlüsse mit den Elementen des Probenkreises HF-mäßig als miteinander kurzgeschlossen angesehen werden und die Anordnung ist HF-mäßig der bekannten Parallelresonanz-Anordnung äquivalent. Durch die Möglichkeit der getrennten Zuführung der Vorspannung für das Meßobjekt und die Kapazitätsdiode und durch den Wegfall des Abblockkondensators an der Kreisinduktivität treten jedoch dieser gegenüber keine Nachteile mehr beim Anlegen steilflankiger Vorspannungsimpulse an das Meßobjekt auf, wenn in bekannter Weise während und eine gewisse Zeit nach dem Impuls der Eingang des HF-Vorverstärkers elektronisch kurzgeschlossen wird. Die Notwendigkeit der Kompensation des Verlustanteils ergibt sich aus der Forderung naoh hoher Empfindlichkeit der Anordnung, die eine hohe Verstärkung des HF-Vorverstärkers zur Voraussetzung hat, mit der dieser übersteuerungsgefährdet ist. Durch die getrennte Kompensation von Grundkapazität und Verlustantci! läßt sich - zumindest für die Meßfrequenz - die HF-Spannung am Eingang des HF-Vorverstärkers auch bei größerer Meßobjektkapazität exakt auf Null abgleichen.

Ausführungsbeispiel

In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Anordnung in einer zweckmäßigen Ausführung dargestellt. Der Vierfach-Balun-Übertrager 2 ist mit parallelgeschalteten, mit dem HF-Signalgenerator 1 verbundenen Primärwicklungen und getrennten Sekundärwicklungen ausgeführt. Die Vorspannung für das Meßobjekt 3 wird über einen Impedanzwandler 4 zugeführt, der ausgangsseitig den erforderlichen HF-Kurzschluß realisiert. Da an die Kapazitätsdiode 5 keine steilflankigen Impulse gelegt wsrden müssen, ist dort der HF-Kurzschluß durch einen Kondensator 6 realisiert. Der entsprechende Anschluß für die Kreisinriuktivität 7 liegt direkt an Masse. Die Sekundärwicklung zur Kompensation des Verlustanteiles ist so beschaltet, daß über einen f lektronisch steuerbaren Widerstand 8 ein 180° phasenverschobener HF-Strom parallel zum Meßobjekt dam Eingang des HF-Vorverstärkers 9 zugeführt wird. Dessen Eingangskapazität und Streukapazitäten gegen Masse werden von einer zweiten Induktivität 10 kompensiert. Um eine kurze Relaxationszeit nach Vorspannungsimpulsen zu erreichen, ist in bekannter Weise ein elektronischer Schalter 11 vorgesehen, der während und eine gewisse Zeit nach dem Impuls den Eingang des HF-Vorverstärkers 9 kurzschließt. Das HF-Ausgangssignal Ua des Vorverstärkers 9 ist dann in üblicher Weise mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter verbunden, der das der Kapazitätsänderung des Meßobjekts 3 proportionale Signal liefert.

Claims (2)

