SU1061591A1 - Устройство дл измерени профил легирующей примеси в полупроводниковых структурах - Google Patents

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ, содержащее шины дл  подключени  исследуемой стркутуры, одна из которых присоединена к источнику обратного смещени , а друга  через параллельный колебательный контур к общей шине и ко входам фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилител , детектора и дифференциального усилител , второй вход которого соединен с источником опорного напр .жени , фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилител , детектора и фазовоцо детектора, выход фильтра первой гармоники соединен с управл ющим входом генератора гармонического сигнала, выполненного в виде кварцевого генератора и посл,е,довательно соединенных фильтра нижних частот и регулируемого усилите ,.л , регулирующий вход которого  вл :етс  управл ющим входом генератора гармонического сигнала, выход фильтра второй гармоники соединен с управл ющим входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножител  частоты, вход которого соединен с первьм выходом кварцевого генератора и регулируемого усилител , регулирующий вход которого  вл етс  управл ющим входом источника второ.й гармоники, выход регулируемого усилител  генератора гармонического сигнала и выход фильтра нижних частот источника второй гар; МОНИКИ подключены соответственно ко входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала, отличающеес  тем, что,,с целью повьшени  надежности и быстродействи , в него введены два электронных ключа управлени , причем первый ключ включён между выходом умножител  частоты и входом регулируемого усилител  источника второй гармоники, второй ключ вклюсд чен между вторым выходом кварцевого :О генератора и входом регулируемого усилител  генератора гармонического сигнала, а управл ющие входы ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управлени , подключенного третьим выходом к второму входу фазового детектора фильтра второй гармоники, а входы селективны х вольтметров первой и второй гармоник соедине. ;ме кду собой и присоединены к источнику обратного смещени .

Description

Изобретение относитс  к электронной промьшшенности, предназначено дл  измерени  профил  распределени  легирующей примеси в полупроводниковых структурах с помощью резкого диффузионного р-п-перехода или барьера Шоттки и может быть применено при разработке и производстве полупроводниковых приборов различных типов.- . Известно, устройстве дл  измерени  профил  легировани  в полупроводни;ковых структурах, в которых на одной из поверхностей структуры формируетс  диод с барьером Шоттки и измер ,ютс  напр жени  первой и второй гармоник на диоде при условии посто нст ва тока первой гармоники через диод, содержащее источник обратного смещени  и генератор гармонических колебаний , соединенные с исследуемой структурой, к которой подключены селективные вольтметры первой и второй гармоник сигнала генератора. Амплитуда второй гармоники здесь мен етс  обратно пропорционально концентрации легирующей примеси на глубине, определ емой величиной обратного смещени , подаваемого на диод, а амплитуда первой гармоники пр мо пропорциональна хлубине. Недостатками этого устройства  вл ютс  трудность поддержани  посто нства тока через структуру при изменении напр жени  смещени  (глубины ) и трудность вьщелени  второй гармоники на фоне первой, что в конечном счете приводит к низкой точ; ности измерений. Известно также устройство, содержащее источник обратного смещени управл емый генератор гармонических колебаний, параллельный колебательный контур, настроенный на вторую гармонику колебаний генератора, селективные вольтметры первой и вто рой гармоник и фильтр первой гармоники . .Испытуема  структура включена между выходом источника обратного смещени  и параллельным колебательным контуром, соединенным через фильтр первой гармоники с регулирую щим входом управл емого генератора гармонических колебаний, регулируемый выход которого подключен к селе тивному вольтметру первой гармоники Недостатком этого устройства  вл -, етс  ограниченный диапазон и низка  точность измерений концентрации и глубины. Св зано это с тем, что напр жение второй гармоники измер етс  не на диоде, а на контуре. Очевидно , что точность измерений будет тем выше, чем больше резонансное сопротивление контура. Только в этом случае падением напр жений на диоде можно пренебречь и считать, что напр жение второй гармоники, возникающее на диоде и обратно пропорциональное концентрации примеси, в точности равно измер емому. Наиболее близким техническим решением к изобретению  вл етс  устройство дл  измерени  профил  легирующей примеси в полупроводниковых структурах, содержащее шины дл  подключени  исследуемой структуры, к одной из которых присоединен источник обратного смещени , а к другой - параллельный колебательный контур и входы фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники вьшолнен в виде последова- . тельно включенных селективного усилител , детектора и дифференциального усилител , второй вход которого соединен с источником опорного напр жени , фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селек ивного усилител , детектора и фазового детектора, выход фильтра первой гармоники соединен с управл ющим входом генератора гармонического сигнала, эьтолненного в виде кварцевого генератора и последовательно соединенных фильтра нижних частот и регулируемого, усилител ,. регулирующий вход которого  вл етс  управл ющим входом генератора гармонического сигнала, выкод фильтра второй гармоники соединен с управл ющим -входом источника второй гармоники , выполненного в виде умножител  частоты, вход которого соединен с первым выходом кварцевого генератора и регулируемого усилител , регулирующий вход которого  вл етс  управл ющим входом источника второй гармоники, выходы регулируемого усилител  генератора гармонического сигнала и фильтра нижних частот источника второй гармоники подключены соответственно к входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала . Кроме того, устройство содержит коммутатор, включенный между выходами генератора гармонических колебаний и источника второй гармоники, и первой шиной дл  подключени  исследуемой структуры.

