Устройство для контроля деградации МДП-структур Советский патент 1992 года по МПК G01R31/26 

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

Метод исследования основан на получении .последующем анализе зависимости заряда, захваченного диэлектриком, от заряда, прошедшего через диэлектрик в процессе эксперимента.

Известно устройство для регистрации вольт-фарадных характеристик, которое может быть использовано для исследования деградации МДП-структур. Устройство содержит генератор синусоидального напряжения, источник смещения, усилитель, к входу которого подключен образцовый резистор, а выход через выпрямитель соединен с вертикальным входом самоггисца, горизонтальный вход которого подключен к источнику смещения. Объект измерения и образцовое сопротивление образуют емко- стно-омический делитель для синусоидального напряжения. В совокупности с высоковольтным источником синусоидального напряжения данное устройство позволяет оценивать заряд, захваченный диэлектриком, по смещению C-V кривой вдоль оси напряжения.

Недостаками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и отсутствие информации о значении инжекционного тока, протекающего через диэлектрик.

Известно также устройство, содержащее генератор синусоидального напряжеXI

00

со

4

ел

4Ьь

ния, выход которого через катушку индуктивности, объект измерения, разделительный конденсатор подключен к образцовому резистору и вертикальному входу осциллографа, причем к разделительному конденса- тору через фильтр низших частот, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, подключен вход электрометра.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные воз- можности, отличие формы напряжения на МДП-структуре от синусоидальной вследствие нелинейности последней.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, которое-содержит генератор синусоидального напряжения и усилитель рассогласования; выходы которых чер ез сумматор, состоящий из первого разделительного ко нденсатора и резистора, катушку индук- тивности, объект измерения второй разделительный конденсатор подключен к образцовому резистору и вертикальному входу осциллографа. К второму разделительному конденсатору через фильтр низ- кйх частот подключен вход электрометра, выход которого соединен с первьтм входом усил йтёля рассогласования, второй входко- торбго подключен к источнику опорного напряжения, а выход соединен с входом регистратора

Устройство работает следующим образом, Генератор синусоидального напряжения вырабатывает сигнал с частотой, равной резонансной частоте последова- тельного колебательного контура, образованного катушкой индуктивности и емкостью МДП-структурЫ. Напряжение на МДП-структуре равняется добротности катушки индуктивности, умноженной на на- пряжение генератора. Когда напряжение на МПД-структуре недостаточно для возникновения инжекции горячих носителей, через нее протекает только ток смещения, создающий на образцовом резисторе падение напряжения, пропорцйональнсге этому току. Так как сопротивление образцового резистора небольшое, а емкость разделительных конденсаторов значительно превышает емкость МДП-структуры, то значительная часть приложенного переменного поля выделяется на МДП-структуре. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения возникает инжекционная составляющая тока, которая через фильтр нижних частот, значительно ослабляющий переменную составляющую напряжения, поступает на вход электрометра. Напряжение, пропорциональное среднему за период току инжекции, с выхода электрометра поступает

на усилитель рассогласования, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение от регулируемого источника опорного напряжения для установки значения стабилизирующего инжекционного тока. Часть заряда, протекающего через диэлектрик, захватывается его ловушками, что приводит к ослаблению электрического поля и инжекционного тока. Напряжение с выхода усилителя рассогласования поступает на регистратор и через добавочный резистор на объект исследования. При этом создается общая отрицательная обратная связь. Инжекционный постоянный ток со- хртэняет значение, определяемое опорным напряжением, а изменение напряжения плоских зон регистрируется как функция времени.,

