способ определения концентрации носителей заряда в полупроводниках и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации носителей заряда в полупроводниках, заключающийся в том, что через полупроводниковый образец с электрическим выпрямляющим переходом пропускают высокочастотный ток, подают на образец прямое и обратное напряжение смещения, измеряют амплитуды напряжения первой гармоники тестирующего сигнала, пропорциональной глубине области обеднения, замыкают накоротко переход по току второй гармоники, формируемой нелинейностью характеристики перехода при постоянной амплитуде тока первой гармоники, компенсируют положительным смещением, поданным на переход, влияние контактной разности потенциалов, определяют концентрацию носителей заряда на глубине области обеднения из произведения амплитуды тока второй гармоники и напряжения первой гармоники, обратно пропорционального концентрации носителей заряда на глубине области обеднения, отличающийся тем, что производят обнаружение полупроводниковых нанообъектов путем сканирования в зондовом микроскопе, в качестве которого выступает атомно-силовой микроскоп, затем формируют барьерный контакт к исследуемому нанообъекту зондом.

2. Устройство для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках, содержащее средства для формирования и регистрации параметров тока двух гармоник, отличающееся тем, что в устройство введен сканирующий зондовый микроскоп, в качестве которого выступает атомно-силовой микроскоп, с возможностью изменения температуры исследуемого образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля параметров полупроводников и полупроводниковых нанообъектов и может быть использовано для локального определения концентрации свободных носителей заряда в отдельно взятых полупроводниковых нанообъектах и наноструктурах, а также для контроля качества материалов, применяемых в полупроводниковом приборостроении.

Известен способ определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках [1] и устройство [2] для его осуществления, заключающиеся в том, что в полупроводнике создают барьерный контакт ртутным зондом, либо p⁺-n - переход, пропускают высокочастотный ток через переход, смещенный в обратном направлении, измеряют амплитуду напряжения первой гармоники тестирующего сигнала, пропорциональную глубине области обеднения, замыкают накоротко переход по току второй гармоники, формируемой нелинейностью характеристики перехода при постоянной амплитуде тока первой гармоники, получают информацию о концентрации носителей заряда на глубине области обеднения из произведения амплитуды тока второй гармоники и напряжения первой гармоники, обратно пропорционального концентрации носителей заряда n(x) на глубине области обеднения x.

Недостатком этого способа является ограничение минимальной глубины, на которой можно измерять концентрацию, размером области обеднения, обусловленной контактной разностью потенциалов. Вторым недостатком является влияние второй гармоники, которая появляется при детектировании сигналов первой гармоники, на точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является взятый за прототип способ и устройство, построенное на основе метода двух гармоник [3], заключающиеся в том, что в полупроводнике создают барьерный контакт ртутным зондом, либо p⁺-n - переход, пропускают высокочастотный ток через переход, смещенный как в обратном, так и в прямом направлении, измеряют амплитуду напряжения первой гармоники тестирующего сигнала, пропорциональную глубине области обеднения, замыкают накоротко переход по току второй гармоники, формируемой нелинейностью характеристики перехода при постоянной амплитуде тока первой гармоники, компенсируют положительным смещением, поданным на переход, влияние контактной разности потенциала, вводят блоки преобразования частоты и следящую обратную связь, детектируют и усиливают сигналы на промежуточной частоте, получают информацию о концентрации носителей заряда на глубине области обеднения из произведения амплитуды тока второй гармоники и напряжения первой гармоники, обратно пропорционального концентрации носителей заряда на глубине области обеднения.

Недостатки этого способа и устройства.

В устройстве используется барьерный контакт, размеры которого, как правило, превышают 100 мкм, это не позволяет создать контакт к нанообъектам, имеющим размеры порядка десятков-сотен нм. Способ не позволяет обнаружить нанообъект в структуре и не применим для исследования отдельно взятых наноструктур, имеющих размеры порядка 0,1-100 нм.