Недостатком этого устройства  вл етс  низкое быстродействие и малый срок службы. Это св зано с тем, что коммутатор в указанном устройстве должен быть выполнен на электро механических элементах (реле). Построение коммутатора на электронных элементах совершенно недопустимо. Св зано это с тем, что р-п-переход, контакт металл-полупроводник или металл-диэлектрик-полупроводник ,  вл ющиес  основой любого электронного ключа, могут стать дополнительным источником второй гармоники из-за нелинейной зависимости емкости или сопротивлени  контакта от напр жени  на нем. Именно этот факт, как будет сказано ниже, лежит в основе используемого гармонического метода определени  профил  легировани , где величина концентрации примеси оцениваетс  по уровню второй гармоники , возникающей в измерительной цепи при подаче на нее напр жени  основной гармоники. Дл  случа , когда коммутатор вьтолн етс  на электронных элементах (например, ,ВДП-транзисторах), измерительна  цепь будет представл ть собой последовательно соединенные контакт металл-диэлектрик-полупроводник коммутатора, исследуемый образец и параллельньй колебательный контур. Если учесть то, что в качестве исследуемого образца может выступат такой же контакт металл-диэлектрик- полупроводник, то становитс  очевидным , что полезную информацию, т.е. вторую гармонику, возникающую в исследуемом контакте, нельз  выделить на фоне второй гармоники, возникающей в измерительной цепи как из-за наличи  исследуемого контакта , так и контакта коммутатора. Следовательно, в измерительной цепи не может присутствовать ни один нег линейный элементi кроме исследуемог а построение коммутатора на электроных элементах с целью повышени  быстродействи  и надежности всего

устройства в целом не представл етс  возможным.

Таким образом, быстродействие .рассматриваемого устройства опреде-

л етс  максимальной частотой переключени  электромагнитных реле, котора  в лучшем случае может быть 100 Гц, а быстродействие, следовательно , не может быть лучше, чем

Если прин ть, что максимальное число коммутаций составл ет 10 , то при частоте переключе- . ни  100 Гц срок службы реле, а следовательно , всего устройства составит не более 3ч.

5

Целью изобретени   вл етс  увеличение надежности и быстродействи  устройства.

ЦелЬ достигаетс  тем, что в устQ ройство, содержащее шины дл  подключени  исследуемой структуры, к одной из которых присоединен источник обратного смещени , а к другой параллельный колебательный контур

5 и входы фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилител , детектора и дифференциального усилител , второй вход которо0 го соединен с источником опорного напр жени , фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилител , .детектора и фазового детектора, вы5 ход фильтра первой гармоники соединен с управл ющим входом генератора гармонического сигнала, вьшолненного в виде кварцевого генератора и последовательно соединенных фильтра

0 нижних частот и регулируемого усилител , регулирующий вход которого  вл етс  управл ющим входом генератора гармонического сигнала, выход фильтра второй гармоники сое5 динен с управл ющим входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножител  частоты, вход которого соединен с первым выходом кварцевого генератора, и регулируе0 мого усилител , регулирующий вход которого  вл етс  управл ющим входом источника второй гармоники, выходы регулируемого усилител  генератора гармонического сигнала и

5 фильтра нижних частот источника второй гармоники подключены соответственно к входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала, введены два электронных ключа и блок управлени , причем первый ключ включен между выходом умножител  частоты и входом регулируемого усилител  источника второй гармоники, второй ключ включен между вторым выходом кварцевого генератора и входом регулируемого усилител  генератора гармонического сигнала, их управл ющие входы соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управлени , подключенного третьим выходом к второму входу фазового детектора фильтра второй гармоники, а входы селективных вольт метров первой и второй гармоник соединены между собой и присоединены к источнику обратного смещени .

