Методика импульсных измерений удельного сопротивления полупроводниковых пластин Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2001, том 11, № 4, c. 65-70

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 621.315.592.08 © В. В. Наумов, О. А. Гребенщиков

МЕТОДИКА ИМПУЛЬСНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

Описана методика автоматизированных измерений удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковых пластин произвольной формы толщиной 0.2-400 мкм по методу Ван-дер-Пау в импульсном режиме с использованием экспериментальной установки. Установка включает в себя компьютер IBM PC, цифровые вольтметры В7-21А, программно управляемый генератор импульсов, устройство выборки-хранения, программно управляемый коммутатор и адаптер-мультиплексор. Она обеспечивает автоматическое переключение зондовых контактов, программируемое задание импульсов напряжения и тока длительностью 10-40 мкс, измерение поверхностного сопротивления в диапазоне 0.05-22-106 Ом, удельного сопротивления в диапазоне 2-10-3 - 106 Ом • см при толщине пластины 400 мкм с выводом результатов на монитор и принтер. Погрешность измерения сопротивлений не более 0.8 %.

ВВЕДЕНИЕ

Ввиду сложности технической реализации импульсные измерители удельного сопротивления полупроводниковых пластин не нашли широкого применения, причем погрешность таких измерителей, приведенных в [1, 2], составляет около 20 %. Серийные же цифровые измерители, например ЦИУС13 МП-0.5-001, работающие на постоянном токе, из-за большой величины и длительности протекающего через пластину тока имеют погрешность > 5 %, которая обусловлена возникновением термо-ЭДС и инжекцией неосновных носителей заряда, особенно при измерении высо-коомных пластин [3].

Наиболее быстродействующим и точным четы-рехзондовым методом для измерения удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковых пластин является метод Ван-дер-Пау [3, 4], который позволяет измерять сопротивления пластин различной формы: круглых, квадратных, овальных, трапецеидальных и др.

С целью автоматизации и повышения точности импульсных измерений авторами разработаны методика, алгоритмы, программное обеспечение и технические средства, входящие в экспериментальную установку. Установка содержит: программно управляемый генератор импульсов (ПУГИ), устройство выборки-хранения (УВХ), программно управляемый коммутатор (ПРУК), операционные усилители (ОУ), адаптер-мультиплексор (АДМ) — обеспечиващие автоматизированные измерения удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковых пластин различной формы по методу Ван-дер-Пау в импульсном режиме. Метод позволяет исключить

влияние инжекции неосновных носителей заряда, термо-ЭДС и перегрев образца.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

На рис. 1 приведена структурная схема экспериментальной установки, где 1 — компьютер IBM PC 486 DX2/4; 2 — АДМ; 3 — ПУГИ; 6 — ПРУК; 7, 8 — ОУ1, ОУ2; 9, 10 — УВХ1, УВХ2; 11, 12 — цифровые вольтметры В7-21А; 13 — измеряемая пластина трапецеидальной формы (осколок). ПУГИ содержит (4) — 12-разрядный цифроанало-говый пробразователь (ЦАП) на микросхеме (МС) К1108ПА1, выходное импульсное напряжение которого 0 ± 10 В подается на вход усилителя (5) с коэффициентом усиления КУС = 20. С выхода ПУГИ импульсное напряжение амплитудой 0 ± 200 В длительностью 10-40 мкс поступает через ПРУК и зондовые контакты на пластину для задания импульсов тока в диапазоне 1-10"6-5-10"3 А, причем для измерения низкоомных пластин используется выход ЦАП, а для измерения высоко-омных пластин — выход усилителя ПУГИ.

ПРУК содержит дешифратор команд, ключи и герконовые реле и предназначен для коммутации и подключения соответствующих зондовых контактов к выходам ЦАП, ПУГИ и входам ОУ1, ОУ2, которые выполнены на МС КР544УД2 и предназначены для усиления малых сигналов импульсов напряжения длительностью 10-40 мкс в диапазоне 2.5-10"5-0.5 В и импульсов тока в диапазоне 1 -10"6-5 -10"3А.

