Устройство для измерения с-G-V характеристик МДП-структур Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ C-QХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР

1

Изобретение огносигся к контрольноизмерительной технике и можег быть использовано для осуществления контроля качества полупровоцниковых структур, например МДП-структур, в процессе их производства. ,

Известно устройство, в котором осу- . ществляется раздельное изменение емкости исследуемой МДП-структуры и активной проводимости утечки в широком ди- Q намическом диапазоне изменения параметров исследуемого объекта Ij ,

Недостаток этого устройства - невысокая точность измерения реапъныкпарамет- j ров МДП-структур из-за испояьзоьаиия неточной схемы замещения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения элек- 70 трофизических параметров МДП-структур, содержащее блок управления, источник опорного напряжения, первый сумматор, исследуемый объект, операционный усилитель, оЬразцовый конценсагор, управляемый делитель напряжения, первый ключ, второй сумматор, второй ключ, запоминающий блок, нул1 -орган, програмк:ируемый источник смешения, инвертор, регулируемое сопротивление, первый, второй и третий дополнительные ключи, дополнительный запоминающий блок, ключ, вычита- тель напряжений, блок измерения постоянной времени, схему деления напряжений, коммутатор и самописец 2J .

Известное устройство характеризуется недостаточной точностью измерения. Кроме того, оно имеет в своем составе контур с положительной обратной связью (контур компенсации влияния емкости диэлектрика С.(), что приводит к снижению устойчивости и стабильности его работы. Действие положительной обрат ной связи приводит к усилению неравно- мерностей амплитудно-частотной характеристики устройства, а менякмшкзся в процессе работы временные зацо г/кки сигнала, в контуре обратной связи 1и,1зывают

изменение крутизны фронтов импульсных сигналов, что отражается на точности измерения параметра С а , определяемого по мгновенному значению напряжения на выходе операционного усилителя при помо щи ключа. Остальные параметры МДП структуры также изменяются с большой погрешиостью, поскольку они определяюг ся с учетом измеренного значения Cj .

Все указанные факторы приводят к

снижению точности измерения параметров МДП-структур.

Цель изобретения - повышение точности измерения С харак,теристик МДП-структур.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения С -( Y характеристик МДП-струкгур, содержащее блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника опорного напряжения, второй выход подключен к управляющему входу программируемого источника смещения, выход которого подключен к первому входу самописца и первой клемме для подключения исследуемого объекта, вторая клемма ко торого соединена с входом операционного усилителя и одной из обкладок опорного конденсатора, вторая обкладка которого подключена к выходу источника опорного напр1и-сения и входу делителя, которого подключен к первому входу вычига- теля напряжений, второй вход которого соединен с выходом операционного усили теля, измеритель постоянной времени, вход которого соединен с входом нуль- , органа, а выход - с входом ключа, а также коммутатор, выход которого подключен к второму входу самописца, введены разделительный конденсатор, источ- ник управляющего напряжения, второй

целитель напряжения, первый и второй пиковые детекторы, блок измерения напряжения, цополнительный вьгчитатель напря жвний,.блок сравнения и фильтр нижних частот, причем первая обкладка разделительного конденсатора соединена с пер вой клеммой для подключения исследуемого объекта, а вторая - с выходом опе рационного усилителя, выход вьлитателя напряжений соединен с входами первого

пикового детектора, второго целителя напряжения, нуль-орган и блока измерения постоянной времени, выход первого пико« « вого детектора соединен с первым входом блока сравнения и первым входом коммутатора, выход второго делителя напряжения соединен с входами второго пикового

детектора и блока измерения напряжения, управляющий вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а выход - с вторым входом коммутатора и первым входом второго вычитателя напряжений, второй вход которого подключен к выходу второго пикового детектора, управляющему входу ключа, выход которого через фильтр нижних частот соединен с третьим входом коммутатора, управляющий вход второго пикового детектора подключен к входу первого пикового детектора и четвертому выходу блока управления, пятый выход которого соединен с первым входом источника управляющего напряжения, второй вход которого подключен к выходу нуль-органа, а выход соединен с входом первого делителя и четвертым входом коммутатора, выход дополнительного вычитателя напряжений подключен к второму входу блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом второго делителя.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит блок 1 управления, источник 2 опорного напряжения, опорный конденсатор 3, операционный усилитель 4, исследуемый объект К5, программируемый источник 6 смещения, разделительный конденсатор 7, вычитател 8 напряжений, первый управляемый дели тель 9 напряжения, источник 10 управляющего напря кения, нуль-орган 11, первый пиковый детектор 12, второй. т1р авляемый делитель 13 напряжения, блок 14 измерения постоянной времени, второй пиковый детектор 15, блок 16 измерения установившегося значения напряжения, дополнительный вычитатель 17, напряжений, сравнивающее устройство 18, ключ 19, фильтр 20 нижних частот, коммутатор 21 и самописец 22.