1. Anordnung zur Messung kleinster Kapazitätsänderungen, vorzugsweise für den Einsatz in der Kapazitätsspektroskopie von Halbleitern, bei der das mit einer Vorspannung beaufschlagte Meßobjekt, eine Kapazitätsdiode und eine Kreisinduktivität einseitig miteinander verbundene Elemente eines auf die Meßfrequenz abgestimmten Resonanzkreises zwischen dem Anschluß des HF-Signalgenerators und dem Eingang des HF-Vorverstärkers sind, dessen Wirkwiderstand durch eine zur Speisespannung des Resonanzkreises entgegengesetzt gepolte steuerbare HF-Stromquelle kompensiert wird, und bei der die Eingangskapazität des Vorverstärkers und Streukapazitäten gegen Masse mit eher zweiten Induktivität zwischen Eingang des Vorverstärkers und Masse kompensiert sind, gekennzeichnet dadurch, daß am Anschluß des HF-Signalgenerators (1) ein mindestens Dreifach-Balun-Übertrager (2) mit zusammengeschalteten Primär- und getrennten Sekundärwicklungen liegt, wobei die erste Sekundärwicklung mit dem Meßobjekt (3), die zweite Sekundärwicklung mit der Kapazitätsdiode (5) und die dritte Sekundärwicklung mit der Kreisinduktivität (7) verbunden ist, und die jeweils anderen Anschlüsse der Sekundärwicklungen HF-mäßig auf Masse gelegt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine vierte Sekundärwicklung, die in zu den übrigen Wicklungen entgegengesetzter Polung mit einem Anschluß an Masse liegt und mit dem zweiten über einen elektronisch steuerbaren Widerstand (8) mit dem Eingang des HF-Vorverstärkers (9) verbunden ist, die steuerbare HF-Stromquelle darstellt.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung, mit der kleinste Änderungen einer Kapazität gemessen werden können. Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Kapazitätsspektroskopie tiefer Störstellen in Halbleitern (DLTS-Methode), bei der kleine Kapazitätsänderungen in Halbleiterproben nach dem Anlegen steilflankiger Vorspannungsimpulse Aufschluß über Verunreinigungen im Material geben. Sie kann vorteilhaft bei der örtlich auflösenden Raster-Kapazitätsspektroskopie (Scanning-DLTS) und bei der Untersuchung von Störstellen in besonders niedrigen Konzentrationen bzw. in sehr kleinen Probenstrukturen eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Umwandlung einer Kapazitätsänderung in ein Spannungssignal können entweder mit einem HF-Signul fester Frequenz gespeiste Meßbrücken verwendet werden, oder die Probe ist Teil einer Oszillatorschaltuiig, deren Ausgangssignal einem Frequenzdiskriminator zugeführt wird. Eine derartige FM-Anordnung wurde z. B. in der DD-PS 200267 beschrieben. Sie hat bei guter Empfindlichkeit insbesondere den Vorteil einer leichten automatischen Abstimmung der Probenkapazität. Sie ist jedoch zur Untersuchung sehr kleiner Kapazitäten nur bedingt geeignet, da sich bei ihr sämtliche Streukapazitäten gegen Masse zur Probenkapazität addieren. Üblicherweise wird jedoch für diese Meßaufgabe, die z. B. bei der Kapazitätsspektroskopie tiefer Störstellen in Halbleitern (DLTS) auftritt, eine mit einem HF-Signal gespeiste zweiarmige Meßbrücke verwandt, wobei der eine Zweig die Probe darstellt und der andere Zweig eine einstellbare Impedanz in der Größenordnung der Probenimpedanz ist. Da beide Zweige um 180' phasenverschoben gespeist weiden, liegt am Kreuzungspunkt im abgeglichenen Zustand keine HF-Spannung an. Kleine Kapazitätsänderungen der Probe führen dort zu einer HF-Spannung, die nach Verstärkung und phasenempfindlicher Gbichrichtung das gewünschte Ausgangssignal darstellt (D.V.Lang, J. Appl. Phys. 45,3023 [1974]). Zur Verringerung der Relaxationszeit nach einem Vorspannungsimpuls ist es nach der DD-PS 226420 für solch eine Anordnung bekannt, den Eingang des Vorverstärkers während und eine gewisse Zeit nach dem Impuls durch einen FET-Schalter kurzzuschließen. Diese Anordnung ist bezüglich der Empfindlichkeit jedoch nicht optimal, da die Probe selbst die Lastimpedanz für die Kapazitätsänderung darstellt, wodurch das HF-Signal am Vorverstärkereingang relativ klein bleibt. Eine gewisse Verbesserung bringt ein Serien-Resonanzkreis zwischen dem Brückenmittelpunkt und Masse, an dessen hochohmigen Punkt der Vorverstärker angeschlossen ist, wie dies z. B. bei kommerziellen C-Meßbrücken für Halbleiteruntersuchungen angewandt wird (Firmenprospekt der C-Meßbrücke Boonton model 72 B). Der Haupteffekt dieser Maßnahme ist jedoch eine Verbesserung der Linearität der Anordnung über einen weiten Kapazitätsbereich.

Die höchsten Empfindlichkeiten wurden bisher von LC-Brücken erreicht, bei denen die Probenimpedanz Teil eines Parallel-Resonanzkreises ist, an den der Vorverstärker rauschangepaßt angekoppelt ist. Solch eine Lösung, die mit einer Kompensationskapazität und einem HF-Transformator zur 180°-Phasendrehung des Kompensationsstromes arbeitet, wird von Misrachi und Mitarbeitern beschrieben (J. Phys. E13,1055 (198O]). Sie hat jedoch den Nachteil, daß die Probenkapazität an zwei Stellen, an der Kompensationskapazität und der Kreisinduktivität, abgeglichen werden muß. Eine verbesserte Version, die mit einer Kompensationsinduktivität durch die Realisierung eines Systems zweier gekoppelter Parallelschwingkreise arbeitet, ist in der DD-PS 202764 dargelegt. Diese Lösung hat jedoch Nachteile, wenn steilflankige Vorspannungsimpulse an die Probe gelegt werden sollen und Wert auf eine kurze Relaxationszeit der Anordnung gelegt wird, wie das bei der DLTS-Technik gefordert wird.