Основными непдостатками данного устройства являются: необходимость вручную и очень точно устанавливать амплитуду напряжений генератора, соответствующую заданному значению инжекционного тока; отсутствие возможности воздействовать на МДП-структуру сигналами, имеющими форму, отличную от синусоидальной, и частоту, не равную резонансной частоте последовательного- колебательного контура, состоящего из катушки индуктивности и МДП-структуры; отличие формы напряжения на МДП-структуре от синусоидальной вследствие нелинейности последней; высокие требования к стабильности частоты задающего генератора, так как малейшие изменения частоты генератора или параметров колебательного контура приводят к значительному изменению напряжения на МДП-структуре; отсутствие возможности воздействовать на МДП-структуру сигналом, имеющим амплитуду одной из полуволн (выводящей структуру в режим аккумуляции) значительно меньшую, чем амплитуда другой полуволны (стимулирующей инжекционный ток) для предотвращения пробоя; отсутствие информации о точном значении напряжения на МДП- структуре, поскольку оно определяется косвенно по добротности контура, одним из элементов которого является собственно МДП-структура.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее задающий генератор, сумматор, фильтр низких частот, усилитель рассогласования, блок задания тока, первую и вторую клеммы для подключения исследуемой МДП-структуры и регистратор, снабжено кодоуправляемым масштабным

преобразователем, формирователем соотношения амплитуд, высоковольтным усилителем постоянного тока, операционным усилителем, конденсатором, образцовым резистором, компаратором, ключом, интегратором, аналого-цифровым запоминающим устройством, первым и вторым пиковыми детекторами, блоком управления, блоком задания напряжений и таймером, причем сигнальный и управляющий входы кодоуправляемого масштабного преобразователя подключены соответственно к выходу задающего генератора и к выходу блока управления, а его выход подключен к входу формирователя соотношения амплитуд, подключенного к первому входу сумматора, выход которого подключен через высоковольтный усилитель постоянного тока к входам первого и второго пиковых детекторов и к первой клемме для подключения исследуемой МДП-структуры, вторая клемма для подключения исследуемой МДП-структуры подсоединена через параллельно соединенные операционный усилитель, конденсатор и образцовый резистор к входу фильтра низких частот, выход которого подключен одновременно к входу интегратора и первым входам усилителя рассогласования и компаратора, вторые входы которых связаны с блоком задания тока, выход усилителя рассогласования подключен к сигнальному входу ключа, выход которого подключен одновременно к второму входу суматора, первому входу регистратора и сигнальному входу аналого-цифрового запоминающего устройства, выход последнего подключен к третьему входу сумматора, выход компаратора подключен одновременно к управляющему входу ключа, первому входу блока управления, второму входу регистратора и входу таймера выход которого подключен одновременно к управляющему входу аналого-цифрового запоминающего устройства и второму входу блока управления, третий, четвертый и пятый входы которого подключены соответственно к блоку задания напряжения и к выходам первого и второго пиковых детекторов.

При этом формирователь соотношения амплитуд содержит операционный усилитель, резистор, два диода, потенциометр и сумматор, причем первый вывод резистора является входом формирователя соотношения амплитуд, а второй вывод подключен одновременно к инвертирующему входу операционного усилителя и подвижному контакту потенциометра, первый вывод то- копроводящего элемента которого подключен к катоду первого диода и первому входу

сумматора, второй вывод токопроводящего элемента подключен к аноду второго диода и второму входу сумматора, выход операционного усилителя подключен одновременно

к аноду первого диода и катоду второго диода, неинвертирующий вход подключен к общему проводу, а выход сумматора является выходом формирователя соотношения амплитуд.

0 Введение кодоуправляемого масштабного преобразователя позволяет с автоматическом режиме управлять амплитудой напряжения на МДП-структуре. Введение формирователя соотношения амплитуд да5 ет возможность устанавливать соотношение между амплитудой отрицательной и положительной полуволн напряжения на МДП-структуре для предотвращения пробоя. Введение высоковольтного УПТ позво0 ляет получить на МДП-структуре напряжение заданной формы и амплитуды. Введение операционного усилителя с целью отрицательной обратной связи, состоящей из резистора RD и конденсатора С0, позволяет

5 преобразовывать ток, протекающий через МДП-структуру, в напряжение, пропорциональное этому току. Кроме того, из-за близкого к нулю напряжения на входе этого узла напряжение на МДП-структуре равно на0 пряжению на выходе высоковольтного УПТ, что позволяет измерять это напряжение с высокой точностью.