На чертеже приведена функциональна  схема предложенного устройства.

Устройство содержит управл емый генератор 1 гармонического сигнала частоты 0) , исследуемую структуру 2, параллельный колебательный контур 3, настроенный на частоту второй гармоНИКИ 2(д), источник 4 обратного смещени , селективные вольтметры 5 и 6 первой и второй гармоник соответственно , фильтр 7 первой гармоники, управл емый источник 8 второй гармо . , фильтр 9 второй гармоники, кварцевый генератор 10, регулируемый усилитель 11, фильтр 12 нижних частот, селективный усилитель 13 первой гармоники, детектор 14, дифференциальный усилитель 15, селективный усилитель 16 второй гармоники , детектор 17, фазовый детектор 18 умножитель 19 частоты, регулируемый усилитель 20, электронные ключи 21   22 к блок 23 управлени .

Управл емый генератор 1 гармонических колебаний состоит из последовательно включенных кварцевого генератора 10, электронного ключа 22, регулируемого усилител  11 и фильтг ра 12 нижних частот, выход которого со.единен с выходом управл емого источника 8 второй гармоники, состо щего из последовательно включенных умножител  19 частоты, электронного ключа 21 и регулируемого усилител  ,20, причем 5ЫХОД кварцевого генератора 10 присоединен к входу умножител  19. Выходы блоков 1 и 8 соедииены также с выходами источника 4 обратного смещени , селективных вольтметров 5 и 6 и присоединены к

одной из шин дл  подключени  исследуемой структуры 2, друга  шина которой соединена с параллельным колебательным контуром 3 и входами фильтров 7 и 9 первой и второй гармоник соответственно. Фильтр 7 состоит из последовательно включенных селективного усилител  13, детектора 14 и дифференциального усилител  15, подключенного одним из своих входов к источнику опорного напр жени  V, Фильтр 9 в свою очередь состоит из последовательно соединенных селективного усилител  16, детектора 17 и фазового детектора 18, опорный вход которого подключен к выходу блока 23 управлени , два других выхода которого соединены с электронными ключами 21 и 22. Выходы фильтров 7 и 9 соединены с управл ющими входами регулируемых усилителей 11 и 20 соответственно.

Устройство работает следующим образом .

С кварцевого генератора 10 управл емого генератора 1 колебани  частоты (и через электронный ключ 22 (если он открыт) поступают на регулируемый усилитель 11 и далее на фильтр нижних частот 12, необходимый дл  подавлени  второй и высших гармоник основной частоты И , которые имеютс  на выходе генератора 10 и, кроме того, возникают в электронном ключе 22 и регулируемом усилителе 11 работающем в нелинейном режиме. С выхода фильтра 12 синусоидальные колебани  частоты и подаютс  на измерительную цепь, представл ющую собой последовательное соединение исследуемой структуры 2 и колебательного контура 3, имеющего резонанс на частоте 2(0. Сюда же поступает напр жение обратного смещени  от источника 4.

Под действием протекающего через структуру 2 гармонического тока частоты со из-за нелинейных свойств барьерной емкости по вл етс  ток второй гармоники. Оба тока создают на контуре 3 падени  напр жений первой и гармоник соответственно . Напр жение нервой гармоники вьщел етс  с помощью фильтра первой гармоники 7, представл ющего собой селективный усилитель первой гармоники 13, детектор 14 и дифференцитальный усилитель 15, выполн ющий функции усилител  ошибки. На второй вход усилител  15 подаетс  опорное напр жение U, с которым сравниваетс  напр жение первой гармоники на контуре, усиленное усилителем 13 и продетектированное детектором 14. Напр жение с выхода усилител  15 подаетс  на регулирзпощий вход усилител  11 с тем расчетом, что при изменени х барьерной емкости структуры 2 остаетс  посто нным падение напр жени  первой гармоники на колебательном контуре 3. Это одновременно означает посто нство тока через исследуемую структуру 2. Тогда напр  жение на выходе генератора 1 целиком определ етс  величиной барьерной емкости, а именно, пр мо пропорционально ширине обедненной области р-п-перехода или барьера Шоттки, т.е. глубине, на которой измер етс  концентраци  примеси. Выходное напр жение генератора 1, соответствзпощее этой глубине, измер етс  селективным вольтметром 5. Измерение величины напр жени  второй гармоники, возникающей в р-д-переходе или барьере Шоттки, котора  при посто нной величине тока первой гармоники обратно пропорциональна концентрации примеси, производитс  методом замещени . Дл  этого напр жение второй гармоники вьщел етс  с помощью фильтра второй гармоники 9, где оно усиливаетс  селективным усилителем второй гармоники 16 и детектируетс  с помощью детектора 17, выходное напр жение которого запоминаетс  (фиксируетс ). Затем ключ 22 закрываетс , а ключ 21 открываетс  и на ту же измерительную цепь при тех же самых услови х подаетс  напр жение второй гармоники с. управл емого источника второй гарМОНИКИ 8 такой величины, чтобы напр - .жение на выходу, детектора 17 было бы