Прототипом ячейки устройства может служить криостат фирмы JANIS, в котором используется иглоподобные зонды из вольфрама с радиусом закругления 0,1-200 мкм, трехмерное пространственное разрешение для модели "Model CCR4-MMP5K Closed Refrigerater Probe Station" составляет не менее 5 мкм [4], что не применимо для исследования отдельно взятых нанообъектов, имеющих размеры порядка 0,1-100 нм, так как такие ячейки устройства не позволяют создать барьерный контакт к отдельно взятому полупроводниковому нанообъекту. Техническим результатом предложенного способа и устройства является осуществление возможности определения концентрации носителей заряда в отдельных нанообъектах и в квантовых наноструктурах пониженной размерности.

Указанный результат достигается тем, что по способу определения концентрации носителей заряда в полупроводниках и устройству для его осуществления, заключающимся в том, что в полупроводнике через переход, смещенный как в обратном, так и в прямом направлениях пропускают высокочастотный ток, измеряют амплитуду напряжения первой гармоники тестирующего сигнала, пропорциональную глубине области обеднения, замыкают накоротко переход по току второй гармоники формируемой нелинейностью характеристики перехода, при постоянной амплитуде тока первой гармоники, компенсируют положительным смещением, поданным на переход, влияние контактной разности потенциала, вводят блоки преобразования частоты и следующую обратную связь, детектируют и усиливают сигналы на промежуточной частоте, получают информацию о концентрации носителей заряда на глубине области обеднения из произведения амплитуды тока второй гармоники и напряжения первой гармоники обратно пропорционального концентрации носителей заряда. Согласно изобретению вводится сканирующий зондовый микроскоп, вкачестве которого выступает атомно-силовой с проводящим зондом, для обнаружения исследуемого полупроводникового нанообъекта путем сканирования и формирования барьерного контакта к исследуемому нанообъекту зондом микроскопа на глубине области обеднения.

Сканирующий зондовый микроскоп необходим для обнаружения исследуемого объекта путем сканирования и для формирования барьерного контакта к исследуемому объекту зондом. Современные зонды для атомно-силовых микроскопов имеют радиус закругления 1-100 нм, что достаточно для контакта к нанообъектам.

Сравнительный анализ с прототипами показывает, что заявляемый способ и устройство позволяют проводить контроль параметров полупроводниковых нанообъектов, что отличает его от прототипов.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна», так как в известных источниках не обнаружен предложенный способ определения концентрации носителей заряда в полупроводниках и устройства для его осуществления.

Следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями, а последовательность операций при определении концентрации носителей заряда отличается от существующих.

Данный способ предлагается для применения научным лабораториям, предприятиям и организациям, занимающимся исследованиями в области микро- и наноэлектроники.

Для осуществления способа предлагается устройство, в котором исследуемый объект подключен последовательно к зонду сканирующего микроскопа, в качестве которого выступает атомно-силовой микроскоп, с возможностью обнаружения нанообъектов и формирования контактного барьера к нанообъектам и наноструктурам пониженной размерности.

Сущность изобретения и возможные варианты реализации предложенного способа и устройства поясняется следующим графическим материалом, представленным на чертеже, на которой представлена блок-схема устройства для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках.

Устройство содержит следующие основные блоки: источник тока первой гармоники 1, приемник напряжения первой гармоники 2, приемники тока первой и второй гармоник 3 и 4.

Источник тока 1 представляет собой высокочастотный генератор 5 с регулируемым усилителем, который содержит кварцевый генератор, например на частоту 5064 кГц. Максимальная глубина регулирования напряжения первой гармоники составляет, например 86 дБ.

Устройство функционирует следующим образом.

Сигнал с выхода генератора 5 через индуктивную связь поступает в двухконтурный фильтр сосредоточенной селекции 6, выполненный по схеме с емкостными связями, далее через усилитель мощности 7 подается на атомно-силовой микроскоп 8 и полупроводниковый нанообъект 9. На выходе усилителя мощности 7 установлен заградительный Т-фильтр, настроенный на частоту второй гармоники, и параллельный контур, настроенный на частоту первой гармоники. Выходной контур связан с Т-фильтром автотрансформаторной, а с исследуемым нанообъектом 9 трансформаторной связями. На выходе усилителя мощности 7 формируется сигнал амплитудой, например от сотен микровольт до одного вольта с подавлением второй гармоники, например до 129 дБ во всем диапазоне регулирования.