Введение компаратора и ключа позволяет включать систему стабилизации инжек5 ционного тока в момент достижения среднего за период значения этого тока заданной величины.

Введение первого и второго пиковых детекторов позволяет постоянно иметь ин0 формацию о точном значении амплитуды положительной и отрицательной полуволн сигнала на МДП-структуре.

Введение таймера позволяет задавать интервал времени, в течение которого через

5 МДП-структуру протекает заданный инжек- ционный ток.

Введение блока управления позволяет в совокупности с таймером, пиковыми детекторами, комггаратором и блоком задания

0 напряжения:

- с высокой скоростью увеличивать напряжение на МДП-структуре до заданного значения, а затем снижать эту скорость для. предотвращения перерегулирования, кото5 рое может приводить к погрешности установления тока инжекции и к пробою МДП--структуры; в целом это позволяет уменьшить интервал времени от начала эксперимента до момента стабилизации тока инжекции;

-останавливать рост напряжения на МДП-структуре в момент достижения ин- жекционного тока заданной величины;

-устанавливать напряжение на МДП- структуре, равное нулю после окончания очередного цикла воздействия.

Введение интегратора позволяет непосредственно по напряжению с его выхода отсчитывать величину заряда, протекшего через диэлектрик.

Введение аналого-цифрового запоминающего устройства позволяет запоминать величину сдвига напряжения плоских зон на конец эксперимента и начинать последующий эксперимент на той же МДП-структуре с этого напряжения. При этом сигнал на МДП-структуре в момент включения системы стабилизации инжекционного тока имеет ту же форму, что и в момент прекращения предыдущего эксперимента.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 - структурнай схема формирователя соотношения амплитуд; на фиг.З - структурная схема блока управления; на фиг.4 - структурная схема аналого- цифро вого запоминающего устройства.

Устройство содержит задающий генератор 1, кодоуправляемый масштабный преобразователь 2, формирователь 3 соотношения амплитуд (ФСА), сумматор 4, высоковольтный усилитель 5 постоянного тока (ВУПТ), клеммы б для подключения исследуемой МДП-структуры, операционный усилитель 7 (ОУ), конденсатор 8, образцовый резистор 9, фильтр 10 низких частот (ФНЧ), блок 11 задания напряжения (БЗН), блок 12 управления, первый пиковый, детектор 13 (ПД1), второй пиковый детектор 14 (ПД2), аналого-цифровое запоминающее устройство 15 (АЦЗУ), ключ 16, усилитель 17 рассогласования, блок 18 задания тока (БЗТ), компаратор 19, таймер 20, регистратор 21, интегратор 22.

ФСА содержит резистор 23, операционный усилитель 24, потенциометр 25, первый диод 26, второй диод 27, сумматор 28.

Блок управления содержит первый генератор 29 тактовых импульсов, второй генератор 30 тактовых импульсов, второй ключ 37, первый коммутатор 32, счетчик 33, второй коммутатор 34, второй компаратор 35, триггер 36.

АЦЗУ содержит первый инвертор 37, аналого-цифровой преобразователь 38, запоминающий регистр 39, цифроаналоговый преобразователь 40, третий коммутатор 41, второй инвертор 42, четвертый коммутатор 43, анализатор полярности 44.

Устройство работает следующим образом. Напряжение синусоидальной формы с

и

выхода задающего генератора 1 Ui поступает на аналоговый вход КМП 2 При этом напряжение на выходе КМП определяется выражением

U2 K2 Ui,(1)

где К2 - коэффициент передачи КМП, пропорциональный двоичному коду числа, поступающего на управляющий вход КМП от счетчика 33 блока 12 управления При поступлении команды Пуск на триггер 36 счетчик 33 начинает суммировать импульсы от первого генератора 29 тактовых импульсов. С приходом очередного тактового импульса двоичное число на выходе счетчика

33 увеличивается на единицу. Напряжение с выхода КМП 2 поступает на вход ФСА 3 Напряжение на выходе ФСА определяется следующим образом:

U3

nl ,

U2,

при отрицательной полуволне сигнала ,}

при положительной полуволне сигнала

г/

где R - сопротивление между подвижным контактом и первым выводом токопроводя- щего элемента потенциометра 25;

R - сопротивление между подвижным контактом и вторым выводом токопроводя- щего элемента потенциометра 25.

