Измеритель электрофизических параметров МДП-структур Советский патент 1983 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при построении приборов и систем контроля качества полупроводниковых структур, в частности, измерения емкостей диэлектрика и обедненного слоя полупроводника, а также постоянной времени поверхностных состояний МДП-структур в зависимости от приложенного напряжения смещения.

Известно устройство, в котором осуществляется раздельное измерение емкости исследуемой МДП-структуры и активной проводимости утечки в широком динамическом диапазоне изменения параметров исследуемого объекта ij .

Недостаток известного устройства состоит в невысокой точности измерения реальных параметров МДП-структур из-за использования неточной схемы замещения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для. измерения электрофизических параметров МДП-структур, содержащее блок управления, источник опорного напряжения, первый сумматор, исследуемый объект, операционный усилитель, образцовый конденсатор, управляемый делитель напряжения, первый ключ, второй сумма тор, второй.ключ, запоминающий блок, нуль-орган, программируемый источник смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, пе{звый, второй и третий дополнительные ключи, дополнительный запоминающий блок, ключ, вычитатель напряжений,блок измерения постоянной времени, .схему деления напряжений, коммутатор, самописец, вертикальный вход которого соединен с выходом ком мутатора, первый вход которого соеди нен с управлякяцим входом управляемог делителя напряжения, первый выход блока управления соединен с входом источника опорного напряжения, а второй - с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца.

Устройство обладает широкими функциональными возможностями, позволяя получать информацию обо всех параметрах четырехэлементной схемы замещения МДП-структуры 2J ,

Указанное устройство имеет в своем составе контур с положительной обратной связью, что приводит к снижению устойчивости и стабильности работы устройства и, как следствие, к низкой точности измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерения электрофизических параметров МДП-структур-.

поставленная цель достигается тем что в измеритель электрофизических параметров МДП-структур, содержащий