Сигнал с выхода генератора 5 через индуктивную связь поступает в приемник напряжения первой гармоники 2 и в блоке преобразования частоты и усиления сигнала промежуточной частоты 10 преобразуется в сигнал разностной частоты, затем усиливается, детектируется линейным детектором 11 и усиливается масштабирующим усилителем 12. С выхода 12 сигнал в зависимости от режимов регистрации поступает либо непосредственно на выход X прибора, либо на аналоговый делитель 13 канала X, преобразующий напряжение, обратно пропорциональное емкости исследуемого нанообъекта 9, в напряжение, пропорциональное емкости исследуемого нанообъекта 9.

В цепь заземления исследуемого нанообъекта 9 последовательно включены приемники тока второй 4 и первой 3 гармоник. Приемник тока второй гармоники 4 состоит из фильтра сосредоточенной селекции 14, настроенного на частоту 2 , блока преобразования частоты второй гармоники 15 и усилителя промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом усиления 16. Сигнал промежуточной частоты, например 128 кГц, с выхода приемника 4 поступает в блок перемножения и линейного детектирования 17, на второй вход которого с выхода приемника 3 подается напряжение, пропорциональное амплитуде напряжения источника тока первой гармоники 1. Приемник тока первой гармоники 3 состоит из фильтра сосредоточенной селекции 18 настроенного на частоту , блока преобразования частоты 19, усилителя промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом усиления 20, на выходе которого включен детектор сравнения 21.

Частоты кварцев в блоках преобразования частоты 19 и 10 подобраны не кратными частоте кварца высокочастотного генератора 5 и друг другу, при этом разность между частотой гетеродина различных каналов находится в диапазоне, например 250 - 700 кГц.

В зависимости от режима работы устройства по координате Y сигнал с выхода блока перемножения и линейного детектирования 17 поступает в блок функционального преобразования, например логарифмирования, 22, а затем на выход Y и измерительный прибор, или в блок аналогового деления 23, который преобразует сигнал, обратно пропорциональный концентрации n(x), в сигнал, пропорциональный n(x), и на выход Y. Блок детектирования и сравнения 21 сравнивает амплитуду с детектора приемника тока первой гармоники 3 с опорным сигналом, вырабатывает сигнал ошибки и подает его на управляющий вход регулируемого усилителя в блоке 5. Усилитель постоянного тока имеет коэффициент усиления, например 105. Стабилизация по току первой гармоники лучше, например, чем 0,1%.

Резистор R преобразует протекающий через исследуемый нанообъект 9 ток утечки в напряжение. Через последовательно соединенные усилитель постоянного тока 24, блок выделения модуля сигнала 25, пороговый элемент 26 и регулируемый усилитель 27 резистор R связан с управляющим входом двуполярного источника напряжения смещения 28. Так, осуществляется отрицательная обратная связь по току утечки независимо от его полярности. Пороговый элемент представляет собой компаратор. Стабилизация постоянной составляющей тока через исследуемый нанообъект 9 осуществляется с помощью обратной связи независимо от режима работы регулируемого усилителя 27.

Преобразование частоты в более низкую частоту, например 128 кГц, позволяет сузить полосу пропускания измерительных каналов, например до 80 Гц, и улучшить отношение сигнал/шум в каналах. Преобразование частоты особенно необходимо в случае исследования приконтактной зоны полупроводниковой структуры, когда уменьшаются значения измеряемых величин - напряжения первой гармоники и тока второй гармоники, поскольку положительное смещение может сократить глубину области обеднения, Технико-экономический результат заключается в осуществлении локального определения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковых нанообъектах и наноструктурах и развитии новых методов диагностики наноструктур и материалов на их основе.

Литература

[1] Copeland J.A. Technique for directly plotting the inverse doping profile of semiconductor wafers // IEEE Trans. Electron Devices. 1969. ED-16. P.445.

[2] Орлов O.M., Принц В.Я., Скок Э.М. Прибор для автоматического измерения профиля концентрации мелких уровней // ПТЭ. 1979. № 4. С.258.

[3] Корнилович А.А., Уваров Е.И. Прибор для автоматического локального измерения профилей концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах // ПТЭ. 1999. № 4. С.134.

[4] http://www.janis.com