Устройство для регистрации параметров МДП-структур Советский патент 1986 года по МПК G01R31/26 H01L21/66 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для проведения контроля качества и исследования параметров полупроводниковых и МДП- структур в процессе производства интегральных схем на их основе.

Физические параметры полупроводниковых и МДП-структур, определяющие производственный выход интегральных микросхем (плотность поверхностных состояний, профиль легирования, время жизни неосновных носителей), отражаются такими электрическими параметрами, как зависимость емкости и проводимости исследуемого объекта в функции от приложенного напряжения смещения.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет устранения влияния проводимости подложки на результат компенсации емкости диэлектрика, улучшения сходимости процесса компенсации, а также за счет возможности регистрации параметров полупроводниковых структур.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит источник 1 смещения, первый сумматор 2, объект 3 измерения, первый усилитель 4, первый блок 5 образцовых конденсаторов, второй блок б образцовых конденсаторов, второй усилитель 7, третий блок 8 образцовых конденсаторов, ключ 9, второй сумматор 10, генератор 11 синусоидального напряжения, блок 12 стабилизации, блок 13 коммутации, фазочувствитель- ный выпрямитель (ФЧВ) 14, фазовращатель 15, индикатор 16 нуля, регистратор 17, коммутатор 18, первый источник 19 опорного напряжения, второй источник 20 опорного напряжения, схему 21 сравнения, выпрямитель 22, управляемый делитель 23 напряжения.

При этом выход источника 1 смещения через первый сумматор 2 и объект 3 измерения соединен с входом первого усилителя 4, в обратной связи которого включен первый блок 5 образцовых конденсаторов, выход первого усилителя 4 через второй блок 6 образцовых конденсаторов, регулируемый синхронно с первым, соединен с входом второго усилителя 7, в цепи обратной связи которого включен третий блок образцовых конденсаторов 8. Выход второго усилителя 7 через ключ 9 соединен с первым входом второго сумматора 10, при этом выход генератора 11 соединен с сигнальным входом блока 12 стабилизации, выход которого соединен с другим входом первого сумматора 2, а вход управления - с выходом четвертого канала блока 13 коммутации, первый и второй входы которого подключены соот- ветствено к выходам первого и второго сумматоров 2, 10, а выход первого сумматора 2 соединен с вторым входом второго сумматора 10. Опорный вход фазочувствительного выпрямителя 14 соединен с выходом третьего

5

канала блока 13 коммутации, первый вход которого соединен с выходом второго сумматора 10 и входом фазовращателя 15, а второй вход - с выходом фазовращателя, сигнальный вход ФЧВ соединен с выходом второго канала блока коммутации, первый и второй входы которого соединены с входами первого и второго усилителей, а выход ФЧВ - с входом первого канала блока коммутации, первый и второй выход которо- 0 го подключены соответственно к индикатору 16 нуля и одному из входов регистратора 17, другой вход которого соединен с выходом источника 1 смещения.

При этом блок стабилизации содержит управляемый делитель 23 напряжения, схе- му 21 сравнения, выпрямитель 22, два источника опорного напряжения 19, 20 и коммутатор 18, причем первый и второй входы коммутатора 18 подключены соответственно к выходам первого 19 и второго 20 источни- 0 ков опорного напряжения, а выход коммутатора 18 подключен к входу схемы 21 сравнения, другой вход которой соединен с выходом выпрямителя 22, чей вход является управляющим входом блока стабилизации, выход схемы 21 сравнения соединен с входом управляемого делителя 23 напряжения, второй вход которого является сигнальным входом блока стабилизации, а выход управляемого делителя 23 напряжения является выходом блока 12 стабилизации.

Устройство имеет три режима работы: режим измерения и компенсации емкости диэлектрика и измерения проводимости подложки МДП-структуры в области обогащения, режим измерения параметров полупроводниковой части МДП-структуры в области обеднения и режим измерения параметров полупроводниковых структур.

Измерение параметров полупроводниковых структур, а также полупроводниковой части МДП-структуры проводится по двухэлементной схеме замещения, содержащей 0 параллельное соединение емкости и проводимости полупроводника.

Устройство работает следующим образом.

К объекту 3 измерения прикладывается напряжение смещения, соответствующее режиму аккумуляции МДП-структуры (положительное для полупроводника п-типа и отрицательное для р-типа), от генератора 11 синусоидального напряжения на объект измерения подается синусоидальный сигнал требуемой частоты (тест-сигнал).

Коэффициент передачи объекта измерения в этом режиме определяется емкостью изолятора С, и проводимостью подложки Gj.

В режиме аккумуляции все коммутирующие элементы устройства находятся в положении «1.

