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

,.:Изобретение относится к полупроврдниковой электронике и может быт использовано для контроля качества и измерения характеристик МДП-стру тур. В настояпцее время для контроля MJJJI (металл-диэлектрик-полупроводпик ) структур широко применяются измерители вольтфарадных характери , регистрирующие зависимость ем кости структуры от величины смещаю щего напрял ения. Известно устройство для измерения и регистрации характеристик, ЙДП-структур такого типа, котороеЬостоит из генератора и усилителя синусоидального измерительного сиг Нала частотой 1 МГц. В качестве Генератора развертки используется напряжение осциллографа, на вхогчл X и У которого подаются напряжеНия регистрации сигналов, процорциональных соответственно емкости смещающему напряжению . Недостатка1--1и такого устройства являются низкая точность измерений и малое, быстродействие устройства В целом, так как анализ характерис тик производится визуально с экран осциллографа. Известно также устройство, соеTOHHies из генератора тестового Сихиала, усилителя, генератора пил образного напряжения, синхронизато ра, порогового устройства и индика тора разности напряжений, которое позволяет фиксировать смещение вол фарадных характеристик при измерениях смещающего напряжения Сз }Недостатками этого устройства являются ограниченная точность и низкое быстродействие, обусловленны необходимостью вести вручную обра ботку полученных характеристик. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ус ройство Д.ПЯ измерения характеристи МДП-структур, содержащее генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения, присоединенные выходам к одной из шин для подключения исследуемой структуры, другая шина которой соединена с измерительным iрезистором и через усилитель измеЕ)ительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блока установк опорного напряжения, а своими выходом - к входам управления двух схем измерения и фиксации напряжения, измерительные входы, которых соеди.нены со вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенного к перво выходу блока обработки и отображения информации, включающего соединенные г.1ежду собсЯ схемы обработк и отобрс1жения, два входа которого присоединены к выходам схем измерения и фиксации напряжения. В качестве схем обработки и отображения в нем используются схема вычитания с цифровым вольтметром и двухкоординатный самописец t. Известное устройство позволяет повысить точность измерений гистерезисных характеристик структур за счет обеспечения возможности фиксации напряжений, пропорциональных величине емкости на разных склонах пилообразного напряжения смещения, и их регистрации. В качестве недостатков известного устройства следует отметить его низкое быстродействие. В связи с тем, что качество МДП-структуры (определяемое релаксацией емкости в инверсии р реларссацией емкости в обеднении, релаксацией емкости в обогащении и т.д. оценивается по гистерезисньм характеристикам, то необходимо производить большое количество измерений, по которым выполняются графоаналитическое построе:ние и анализ, что весьма трудоемко. Цель изобретения - повышение быстродействия за счет обеспечения возможности управления опорным напряжением и накопления результатов измерений. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения характеристик МДП-структур, содержа1 {ем генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения присоединенные выходами к одной из шин для подключения исследуемой структуры, другая шина -которой соединена с измерительным резистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блока установки опорного напрял ения, а своим выходом - к входам управления двух схем измерения и фиксации напряжения, измерительные входы которого соединены с вторы - выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенного к первому выходу блока обработки и отображения информации, включающего соединенные между собой схемы обработки и отображения, два входа которых присоединены к выходам схем измерения и фиксации напряжения, блок установки опорного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных регистра первой схемы И, сумматора, второй схемы И, цифро-аналогового преобразователя, выход которого является выходом блока установки опорного напряжения и из двух элементов задержки измерения и фиксации напряжения снабжены синхронизирующими входами, соединенными с входом синхронизации генератора пилообразного напряжения, а в блок обработки и отображения информации дополнительно введена схема