Управляющий вход источника 2 опорного напряжезшя подключен к одному из выходов блока 1 управления. Выход источника 2 опорного напряжения соединен через первый управляемый целитель 9 напряжения с первым входом вычитателя 8 напряжений, а через опорный конденсатор 3 - с входом операционного усилител 4 и с одной клеммой исследуемого объеК та В, Другая клемма исследуемого объекта 5 подключена к выходу программируемого источника 6 смещения, а через разделительнъй конденсатор 7 - к выходу операционного усилителя 4 и второму входу вычитателя 8 напряжений, выход которого пикового мого делителя 13 напряжения, нуль-органа 11 и блока 14 измерения постоянной времени. Выход нуль-органа 11 через источник 1О-управляющегб напряжения подключен к управляющему входу первого управляемого делителя 9 напряжения. Выход второго управляемого делителя 13 напряжения соединен с входами вгорого пикового цетектора 15 и блока 16 измерения установивщегося значения напряжения. Выход второго пикового детектора 15 соединен с входом ключа 19 и первым входом дополнительного вычитаге- ля 17 напряжений, второй вход которого подключен к выходу блока 16 измерения установившегося значения напряжения. Выход дополнительного вычитателя 17 напряжений соединен с первым входом сравнивающего устройства 18, второй вход которого соединен с выходом первого пикового детектора 12. Выход сравнивающего устройства 18 подключен к упра ляющему входу второго делителя напряже НИИ 13. Выход блока 14 измерения постоянной времени соединен с управляющим входом ключа 19, выход которого подключен к входу фильтра 2О нижних частот Управляющие входы источника 1О управля ющего напряжения, первого и второго пиковых детекторов 12 и 15, блока 16

е .

,ГСд - емкость опорного конденсатора С - емкость диэлектрика, С: емкость обедненного слоя полу проводника, С2ИЯ- емкость и сопротивление, свя занные с поверхностными сое- . тояниями и завис5шше от поверхностного потенциала. В течение другого полупериода это напряжение имеет противоположную поля{ кость. В режиме обогащения емкость С обе- дневного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДП-структуры практически равна емкости диэлектрика. Следовательно, в режиме обогащения при напряжаше на выходе опера«ционного усилителя 4 OY O O/CIC j-C-j

.

2

510009 64 соединен с входами первого измерения установившегося значения надетектора 12, второго управляв- пряжения соединены с соответствующими выходами блока 1 управления. Выходы источника 1О управляющего напряжения, первого пикового детектора 12, блока 16 измерения установившегося значения напряжения и фильтра 2О нижних частот соедлмены с соответствующими входами коммутатора 21. Выход последнего под- ключей к сигнальному входу самописца 22, горизонтальный вход которого соециней с выходом программируемого источника 6 смещения. Устройство-работает следующим об- По команде блока 1 управления программируемый источник 6 смещения подает на исследуемую МДП-структуру 5 такое напряжение смещения, которое вводит МДП-структуру в режим сильного обогащения (это напряжение долж-но быть положительным для структуры П -типа отрицательным для структуры р -типа). Источник 2 опорного напряжения вырабатывает опорное (тестовое) напряжение в виде двуполярных прямоугольных импульсов амплитудой Ьд . При этом в те- чение одного из полупериодов опорного напряжения выходное напряжение операционного усилителя 4 имеет вид Выходное напряжение «первого управмого делителя 9 напряжения VAH,E Напряжение на выходе вычитателя 8 ряжений в обием виде be п,( , CgtCa -С.С,Я.ЕоСо; . С ежиме обогащения Лн По команде блока управления источ- . 10 управляющего напряжения поцает управляющий вход первого управляемо-,

710009468

го целителя 9 напр; жения управляющееПостоянное управляющее напряжение

постоянное напряжение, медленно иэменякх на вхоае первого управляемого целителя щееся до .тех пор, пока нуль-орган 11

не заифксирует на выходе вычигателя

8 напряжений нулевое значение напряже- 5 Тагор 21 подается на самописец 22.

НИЯУВУ «ЕоСо/С ЕдКу.и . Ю. Это про.На протяжении всего цикла измерения

изойдет при YAH-I команде нуль-органа 11 источник 10 управляющего напряжения прекращает изменение своего выходного напряжения и фиксирует его на уровне, при- котором

SAHI CO/C,.

НоСо

)

: - Со+С; Первый пиковый детектор 12 фиксирует экстремальное ( за полупериод опорного сигнала) значение напряжения (J ц. когорюе подается на самописец 22 через коммутатор 21. Выходное апряжение вычитателя 8 напряжений масштабируется вторым управ ляемый делителем 13 напряжения и по дается на входы второго пикового детектора 15 и блока 16 измерения установн щегося значения напряжения. Их выходные напряжения V k L :lM BHvSH-q.. подаются на входы дополнительного внчи- тателя 17 напряжений, выходное напряжение которого (Сз+Са) Это напряжение сравнивается сравнивающим устройством 18 с напряжетшем, снимаемым с выхода первого пикового детек .тора 12

напряжений, пропорциональное значению его коэффициента передачи, через коммупараметров исследуемого образца МДПструктуры. значение К не изменяется.