5 Выходное напряжение усилителя 4 определяется выражением

G5

(1)

0

5

5

0

ао

U4 -Uo

CaC/MCt- Gs)

где t/o - комплексное значение напряжения

тест-сигнала на объекте; о - частота генератора 11; Сб - значение емкости блока 5 образцоцовых конденсаторов; /-мнимая единица. При этом напряжение на выходе сумматора 10 равно

о00

С/,о f/o-УО

C5(/a)C;+GJ

Выразив из уравнения (1) f/o и подставив в выражение (2), имеем

/,0 (i-)

Ci

Выделяя синфазную составляющую напряжения {/10 на выходе ФЧВ имеем

{7,4(1) /(,o/(l-.Cf),

Ct

где К - коэффициент передачи ФЧВ.

Регулировкой Cs добиваются нуля на выходе ФЧВ, что фиксируют индикатором нуля. При этом из уравнения (4) имеем

С5 С,-..(5)

Выделяя ква дратурную составляющую на выходе ФЧВ, получаем

(оСз

f;i4(2) A:it/,oiG.

(6)

Таким образом, напряжение на выходе ФЧВ пропорционально проводимости подложки G..

Из равенств (3) и (4) видно, что преобразование осуществляется относительно напряжения Uo, а это накладывает требование поддерживать его постоянным.

Это требование осуществляется блоком 12 стабилизации, который в режиме аккумуляции работает следующим образом.

Напряжение на объекте Оо через четвертый канал блока коммутации поступает на выпрямитель блока стабилизации, с выхода которого снимается постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде напряжения тест-сигнала. Это напряжение в схеме сравнения сравнивается с напряжением источника 19 опорного напряжения и при их неравенстве выдает сигнал на управляемый делитель напряжения, который меняет коэффициент передачи таким образом, чтобы уравнять напряжения на выходах схемы сравнения.

Изменяя напряжение смещения, выводят МДП-структуру из режима аккумуляции. Состояние ключа и блока коммутации следующее: ключ 9 в замкнутом положении, коммутатор 18 в положении «2, I, И, IV каналы блока коммутации в положении «2, III канал в положении, соответствующем измерению емкости или проводимости полупроводника. Измерения параметров МДП- структур проводятся по трехэлементной схеме замещения, при этом Ср - емкость полупроводника, GP - проводимость полупроводника, С, - емкость диэлектрика.

Напряжение на выходе усилителя 4 определяется выражением

t/4

.}„ aC,+ G;,

/a)G+/wCp+Gp

(7)

10

в этом случае напряжение на выходе сумматора 10 равно

оо1

U,.. /(I) U+jcoCp+Up

(8)

что соответствует падению напряжения на полупроводниковой части МДП-структуры,

15 которое поддерживается постоянным блоком стабилизации. Так как напряжение с выхода сумматора через четвертый канал блока коммутации и выпрямитель 22 подается на вход схемы 21 сравнения, на другой вход которой поступает напряжение с второго

20 источника опорного напряжения, при их неравенстве сигнал с выхода схемы сравнения изменяет коэффициент передачи управляемого делителя напряжения.

Таким образом, из выражения (8) имеем

и .f; °/со С,

10

(9)

Напряжение с выхода усилителя 4 подается на вход усилителя 7 через образцовый конденсатор, значение емкости которого со- 30 ставляет

,.(10)

С учетом уравнений (7), (9) и (10)напряже- ние Cli на выходе усилителя 2 имеет вид

оOr

и

10

(.+,&)

Выделяя фазочувствительным выпрямителем и фазовращателем синфазную и ква,- ратурную составляющую напряжения От, имеем

{/„(1) /с|,

СОСв

(7,4(2) /({;,olg,

(12)

(13)

гдеК - коэффициент преобразования

фазочувствительного выпрямителя;

и(), U( 2} -напряжение на выходе ФЧВ при разных положениях третьего канала блока коммутации, при этом в положении «1 выделяется синфазная составляющая, в положении «2 -квадратурная составляющая.

Таким образом, получаем на выходе ФЧВ сигнал, пропорциональный емкости и проводимости полупроводника МДП-структуры.

В режиме измерения параметров полупроводниковых структур состояние блока коммутации и ключа следующее: ключ 9 разомкнут, коммутатор 18 в положении «1, I, II, IV каналы блока коммутации в положении «2.

Эквивалентная схема объекта измерения содержит включенные параллельно емкость Сэ и проводимость Оэ.

Напряжение на выходе первого усилителя равно

п fj /шСэ-f Оэ

V4 - -JQ /s

/coCs

;i4)

на выходе второго усилителя с учетом того, что Cs Сб, равно

.(й+|.-) „5,

Из выражения (15) видно, что преобразование ведется относительно С/о, поэтому блок стабилизации в этом режиме работает так же, как и в режиме компенсации емкости диэлектрика.

Выделяя с помощью фазовращателя и ФЧВ синфазную и квадратурную составляющую напряжения {/, получаем на выходе ФЧВ напряжение

а,4(1)

(16)

KlUol r- .

СкО)

Оэ

8(D

(17)

пропорциональное проводимости и емкости полупроводника.