тем же самым, что и ранее, когда клю 21 был закрыт, а ключ 22 открыт. Это означает, что падение напр жени  на колебательном контуре в первом и втором случае одинаково, а напр жение на выходе управл емого источника 8 в -точности равно напр жению второй гармоники, возникающему в исследуемом р-п-переходе или барьере Шоттки при протекании через него тока первой гармоники, поскольку и то, и другое создают нч

Надежность предложенного устройства значительно больше, чем известного, благодар  введению электронных ключей, которые включены в ту часть, где их нелинейность не вли ет на работу схемы. Одновременно может быть значительно повышено быстродействие устройства, которое в данном случае св зано с рабоей частотой генератора гармонических колебаний-и может составл ть 0,01-0,1 ее величины. контуре падение напр жени  второй гармоники одинаковой величины. Напр жение на выходе источника 8 измер етс  селективным вольтметром 6. Регулируемый источник второй гармоники 8 представл ет собой умножитель частоты 19, где частота исходных колебаний кварцевого генератора 10 удваиваетс , и регулируемый усилитель 20. На его регулирующий вход с выхода фильтра 9 подаетс  напр жение так, чтобы свести к нулю разницу между падением напр жени  второй гармоники, возникающим на контуре при прохождении через структуру 2 тока основной частоты, и падением напр жени  второй гармоники при подаче на измерительную цепь напр жени  второй гармоники с регулируемого источника второй гармоники 8, т.е. когда электронный ключ 22 открыт, а ключ 21 закрыт и наоборот. Включение и выключение электронных ключей 21 и 22 осуществл етс  поочередно с помощью двзгх противофазных напр жений, вырабатываемых блоком управлени  23. Фазовый детектор 18 в фильтре 9 служит дл  обеспечени  устойчивой работы системы автоматического регулировани  второй гармоники и выполн ет функции фазового различител  и пикового детектора. В качестве опорного напр жени  дл  фазового детектора используетс  одно из напр жений, вырабатываемых блоком управлени  23. Таким образом, напр жение, измеренное вольтметром 5, пр мо пропорционально глубине, а напр жение, измеренное вольтметром 6, обратно пропорционально концентрации при любой величине резонансного сопротивлени  контура (добротности) и любой величине барьерной емкости исследуемой структуры 2.

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ, содержащее шины для подключения исследуемой стркутуры, одна из которых присоединена к источнику обратного смещения, а другая через параллельный колебательный контур к общей шине и ко входам фильтров первой и второй гармоник сигнала, фильтр первой гармоники выполнен в виде последовательно’ включенных селективного усилителя, детектора и дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, фильтр второй гармоники выполнен в виде последовательно включенных селективного усилителя, детектора и фазового детектора, выход фильтра первой гармоники соединен с управляющим входом генератора гармонического сигнала, выполненного в виде кварцевого генератора и последовательно соединенных фильтра ниж них частот и регулируемого усилителя, регулирующий вход которого является управляющим входом генератора гармонического сигнала, выход фильтра второй гармоники соединен с управляющим входом источника второй гармоники, выполненного в виде умножителя частоты, вход которого соединен с первьм выходом кварцевого генератора и регулируемого усилителя, регулирующий вход которого является управляющим входом источника второ.й гармоники, выход регули- руемого усилителя генератора гармонического сигнала и выход фильтра β нижних частот источника второй гар; моники подключены соответственно ко : входам селективных вольтметров первой и второй гармоник сигнала, отличающееся тем, что, с целью повь&пения надежности и С быстродействия, в него введены два электронных ключа и .блок управления, причем первый ключ включён между выходом умножителя частоты и входом регулируемого усилителя источника второй гармоники, второй ключ включен между вторым выходом кварцевого генератора и входом регулируемого усилителя генератора гармонического сигнала, а управляющие входы ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, подключенного третьим выходом к второму входу фазового детектора фильтра второй гармоники, а входы селективных вольтметров первой и второй гармоник соединены (между собой и присоединены к источнику обратно го смещения.