накопления, информационные входы которой являются входами этого блока, ее первый выхо соединен с дополнительным входом первой схемы И и входом первого элемент-а задержки, а второй выход подключен к второму входу схемы обработки, управляющий вход которого соединен с вторым входом сумматора и входом второго элемента задержки выход которого подключен к второму входу сумматора, причем выход перво элемента задержки соединен с вторым входом схемы И, а второй выход схемы обработки соединен с третьим вхо дом схемы накопления. Такое построение устройства позволяет в едином цикле оперативно произвести измерение полной гистерезисной вольтфарадной характеристи ки путем измерения величины опорног Напряжения по окончании каждого периода измерений и накопления результатов измерений для последующег визуального отображения и обработки На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 и 3 - эпюра смещающего напряжения и гистерезисная характеристика соответственно. Устройство содержит генератор 1 тестового напряжения, усилитель 2 измерительного напряжения , шины для подключения исследуемой структуры 3 с последовательно включенным резистором 4, генератор 5 смещающего пилообразного напряжения, схему б сра нения, схемы 7 и 8 измерения и фиксации напряжения с емкостными нако пителями 9 и 10, блок 11 обработки отображения информации, состоящий из схемы 12 накопления, схемы 13 отображения информации и схемы 14 обработки информации, блок 15 установки опорного напряжения, состоя щий из первого элемента 16 задержки сигналов, регистра 17, первой схемы И 18, сумматора 19, второй схемы И 20, цифроаналогового преобразователя 21 и второго элемента 22 задержки. Входы генераторов 1 и 5 соединен с исследуемой структурой 3, а измерительный резистор 4 соединен через усилитель 2 -с входом схемы 6 сравнения второй вход которого соедине с выходом блока 15. Входы схемы б сравнения и генератора 5 соединены соответственно с синхронизирующими и измерительными входами схем 7 и 8 измерения и фиксации напряжения с емкостными накопителями 9 и 10. Выходы схем 7 и 8 соединены с входами схемы 12 накопления, выход которого соединен с дополнительным входом. блока установки опорного напряже-НИН 15. Выходы и входы схемы 14 обработки соединены с соответствующими входами и выходами схемы 12 накопления, входами и выходами схемы 13 отображения информации, с дополнительным выходом блока 15 установки опорного напряжения, соответствующими входами генератора 5 и измерительных схем 7 и 8.. Все элементы устройства устанавливаются в исходное состояние. Это осуществляется либо отдельной кнопкой, либо сигналом от схемы 14 обработки по соответствующим цепям, которые не показаны на фиг. 1. С нажатием кнопки Начало измерений в jqxeMe 4 при ручном запуске или по программе этой схемы из нее поступает сигнал в схему 12 накопления для установки начального адреса записи результатов измере.ний. С схемы 12 поступает сигнал на первую схему И 18, в результате чего код, набранный на кнопочном регистре 17, заносится на сумматор 19 Сигнал от схемы 12, задержанный первым элементом 16, поступает на вторую схему И 20. Код с сумматора 19 при этом передается в регистр цифро-аналогового преобразователя ЦАП 21, который вырабатывает первую ступень опорного напряжения, подаваемого на один из входов схемы б сравнения. Элемент, сумматор 19, схема 20, элемент 22 могут отсутствовать, если регистр преобразователя 21 выполнен в виде сумматора. Сигнал со схемы 14 приводит в исходное состояние схемы 7 и 8 измерения и фиксации напряжения, а также поступает на запуск генератора смещающего напряжения 5. Смещающее напряжение (фкг. 2) подается на измеряемую структуру 3 совместно с тестовым сигналом от генератора 1, например, с частотой 35 МГц. Ток, протекающий через МДП-структуру, пропорционален ее емкостному импедансу, создает на резисторе 4 напряжение , пропорциональное емкости структуры. Амплитуда переменной составляющей сигнала на регистра 4 отображает изменение емкости МДП-структуры в зависимости от величины напряжения смещения. Сигнал с резистора 4 после усиления и детектирования в усилителе 2 поступает на один из входов схемы б сравнения, на другой вход которой подается опорное напряжение. В момент равенства входных напряжений схемой б сравнения вырабатываются стробирующие импульсы соответственно по пepeднe т время t-( фиг. 2) и по заднему (время is фиг. 2) фронтам смещающего напряжения, стробирующие импульсы- подаются затем на схемы 7 и 8 измерения и фиксации величины смещающего напряжения, на вторые входы которых подается смещающее напряжение. В момент подачи стробирующего импульса на схему 7 накопитель 9 заряжается до величины мгновенного значения смещающего напряжения (фиг. 2 Л После прекращения действия стробирующего импульса накоп ленное напряжение на накопителе 9 преобразуется аналого-цифровым пре образователем, входящем в схему измерения смещающего напряжение, в цифровую форму .