Использование фазового метода компенсации емкости диэлектрика в режиме аккумуляции устраняет влияние проводимости подложки на результат компенсации емкости диэлектрика, что обеспечивается введением в устройство фазовращателя и блока коммутации, первый канал которого в режиме аккумуляции подключает индикатор нуля к выходу ФЧВ.

Проведение компенсации емкости диэлектрика в режиме аккумуляции при высоком фиксированном уровне тест-сигнала повышает точность и улучщает сходимость процесса компенсации, что обеспечивается введением в блок стабилизации источника опорного напряжения.

Возможность измерения параметров полупроводниковых структур обеспечивается введением в устройство ключа, которым выход первого усилителя отключается от входа второго сумматора, что позволяет поддерживать постоянным напряжение тест-сигнала на всей структуре и использовать его как опорное.

Формула изобретения

1. Устройство для регистрации параметров МДП-структур, содержащее генератор

5

синусоидального напряжения, блок стабилизации, фазочувствительный выпрямитель, индикатор нуля, три блока образцовых конденсаторов, первый и второй из которых с механически связаны, источник смещения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с клеммой для подключения затвора исследуемой МДП-структуры, шина для подключения подложки которой подключена к входу

° первого усилителя, в цепи обратной связи которого включен первый блок образцовых конденсаторов, выход первого усилителя через второй блок образцовых конденсаторов соединен с входом второго усилителя,

5 в цепи обратной связи которого включен третий блок образцовых конденсаторов, выход первого усилителя соединен с первым входом второго сумматора, регистратор, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерения, оно снабжено блоком

0 коммутации, фазовращателем, блок стабилизации выполнен в виде последовательно соединенных выпрямителя, схемы сравнения, управляемого делителя напряжения, второй вход схемы сравнения соединен с подвижным контактом коммутатора, замыкающий и размыкающий контакты которого соединены соответственно с первым и вторым источниками опорного напряжения, а блок коммутации выполнен в виде четырех идентичных каналов с четырьмя подвижными, четырьмя

0 размыкающими и четырьмя замыкающими контактами, причем выход генератора синусоидального напряжения соединен с сигнальным входом управляемого делителя напряжения блока стабилизации, выход которого соединен с вторым входом первого

5 сумматора, а вход выпрямителя блока стабилизации соединен с подвижным контактом четвертого канала блока коммутации, размыкающий и замыкающий контакты которого подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, при этом вы0 ход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, опорный вход фазочувствительного выпрямителя соединен с подвижным контактом третьего канала блока коммутации, размыкающий контакт

которого соединен с выходом второго сумматора и входом фазовращателя, а замыкающий контакт - с выходом фазовращателя, сигнальный вход фазочувствительного выпрямителя соединен с подвижным контактом второго канала блока коммутации,

0 размыкающий и замыкающий контакты которого соединены соответственно с выходами первого и второго усилителя, а выход фазочувствительного выпрямителя подключен к подвижному контакту первого канала блока коммутации, размыкающий и замыкаю5 щий контакты которого подключены соответственно к индикатору нуля и первому входу регистратора, второй вход которого соединен с выходом источника смещения.

71247795g

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем,мещенным в разрыве цепи между выходом

что, с целью расширения функциональных первого усилителя и первым входом второго возможностей, оно снабжено ключом, раз-сумматора.

Изобретение относится к электронной технике. Может быть использовано для проведения контроля качества и исследования параметров полупроводниковых и МДП- структур в процессе производства интегральных схем на их основе. Целью изобретения является повышение точности измерения. Достигается за счет устранения влияния проводимости подложки на результат компенсации емкости диэлектрика, улучшения сходимости процесса компенсации, а также за счет возможности регистрации параметров полупроводниковых структур. В устройство, содержащее генератор I синусоидального напряжения, блок 12 стабилизации, фазочувствительный выпрямитель 14, индикатор 16 нуля, блоки образцовых конденсаторов 5, 6, 8, источник 1 смещения, сумматоры 2, 10, первый усилитель 4, объект 3 измерения, второй усилитель 7, регистратор 17, для достижения цели введены блок 13 коммутации, фазовращатель 15, блок 12 стабилизации, генератор 11 синусоидального напряжения. Блок 12 стабилизации содержит выпрямитель 22, схему сравнения 21, управляемый делитель 23 напряжения, коммутатор 18, источники 19, 20 опорного напряжения. Блок коммутации 13 выполнен в виде четырех идентичных каналов с четырьмя подвижными, четырьмя размыкающими и четырьмя замыкающими контактами. Возможность измерения параметров полупроводниковых структур обеспечивается введением в устройство ключа, которым выход первого усилителя отключается от входа второго сумматора, что позволяет поддерживать постоянным напряжение тест-сигнала на всей структуре и использовать его как опорное. 1 3. п. ф-лы. 1 ил. i (Л 1C ;о ел