Соотношение амплитуд положительной и отрицательной полуволн напряжения на выходе ФСА равно

(3)

40

45

50

55

где итз(+) - амплитуда положительной полуволны напряжения на выходе ФСА;

Um3(-) - амплитуда отрицательной полуволны напряжения на выходе ФСА.

Анализ выражений (2) и (3) показывает, что при перемещении подвижного контакта потенциометра изменяется соотношение амплитуд положительной и отрицательной полувблн напряжения на выходе ФСА при неизменном его размахе

Напряжение Оз поступает на первый вход сумматора 4. На начало эксперимента ключ 16 разомкнут, а в АЦЗУ 15 записано напряжение, равное нулю, поэтому напряжения Uis и U16, поступающие соответст- Ёенно на третий и второй входы сумматора, равны нулю. Напряжение на выходе сумматора определяется выражением

J.

Л

U4 KV-Ua-f- Юг (Uis+ Uie),(4)

где Кз - коэффициент передачи сумматора по первому входу;

К4 - коэффициент передачи сумматора по второму и третьему входам

Напряжение U4 поступает на вход ВУПТ 5, напряжение на выходе которого определяется выражением

Us К5 U4,(5)

где Ks - коэффициент усиления ВУПТ.

Напряжение Us поступает одновременно на входы первого 13 и второго И пиковых детекторов и исследуемую МДП-структуру. Напряжение на выходе ПД1 равно

Ul3 Kl3Um5W,(6)

где Kis - коэффициент передачи ПД1;

Um5(+) - амплитудное значение напряжения положительной полуволны сигнала 05.

Напряжение на выходе ПД2 равно

Um5(-),(7)

где Ki4 - коэффициент передачи ПД2;

Um5(-) - амплитудное значение напряжения отрицательной полуволны сигнала 05

Второй компаратор 35, находящийся в блоке управления 12, сравнивает напряжение Uii, поступающее с выхода БЗН ft, с напряжением 1Нз или Ui4, в зависимости от полярности полуволны напряжения воздействия. Полярность определяется типом проводимости подложки и устанавливается вторым коммутатором 34 Как только напряжение на первом входе второго компаратора 35 превысит напряжение на его втором входе, первый компаратор 32 переключается во второе положение. При этом счетный вход счетчика 33 подключается к выхбду второго генератора 30 тактовых импульсов, частота следования импульсов на выходе которого меньше частоты сигнала на выходе первого генератора 29 тактовых импульсов. Это приводит к снижению скорости роста напряжения на МДП-структуре.

Напряжение Ов воздействует на МДП- структуру, подключенную к входу ОУ 7, в цепь отрицательной обратной связи (ООС) которого включены резистор R0 и конденсатор Со. При этом напряжение на выходе ОУ: Zo

U -U5

27

(8)

где 2.0 - сопротивление цепи ООС;

Zx - сопротивление МДП-структуры. В свою очередь,

Zo 1 + jaTc0Ro (9)

где ft)- круговая частота сигнала задающего генератора 1;

-jҐcTFe-(10)

где Сэ - эквивалентная емкость МДП-структуры;

10

50

55

G - нелинейная активная проводимость исследуемой МДП-структуры, вызванная эффектом горячих носителей.

Эквивалентная емкость МДП-структуры определяется согласно выражению

Г - С| Cd(л 14

э - 1U U

Ci + Cd где Ci - емкость диэлектрика;

Cd - нелинейная емкость полупроводника.

Подставляя выражения (9), (10), (11) в формулу (8), имеют

Ci Cd

15

20

25

30

35

40

45

U -U5

Ro 0 (О

Ci+Cd

+ G)

(12)

1 + j О) CD RO

Напряжение 0 поступает на вход ФНЧ 10, имеющего частоту среза О)ср «О), Напряжение на выходе ФНЧ

м „- КюО, 0)0koмч

U10 -in,.ч,.,н .(13}

О,О ft)Cp

где Кю - коэффициент передачи ФНЧ в полосе пропускания.