ОУ1, ОУ2 имеют по 3 поддиапазона с КУС = 1000, 100, 10 и автоматическим выбором пределов, причем коммутатор и ключи выполнены

k1

k4

5 4

R

а

7 9 - 11

к k i к

ИЗ1

8 —* 10 —* 12

j к j к

ИЗ2

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки для импульсных измерений удельного сопротивления полупроводниковых пластин. Описание в тексте

3

2

1

на сверхбыстродействующих МС типа AD8011 фирмы Analog Devices (США) с временем переключения < 30 нс. Измерение импульсов тока через пластину осуществляется с помощью эталонного резистора RИ = 250 Ом ± 0.01 %, падение напряжения на котором UR]усиливается ОУ2, а значение тока определяется из выражения J = UR / RИ . Общие шины ОУ1 и ОУ2 изолированы.

Для уменьшения погрешности измерений, вносимой УВХ1, УВХ2, выходные напряжения ОУ1 и ОУ2 нормируются таким образом, что на каждом

пределе имеют значения импульсов напряжения в диапазоне 0.25-5 В. Эти импульсы подаются на информационные входы УВХ1, УВХ2, выполненные на МС ЛБ783, которые имеют скорость спада напряжения < 0.02 мкВ/мкс, внутренний конденсатор хранения, диапазон входных напряжений 0...+5 В и предназначены для выборки и расширения импульсов напряжения до 80 мс, соответствующих циклу измерения цифровых вольтметров В7-21А.

Для жесткой синхронизации выборки и измерения импульсов напряжения с выходов УВХ1, УВХ2 в качестве стробирующих используются импульсы запуска (ИЗ1, ИЗ2) цифровых вольтметров

В7-21А длительностью 2 мкс, поступающие из ПК, которые одновременно подаются на запуск В7-21А. Разряд конденсаторов хранения в УВХ1, УВХ2 осуществляется импульсами опроса (ИО1, ИО2) с выходов В7-21А. Таким образом, на входы В7-21А поступают расширенные импульсы напряжения в диапазоне 0.25-5 В длительностью 80 мс, что обеспечивает нормальную работу цифровых вольтметров. АДМ содержит мультиплексор 2^1, регистры и шинные формирователи и предназначен для передачи двоичных кодов с ПК на входы ЦАП, ПРУК, дистанционного управления В7-21А и импульсов запуска ИЗ1, ИЗ2, а также кодовых значений измеряемых напряжений с выходов В7-21А на ПК.

Программное обеспечение написано на языке ТурбоПаскаль (версия 7.0) и обеспечивает: программируемое формирование импульсов напряжения и тока через пластину, автоматическое переключение зондовых контактов, установку режимов работы и пределов В7-21А, измерение, расчет и графическое представление значений удельного и поверхностного сопротивлений на мониторе и принтере.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для измерений поверхностного РпоВ и удельного род сопротивлений выбран четырехзондовый метод Ван-дер-Пау, который является наиболее быстродействующим, так как не требует смены направления тока через зондовые контакты, установленные на полупроводниковую пластину [3, 4].

При измерениях по методу Ван-дер-Пау зондо-вые контакты к1-к4 располагаются по периметру пластины [3], причем вначале пропускают ток через контакты к1 и к4, а напряжение и23 снимают с контактов к2 и к3. Затем, после коммутации, пропускают ток через контакты к1 и к2, а напряжение и34 снимают с контактов к3 и к4.

Описание методики приводится при измерении рПОВ и род высокоомной пластины на основе карбида кремния трапецеидальной формы толщиной 20 мкм. Измерения проводятся в течение двух циклов. В первом цикле после установки пластины в зондовую головку по программе с ПК через АДМ на дешифратор ПРУК подаются коды, устанавливающие ключи ПРУК таким образом, что выход ПУГИ подключается к зондовому контакту к1, контакт к4 подсоединяется к входу ОУ2 и резистору ДИ, а контакты к2 и к3 — к входу ОУ1.

На рис. 2 приведены временные диаграммы при импульсных измерениях рпОВ и род.

Формирование импульсов напряжения ШВЫХ для задания тока через пластину осуществляется программным путем с помощью ЦАП, причем длительность импульса 10-40 мкс задается подачей на ЦАП значащих и нулевых кодов через определенное число машинных циклов.