Далее по команде блока 1 управления программируемый источник 6 смещения выводит с исследуемую МДП-структуру из режима обогащения. При различных напряжениях смещения значение емкости диэлектрика С остается неизменным , поэтому

.

ЕоСо

е, в случае неравенства напряжений иццп и UriDj сигналом рассогласования с выхода сравнивающего устройства 18 изменяется коэффициент передачи второго управляемого делителя 13 напряжения до тех пор, пока не будет достигнуто равенство СоС2 ЕдСо . сз Это произойдет при ./С, Выходное напряжение блока 16 измерения установившегося значения напряженияо оЕоС г 1г - подается через коммутатор 21 на самойисец 22. Выходное напряжение второго тгикового детектора 15 -ЕоС,() VAHI через ключ 19 поступает на фильтр 2О нижних частот. Блок 14 измерения постоянной времени определяет постоянную времени экспоненциально изменяющегося напряжения на выходе вычитателя 8 напряжений, преобра- 91 зуя значение посто$шной времени этого напряжения в длительность импульса Сл С R Выхоциое напряжение блока 14 измерения постоянной времени подается на управляющий вход ключа 19, открывая его на время действия импульса Л t т. На выходе ключа 19 фо{ 1ируюгся прямоугольные импульсы амплитудой Yfi и длительностью Л.Р . Вольт-секундная площадь этих импульсов ЕоСо(С2+Сэ) KA Vnft7 t Фильтр 20 нижних частот находит среднее значение напряжения на выходе ключ (пропорциональное ). Выход фильтра 2О нижних частот через коммутатор 21 подключаетсяК самописцу 22. Таким образом, на самописец выводят ся постоянные напряжения, пропорциональ ные текущим значениям параметров всех элементов четырехэлементной схемы замещения МДП-чзтруктуры (с VCi i R ) в зависимости от приложенного напряжения смещения. При этом при смене режимов работы в схеме не производится никаких пере- коммутаций, отсутствует петля обратной jсвязи, что в конечном счете приводит к повьшюнию точности измерения С -G-V характеристик МДГТ-ч;труктур. Формула изобретения Устройство для измерения с --Q-V характеристик МДП-структур, содержащее блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом источника опорного напряжения, второй выход подключен к управляющему входу програм мируемого источника смещения, выход которого подключен к первому входу сам писце и первсА клемме для подключения исследуемого объекта, вторая клемма кем торого соединена с входом операционного усилителя и одной из обкладок опорного конденсатора, вторая обкладка которого поаключена к выходу источника опорного , напряжения и входу делителя, выхоа кото рого подключен к первому входу вычита- теля напряжений, второй вход которого соединен с выходом операционного усили4втел измеритель постоянной времени, вхоц которого соединен с входом нуль-органа, а выход - с входом ключа, а также коммутаго.р, выход которого подключен к второму входу самописца, о т л и- ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повьш1ения точности измерения, в него введены разделительный конденсатор, источник управляющего напряжения, второй делитель напряжения, первый и второй пиковые детекторы, блок измерения напряжения, дополнительный вычитатель напряжений, блок сравнения и фильтр нижних частот, причем первая обкладка разделительного конденсатора соединена с первой клеммой для подключения исследуемого сбъек- та, а вторая - с выходом операционного усилителя, выход вычитателя напряжений соединен с входами первого пикового детектора, второго делителя напряжения, нуль-органа и блока измерения постоянной времени, выход первого пикового детектора соединен с первым входом блока сравнения и первым входом коммутатора, выход второго делителя напряжения соединен с входами второго пико- . iBor6 детектора и блока измерения напряжения, управляющий вход которого соединен с третьим вьсходом блока управления, а выход - с вторым входом коммутатора и первым входом второго вычитателя напряжений, второй вход которого подключен к 1ЭЫХОДУ второго пикового цетекгора, управляющему входу ключа, выход которого через фильтр нижних частот соединен с третьим входом коммутатора, управляющий вкод второго пикового детектора подключен к входу первого пикового детектора и четвертому выходу блока управления, пятый выход которого соединен с первым входом источника управл5пощего напряжения, второй вход которого подклю- чен к выходу нуль-органа, а выход соединен с входом первого делителя и четвертым входом коммзгтатора, выход дополнительного вычитателя напряжений подключи к второму входу блока сравнения, выход которого соединен с управляющим вкоаом ророго делителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство. СССР № 6585О8, кл. Q О1 R 31/26, 25.04.79. 2.Авторское свиоетельсгво по заяв- . ке № 2926071/18-21, кл. Q O1R31/26, 20.11.80 (прототип).