и подается на вход схемы накопления информации 12. Аналогично происходит измерение смещающего напряжение по заднему фронту (Ug , фиг..2). После передачи кодов измеренны значений смещающего напряжения UH, и/2. в схему 12 подается импульс на пряжения с схемы 14 обработки информации, который вырабатывает затрм сигнал в схему 12, для изменения адреса записи следующих значений смещающего напряжения. Однов менно схема 12 вырабатывает импульс напряжения, подаваемый на 1-ю схему И 18,и код, набранный на кнопочном регистре 17, поступает в сумматор 19, где складывается с предыдущим значением, а затем заносится через открытую вторую схему И 20 в регистр ЦАП 21.Такш образом, код, набранный на кнопочном регистре 17, определяет шаг изменения опорного напряжения, при чем этом изменение может осуществляться как в сторону увеличения, так и в стоЕюну уменьшения опорног напряжения. После окончания периода измерения импульс с выхода схемы 14 пода ется для установки начального состояния измерительных схем 7 :: 8 разряд емкостей накопителя 10 и 9), а также на вход генератора смещающего напряжения 5 для осуществления начала нового второго) периода измерений. Измерения будут производиться до тех пор, пока опорное напряжение не изменится от минимального до максимального возможного значения. Число и.змерений в цикле зависит от шага изменения опорного напряжения. Признаком окончания всего цикла изме-рений является переполнение сумматора 19, после чего через второй элемент 22 задержки, сумматор 19 устанавливается в нулевое состояние и одновременно сигнал поступит в схему 14, информируя об окончании цикла измерений, . Результаты измерений из блока 12 поступают в схему 14 обработки, от- . куда при необходимости могут подаваться в схему. 13 отображения информации. Соответствие величины максимального значения опорного напряжения максимальному.значению тестового сигнала, пропорционального максимальному значению емкости МДП-структуры, устанавливается путем изменения коэффициента усиления измерительного ;усилителя 2 . Практическое использование предложенного устройства (как показали исследования ) позволяет повысить быстродействие измерительного процесса в 20-30 раз и расчетного процесса в 50-100 раз по сравнению с известным устройством.

УСТРОЙСТВО ШШ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР содержащее генераторы тестового сигнала и пилообразного напряжения, присоединенные выходами к одной из шин для подключения исследуемой структуры, другая шина которой соединена с измерительным резистором и через усилитель измерительного сигнала с первым входом схемы сравнения, подключенной вторым входом к выходу блока установки опорного напряжения, а своим выходом - к входам управления двух схем измерения и фиксации напряжен ия, измерительные входы которых соединены с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, входом синхронизации подключенного к первому выходу блока i ,.,, обработки и отображения информации, включающие соединенные между собой схемы обработки и отображения, два входа которого присоединены к выходам схем измерения и фиксации напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в нем блок установки опорного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных регистра первой схемы И, сумматора второй схемы И, цифро-аналогового преобразователя, выход которого является выходом блока установки.опорного напряжения, и из двух элементов задержки, схемы измерения и фиксации напряжения снабжены синхронизирую 5 щими входами, соединенными со входом синхронизации генератора пилообразного напряжения, а блок обработки и отображения информации дополнительно снабжен схемой накопления, информационные входы которой являются входами этого блока, ее первый выход соединен с дополнительным входом первой схемы И и входом первого элемента задержки, а второй выход подключен ко второму входу схемы обработки, управляющий вход которой соединен с вторым выходом сумматора и входом второго элемента задержки, выход которого подключен к второму входу сумматора, причем выход первого элемента задержки соединен с BTOpHfvi входом второй схемы И, а второй выход схемы обработки соединен с третьим входом схемы накопления.