После начала формирования импульсов напряжения и3ВЫХ с задержкой 2 мкс в ПК формируются и подаются на запуск В7-21А ИЗ1 и ИЗ2, которые являются стробирующими для УВХ1 (и9ВХ) и УВХ2 (Ш0ВХ). При этом с выхода ПУГИ импульсы напряжения возрастающей амплитуды длительностью 10 мкс подаются на зондовый контакт 1 до появления на выходе цифрового вольтметра В7-21А (12) минимального значения тока, после чего увеличение кода, подаваемого на ЦАП прекращается. После усиления с помощью ОУ1 и ОУ2 импульсы напряжения иДи, соответствующие току и импульсы напряжения и23 поступают на входы УВХ1 и УВХ2. Расширенные до 80 мс импульсы напряжения с выходов УВХ1 (и9ВЫХ) и УВХ2 (Ш0вых) измеряются цифровыми вольтметрами В7-21А, кодовые значения которых через АДМ со сдвигом 2 мкс заносятся в ОЗУ ПК, где вычисляется значение сопротивления Я\ по выражению [3]:

Д =

и К,

ОУ1

иДи/ДИ • К

(1)

ОУ2

где и23 = 4.9 В, иДи = 0.25 В, Ди = 250 Ом, Коу1 =

= 1, Коу2 = 1000.

После подстановки значений: Д = 4.9 МОм.

Во втором цикле измерения с ПК на дешифратор ПРУК подаются двоичные коды, управляющие ключами таким образом, что выход ПУГИ подключается к контакту к1, контакт к2 соединяется с входом ОУ2 и резистором ДИ, а контакты к3 и к4 — с входом ОУ 1.

Аналогично первому циклу осуществляется формирование импульсов напряжения возрастающей амплитуды с помощью ПУГИ (и3ВЫХ), подаваемых на зондовые контакты к1 и к2 для задания импульсов тока 3\2. После подачи ИЗ1 и ИЗ2 на цифровые вольтметры В7-21А и УВХ1, УВХ2, усиленные и расширенные до 80 мс импульсы напряжений иДи ~ и и34 измеряются с помощью

вольтметров В7-21А, кодовые значения которых записываются в ОЗУ ПК, где вычисляется значение сопротивления Д2 по выражению:

Д =

и34 К

ОУ1

иД

•К

И ОУ2

(2)

где и34=4.7 В, иДи = 0.3 В, ДИ = 250 Ом, КОУ1 =1,

КОУ2 = 1000.

После подстановки значений: Д2 = 4.1 МОм. Удельное сопротивление полупроводниковой пластины трапецеидальной формы вычисляется в ПК по формуле [3]:

Руд =Ю- 4.532 ( + Я2 )/2 • / (Я1/Я2), (3)

ЦЗвых, В А

200

- "100

^пЛ, мкА^

и« , мВ'

«И '

л

^ПЛ, В

Л

Цзап, В

и9вХ, ВА

Ш0вх, вл

и9выХ, В/К

иЮвыыХ, В

Л

1.2

0.3

л

- -5

- -5

0.3

0.3

к-

1 цикл

к-

2 цикл

X, мкс —>

14

И

12

X, мкс —>

. и ~ Л

14

/

и ~ Л

12

и2

23

1/

и-.

34

ИЗ1 ИЗ2

ИО1 И

И

О2 ИЗ

1

ИЗ2

80

80

X, м^с

X, мкс —>

ИО1 ИО2

X, мкс —>

X, мкс ->

X, мкс

г,-мс

80

80

X, мс

Рис. 2. Временные диаграммы при импульсных измерениях удельного сопротивления полупроводниковой пластины на основе карбида кремния 8Ю

5

R, Ом

Рис. 3. Экспериментальные графики удельного и поверхностного сопротивлений полупроводниковой пластины трапецеидальной формы на основе карбида кремния SiC по методу Ван-дер-Пау в импульсном режиме

где ю — толщина пластины, равная 0.002 см, « = 4.9 Мом, «2 = 4.1 Мом, _Д«!/«2) = 0.99 — поправочная функция, график которой приведен

в [3].

График поправочной функции Д«]/«2) в виде таблицы записывался на жесткий диск ПК и использовался при вычислении рУд и рпОВ по выражению (3).