опорный конденсатор, операционный усилитель, шины для подключения измеряемого объекта, блок управления, первый выход которого соединен с входом источника опорного напряжения, а второй - с входом программируе.мого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца, вертикальный вход которого соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соедине с управляющим входом первого управляeмoгq делителя напряжения, введены разделительный конденсатор, источлик управляющего напряжения, первый и второй пиковые детекторы, второй управляемый делитель напряжения, блок измерения установившегося значения напряжения, блок сравнения, фильтр нижних частот, причем выход .источника опорного напряжения соединен через первый управ.пяемыа делител напряжения с первым входом вычитателя напряжений, -а через опорный конденсатор - с входом операционного усилителя и пернай шиной для подключения измеряемого объекта, вторая шина для .-подключения измеряемого объекта соединена с выходом программируемого источника смещения и через разделительный конденсатор - с выходом операционного усилителя и вторым входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с входами первого пиковоро детектора, второго управляемого делителя напряжения, нуль-органа и блока из tepeния постоянной времени, выход второго управляемого делителя напряжения, соединен с входами блока измерения установившегося значения напряжения и второго пикового детектора, выход блока измерения установившегося значения напряжения соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения, выход второго пикового детектора через ключ соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход нуль-органа соединен с регулирующим входом источника упраляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом первог управляемого, делителя напряжения, третий выход блока управления соединен с управляющим входом .источника управлящющего напряжения, четвертый выход блока управления соединен с управляющими входами первого и второго пиковых детекторов, а пятый выход блока управления соединен с управляющим- входом блока измерения установившегося значения напряжения, выход блока измерения постоянной времени соединен с управляющим входом . ключа, выход первого пикового детектора соединен с третьим входом комм -татсра. На чертеже изображена структурная схема устройства. Измеритель электрофизических параметров МДП-структур .содержит блок 1 управления, источник 2 опорного напряжения, опорный конденсатор 3, . операционный усилитель 4, исследуемый объект 5, программируекий источник 6 смещения, разделительный конденсатор 7, первь-й вычитатель 8 напряжений, первый управляемый делитель 9 напряжения, источник 10 управляющего напряжения, нуль-орган 11, первый пиковый детектор 12, второй управляемый делитель 13 напряж ния, блок .14 измерения постоянной времени, блок 15 измерения установившегося значения напряжения, второй пиковый детект.ор 16, блок 17 сравнения, ключ 18, фильтр 19 нижних частот, коммутатор 20 и самописец 21 : . источника 2 опорного напря жения соединен с входом первого управляемого делителя 9 напряжения.и через опорный конденсатор 3 - с . входом операционного усилителя 4 и одной из шин для пЬдключения измеряемого объекта 5, Другая шина со единена с выходом программируемо.го источника 6 смещения, а через разде лительный конденсатор 7 - с выходом операционного усилителя 4 и первым входом первого вычитателя 8 напряжений. Второй его вход подключен к выходу первого управляемого делителя 9 напряжения. Выход первого вы читателя 8 напряжений соединен с , входами первого пикового детектора 12, второго управляемого делителя 1 напряжения, нуль-органа 11 и блока 14измерения постоянной времени. Вы ход ёторого управляемого делителя 1 напряжения связан с входами блока 15измерения установившегося значения напряжения и второго пикового детектора-16. Выход блойа 15 измере ния установившего значения напряжен соединен с первым вхоДом блока 17 -. сравнения, второй вход которого подключен к выходу источника 2 опор ного напряжения, а выход связан с управляющим входом второго управляемого делителя 13 напряжения. Выход зторого пикового детектора 16 через ключ 18 соединен с входом фильтра 1 нижних частот. Управляющий вход клю 18 подключен к выходу блока 14 изме рения постоянной времени. Выход нул органа 11 через источник 10 управляющего напряжения соединен с управ ляющим входом первого управляемого делителя 9 напряжения. Управлякяцие входы источника 2 опорного напряжения, программируемого источника 6 смещения, источника 10 управляющего напряжения, первого и второго детекторов 12 и 16, блока 15 измерения установившегося значения . напряжения соединены с соответствующими выходами блока 1 управления. Выходы источника 10 управляющего напряжения, первого пикового детектора 12 и фильтра 19 нижних частот соединены с соответствующими входами коммутатора 20. Выход последнего подключен к вертикальному входу самописца, горизонтальный вход которого связан с выходом программируемого источника 6 смещения. Измеритель электрофизических параметров МЛП-структур работает следующим образом. Источник 2 вырабатывает опорное (тестовое) напряжение в виде двухполярных прямоугольных импульсов амплитудой EQ. Выходное напряжение опера.ционного усилителя 4 при этом в течение одного полупериода напряжения равно .. II 1± I, HO Со qCjR EoCo + . -pi-) t, c, где CQ - емкость опорного конденсатора. 3 C - емкост диэлектрика МДП. структуры Сд - емкость Обедненного слоя полупроводника ) CjHR- емкость и сопротивление, связанные с поверхностными состояниями и зависящие от поверхностного потенциала. В течение другого полупериода опорного напряжения выходное напряжение операционного усилителя Uoy будег иметь противоположный знак. Выходное напряжение первого управляемого делителя 9 равно и - Р .W гомг о хош где KYQH - коэффициент передачи : .первого управляемого делителя 9. Напряжение на выходе вычитателя 8 равно р ,. / С,.С,. и„...