Преобразователь ток-напряжение на ОУ 7 является линейным устройством, следовательно, можно рассматривать его реакцию на ток смещения и ток инжекции из принципа суперпозиции. Когда напряженность электрического поля в МДП-структуре недостаточна для возникновения ин жекци- онного тока, 6 0, протекает только реактивный ток смещения. В общем случае напряжение ОБ, поступающее на МДП- структуру, не симметрично, т.е. имеет посто- янную составляющую. Тем не менее, постоянная составляющая напряжения О будет равна нулю (в чем легко убедиться, разложив Os в ряд Фурье и подставив в выражения (12) а) 0), т.е. независимо от формы воздействующего на МДП-структуру напряжения до возникновения тока инжек- ции постоянная составляющая напряжения на выходе ОУ будет отсутствовать.

При дальнейшем увеличении напряжения на МДП-структуре возникает активный ток инжекции, т.к. G 0. Составляющая напряжения 0 на выходе ОУ, вызванная током инжекции IG, равна UsGRo

U7 OG) (14)

1 -fjft)C0Ro При этом ток инжекции определяется выражением;

lG U5 G,(15)

Разложив ток инжекции в ряд Фурье, имеют

05

IG IGO+ 2 ancos nu t +

n-4 + Basin n u)t.

(16)

где loo - постоянная составляющая тока ин- жекции;

an, bn - коэффициенты Фурье.

Постоянная составляющая тока инжекции является средним за период значением тока инжекции:

,., 2ЛГ/ф

IGO -Ј- /lc(t)dt.. (17)

Ј.Jl Q

Используя свойства выражения (13), подставляя в него значение О из формулы (14) и, в свою очередь, используя равенства (15), (16) и (17), определяют значение напряжения на выходе ФНЧ 10:

,., 2 Л/О)

Uio -KioRo /b(t)dt. (18)

Таким образом, гармонические составляющие тока инжекции, включая основную частоту со, задерживает ФНЧ.

Как видно из формулы (18), напряжение Uio пропорционально среднему за период току инжекции, протекающему через МДП- структуру.

При дальнейшем увеличении напряжения на МДП-структуре возникает ток инжекции, а следовательно, и Uio. Напряжение Uio поступает на вход интегратора 22 и на первые входы усилителя 17 рассогласования и компаратора 19, на вторые входы которых поступает напряжение Uis с БЗТ 18. Как только Uю U18, срабатывает компаратор 19, размыкается второй-ключ в блоке 12 управления, при этом прекращается поступление тактовых импульсов на счетчик 33, что приводит к прекращению роста напряжения на МДП-структуре. Одновременно к этим таймер 20 начинает отсчет заданного времени эксперимента; запускается блок временной развертки регистратора 21, замыкается ключ 16.

Напряжение на выходе усилителя 17 рассогласования определяется выражением

U17 (U18-010)K17,(19)

где KI - коэффициент усиления усилителя рассогласования.

В момент замыкания ключа 16 Ui7 О, так как Uio the. В процессе инжекции горячих носителей часть заряда, протекающего через диэлектрик, захватывается его ловушками, что приводит к ослаблению поля, вызывающего инжекционный ток, а следовательно, и к уменьшению значения напряжения IHe, которое поступает на второй вход сумматора, тем самым изменяя напряжение на МДП-структуре так, чтобы средний за период ток инжекции был равен значению, определяемому напряжением the. Напряжение Ui6, пропорциональное изменению напряжения плоских зон МДД-

0

5

структуры, поступает на второй вход регистратора 21 и регистрируется как функция времени.

По истечении заданного времени эксперимента на выходе таймера 20 вырабатывается импульс напряжения, по которому в АЦЗУ 15 записывается значение напряжения Ui6, соответствующее сдвигу напряжения плоских зон за время эксперимента. Одновременно происходит сброс в нулевое состояние счетчика 33 блока 12 упоавления, что в свою очередь приводит к сбросу напряжения на МДП-структуре.