После подстановки измеренных значений в выражение (3)

рУД = 40-103 Омсм.

Поверхностное сопротивление пластины произвольной формы вычислялось по выражению [3]:

Рпов = Руд /ю = 20.2-106 Ом . (4)

На рис. 3 приведены экспериментальные зависимости сопротивлений «2, РУд, РпОВ от импульсного тока, вычисленных в ПК по выражениям (1)-(4).

Экспериментальное проведение импульсных измерений рУд и РпОВ высокоомной пластины на основе карбида кремния 81С толщиной 20 мкм трапецеидальной формы показало, что импульсное протекание тока в течение 10 мкс исключает ин-жекцию неосновных носителей заряда, перегрев образца, возникновение термо-ЭДС, причем основную долю погрешности вносит УВХ.

Суммарная погрешность измерений 5 включает в себя погрешности: УВХ 5УВХ, измерения напряжения 5и, измерения тока 5J,U и машинного расчета 5р асч-

5 = 5увх + 5и + 5J,и + 5раСч.

Для УВХ на МС типа ЛБ783, имеющей скорость спада напряжения на конденсаторе хранения 0.02 В/с, при времени хранения 80 мс напряжение спада составляет 1.6 мВ.

На пределе 1 В при значении выходного напряжения УВХ иВЫХ УВХ = 250 мВ (наихудший вариант )

5увх= 1.6 мВ/250 мВ = 0.63 %.

Погрешность измерения напряжения с помощью В7-21А на пределе 10 В при иВЫХ УВХ = 5В:

5и = [0.04+0.02( | ик /их 1-1)] =

= 0.04+0.02( | 10 В/5 В |-1) = 0.06 %.

Погрешность измерения тока на пределе 1 В при иВЫХ УВХ = 0.25 В составляет:

5,и = 0.04 + 0.02 (| 1 В/0.25 В |-1) = 0.1 %.

Погрешность машинного расчета 5расч = 0.01 %

[3].

Таким образом, суммарная погрешность импульсных измерений и расчета рУд и рпОВ

5 = 0.8 %.

ВЫВОДЫ

Несмотря на усложнение технических средств, предлагаемая методика автоматизированных импульсных измерений руд и ртгоВ по методу Ван-дер-Пау может найти применение в лабораторных и заводских условиях при разработке новых полупроводниковых материалов и разбраковке пластин различной формы: круглых, прямоугольных, квадратных, овальных, трапецеидальных и др.

Для работы экспериментальной установки использовались: IBM PC 486 DX 2/4 с параллельным портом "Centronics", sVGA видеоадаптером и ОЗУ > 8 Мбайт; операционная система WINDOWS 95/98 (свободное место на жестком диске > 20 Мбайт); струйный принтер HP Deskjet-540; цифровые вольтметры В7-21А, вместо которых могут использоваться приборы В7-54/3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hellinger O., Nibler F.Z. II Angew. Phys. 1984. Bd18, N 1. P. 23-28.

2. Евтихиев Н.Н. и др. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатом-издат, 1990. 349 с.

3. Павлов Л. П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Высш. шк., 1987. 239 с.

4. Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1970. 432 с.

Институт электроники НАН Беларуси, Минск Материал поступил в редакцию 8.08.2001.

A PROCEDURE FOR PULSE MEASUREMENTS OF SPECIFIC AND SURFACE RESISTANCE OF SEMICONDUCTOR FILMS

AND WAFERS

V. V. Naumov, O. A. Grebenshchykov

The Institute of Electronics, National Academy of Science of Belarus. Minsk

The paper describes a technique for automated measurements of specific and surface resistances of semiconductor films and wafers 0.2 to 400 ^m thick of any configuration by the Van-der-Pau method in a pulse mode using an IBM PC personal computer, digital voltmeters B7-21A, program controlled pulse generator, sample-and-hold device, programmed switch and adapter-multiplexer. It provides automatic switching of probe contacts, programmed setting of voltage and current pulses from 10 to 40 ^s, measurement of surface resistance in the range of 0.05 to 22 • 106 Q and specific resistance in the range of 2 • 10-3 to 106 Q • cm at a thickness of 400 ^m with data output onto a monitor and printer. The error of resistance measurement is < 0.8 %.