иу.2 L.e ЕоСо CaCjR +- е . т --1 По команде блока 1 программируемый источник 6 подает на исследуемую МДП-структуру такое напряжение смещения, которое вводит МДП-структуру в режим сильного обогащения. (Это напряжение должно быть положительным для структуры п -типа и отрицательным структуры р-типа) , В режиме обогащения емкость Cj обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДПструктуры практически равна емкости диэлектрика. Следовательно, в режиме обогащения С j Со а напряжение на выход операционного усилителя 4 равно: „ С Выходное напряжение вычитателя 8 при этом равно -- Р V O YDHf По команде блока 1 источник 10 подает на управляющий вход первого управляемого делителя 9 управляющее напряжение, медленно изменяющееся по величине до тех пор, пока нульорган 11, включенный на выходе вычи талеля 8, не зафиксирует нулевое значение напряжения ,,841 Это произойдет при Купн1 с По команде нуль-органа 11 источник 10 прекратит изменение своего выходного напряжения и зафиксирует его на уровне, при котором YPHi Со /Ci , В дальнейшем до конца цикла изме рения параметров МДП-структуры выхо ное напряжение источника 10 остается неизменным. Это напряжение, пропорциональное коэффициенту передачи Курт Со/С, подается через коммутатор 20 на самописец 21. Далее по команде блока 1 програм мируемый источник 6 выводит исследу емую МДП-структурУ из режима обогащ ния, подводя к ней медленно изменяю щееся напряжение смещения другой по лярности. Поскольку значение емкости диэлектрика С 1 практически не зависит от приложенного напряжения смещения выходное напряжение вычитателя 8 равно .Cz+Cj в( , c. Первый пиковый детектор 12 выделяе экстремальное (за полупериод опорного сигнала) значение этого напря жения .Выходное напряжение первого пиково го детектора, пропорциональное l/Cj, через коммутатор 20 подается на самописец 21. Выходное -напряжение второго управляеомго делителя 1,3 Yoнl вн YoигИ где Ку.;.,2 коэффициент передачи управляемого делителя 13, подается на входы блока 15 и Второго пикового детектора 16. Выходное напряжение блока 15 ЙИУЗН-с. + С. YDHl подается на один из входов блока 17. . сравнения,,на другой вход которого поступает напряжение Ед. Выходное напряжение блока 17 (сигнал рассогласования ) изменяет коэффициент передачи второго управляемого делителя 13 до тех пор, пока напряжение на выходе блока 17 не с станет равным нулю. Лри этом к,. Sll Со L. м .CatC,t, уоцг-,Ca+C lСг + Сэ Ео(с,.с) 1 ЕоСо C/iC}R .ЕоС; . . Г :, Ci-t-Cj CzCjR Выходное напряжение второго пикового детектора 16 EoCCitC,) nt)i С-}, . подается через ключ 18 на фильтр 19 Блок 14 формирует на своем выходе импульс длительностью, равной постоянной времени экспоненциально, изМеняющегося напряжения на выходе читателя 8, На время действия этого импульса открывается ключ 18, При этом на выходе ключа 18 формируются прямоугольные импульсы амплитудой Е(с g + + CjJ/C и длительностью Ai R/ (С 2 + С}) . Вольт-секундная площадь такого импульса S кл Выходное напряжение фильтра нижних частот, пропорциональное S щ , подается через коммутатор 20 на самописец 21. Таким образом, осуществляется измерение оснойных электрофизических параметров МДП-структуры (1/С) RCj) в зависимости от приложенного напряжения смещения. При этом в предлагаемом устройстве устранены недостатки устройства-прототипа, обусловленные наличием петли положительной обратной связи, за счет чего повышается точность измерения.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЩП-CTPУKTУP, содержавши опорный конденсатор, операционный усилитель, шины для подключения измеряемого объекта, блок управ- . Ленин, первый выход которого соединен с входом источника опорного напряжения , а,второй выход - с входом программируемого источника смещения, выход которого соединен с горизонтальным входом самописца, вертикальный вход которого соединен с выходом коммутатора, первый вход которого соединен, с управляющим входом первого управляемого делителя напряжения, отлич ающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в него введены разделительный конденсатор, источник управляюй ёго напряжения, первый и второй пиковые детекторы, второй управляемый делитель напря кения, блок измерения установившегося значения напряжения, блок сравнения, фи.пьтр нижних частот, причем выход источника опорного напряжения соединен через первый управляемый делитель напряжения с первым входом вычитателя напряжений/ а через опорный конденсатор - с входом операционного усилителя и neji.вой шиной для подключения измеряв6 объекта, вторая шина для rtoдключения измеряемого объекта соединена с выходом программируемого источника смещения и через разделительный конденсатор - с выходом операционного усилителя и вторым входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с входом первого пикового детектора, второго управляемого делителя напряжения, нуль-органа и блока измерения постоянной времени, выход второго управляемого делителя напряжения соединён с входами блока измерения установившегося значения напряжения и второго пикового детектора, выход блока измерения установившегося знаi чения; напряжения соединен с первым : входом блока сравнения, второй вход (Л которого соединен с выходом источника опорного напряжения/ а выход соп . единен с управляющим входом второго управляемого делителя напряжения, ;выход второгС- пикового детектора че- С фез ключ соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, выход нуль-органа соединен с регую лирующим входом источника управляOb ющего напряжения, выход которого соедийен с управляющим входом перо со ел вого управляемого делителя напряжения, третий выход блока управления соединен с управляющим входом источника управляющего напряжения, четвертый выход блока управления соединен с управляквдими входами первого и йторого пиковых детекторов, а выход блока управления соединен с управляющим входом блока измерения установившегося значения напряжения, выход блока измерения достояйной времени соединен с (управляющим входом ключа,выход первого пикового детектора соединен с третьим, входом коммутатора.