Напряжение на выходе интегратора 22 определяется выражением

U22 «22 / iGo dt,

о

К

(20)

0

5

0

5

0

5

0

5

где К22 - коэффициент передачи интегратора;

t - общее время эксперимента.

Таким образом, U22 пропорционально заряду, протекшему через диэлектрик. Последующий эксперимент на той же МДП- структуре начинается с напряжения, записанного в АЦЗУ 15, которое поступает на третий вход сумматора 4.

Формула изобретения

1, Устройство для контроля деградации МДП-структур, содержащее задающий генератор, сумматор, фильтр низких частот, усилитель рассогласования, блок задания тока, первую и вторую клеммы для подключения исследуемой МДП-структуры и регистратор, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения быстродействия, оно снабжено кодоуправляемым масштабным преобразователем, формирователем соотношения амплитуд, высоковольтным усилителем постоянного тока, операционным усилителем, конденсатором, образцовым резистором, компаратором, ключом, интегратором, аналого-цифровым запоминающим устройством, первым и вторым пиковыми детекторами, блоком управления, блоком задания напряжений и таймером, причем сигнальный и управляющий входы кодоуправляемого масштабного преобразователя подключены соответственно к выходу задающего генератора и к выходу блока управления, з его выход подключен к входу формирователя соотношения амплитуд, подключенного к первому входу сумматора, выход которого подключен через высоковольтный усилитель постоянного тока к входам первого и второго пиковых детекторов и первой клемме для подключения исследуемой МДП-структуры, вторая клемма для подключения исследуемой МДПструктуры подсоединена через параллельно соединенные операционный усилитель, конденсатор и образцовый резистор к входу фильтра низких частот, выход которого подключен одновременно к входу интегратора и первым входам усилителя рассогласования и компаратора, вторые входы которых связаны с блоком задания тока, выход усилителя-рассогласования подключен к сигнальному входу ключа, выход которого подключен одновременно к второму входу сумматора, первому входу регистра и к сигнальному входу аналого-цифрового запоминающего устройства, выход последнего подключен к третьему входу сумматора, выход компаратора подключен одновременно к управляющему входу ключа, первому входу блока управления, второму входу регистратора и входу таймера, выход которого подключен одновременно к управляющему входу аналого-цифрового запоминающего устройства и второму входу блока управления, третий, четвертый и пятый входы которого подключены соответственно к блоку

0

5

0

5

задания напряжения и к выходам первого и второго пиковых детекторов,

2 Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, формирователь соотношения амплитуд снабжен операционным усилителем, резистором, двумя диодами, потенциометром и сумматором, причем первый вывод резистора является входом формирователя соотношения амплитуд, а второй вывод подключен одновременно к инвертирующему входу операционного усилителя и подвижному контакту гютенциометра, первый вывод токопро- водящего элемента которого подключен к катоду первого диода и первому входу сумматора, второй выводтокопроводящего элемента подключен к аноду второго диода и второму входу сумматора, выход операционного усилителя подключен одновременно к аноду первого диода и катоду второго диода, а неинвертирующий вход подключен к общему проводу, выход сумматора является выходом формирователя соотношения амплитуд.

Фиг I

Использование: электронная техника, в частности контроль качества и исследование параметров МДП-структур в процессе производства интегральных схем. Сущность изобретения: расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия путем адаптации скорости роста напряжения на МДП-структуре к величине этого напряжения за счет введения блока управления, двух пиковых детекторов и блока задания напряжения. Устройство, содержащее задающий генератор, сумматор, фильтр низких частот, усилитель рассогласования, блок задания тока, клеммы для подключения исследуемой МДП-структуры и регистратор, снабжено также кодоуправляемым масштабным преобразователем, формирователем соотношения амплитуд, аналого- цифровым запоминающим устройством, интегратором, таймером, высоковольтным усилителем постоянного тока, операционным усилителем, конденсатором, образцовым резистором, компаратором и ключом. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л С

iJKrf

Фиг.З