Устройство для измерения электрофизических параметров МДП структур Советский патент 1982 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для проведения контроля качества полупроводниковых структур, например МДП-структур (металл - диэлектрик полупроводник), в процессе их производства.

Известно устройство, в котором осуществляется раздельное измерение емкости исследуемой МДП-структуры и активной проводимости утечки в широком динамическом диапазоне из.мерения параметров исследуемого объекта 1 .

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения реальных параметров МДП-структур из-за использования неточной схемы замещения.

Наиболее близким к изобретению является устройство для регистрации и измерения вольт-фарадных характеристик, позволяющее производить раздельное измерение параметров по более точной 3-элементной схеме замещения МДП-структуры. Устройство содержит генератор синусоидального напряжения (источник опорного напряжения) , объект измерения, программируемый источник смещения, управляемый делитель напряжения, образцовое сопротивление (R,j) , первый операционный усилитель, выпрямитель, самописец, индикатор синфазности, инвертор, второй операционный усилитель, образцовые конденсаторы, пер вый сумматор, фильтр нижних частот, регулируемое сопротивление, блок управления, первый ключ, второй сум10матор, нуль-орган, запоминающий блок, второй управляемый делитель напряжения, второй ключ 2.

К недостаткам данного устройс ва

15 относится низкое быстродействие цепи компенсации влияния линейно изменяющегося напряжения, смещения на режим операционного усилителя по постоянному току ввиду того, что в

20 цепь компенсации включено интегрирующее звено - фильтр нижних частот. Это ограничивает скорость изменения напряжения смещения. Кроме того, устройство характеризуется ограничен25ными функциональными возможностями, не позволяющими измерять все параметры эквивалентной . схемы МДП-структуры.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повы30щение быстродействия измерения электрофизических параметров МДП-структур.

Цель достигается тем, что /в устройство для измерения электрофизических параметров МДП-структур, содержащее самописец, источник опорно напряжения, клеммы для подключения исследуемого объекта, программируемый источник смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, управляемы делитель напряжения, два ключа, нуль-орган, запоминающий блок, два сумматора, операционный усилитель с образцовым конденсатором в цепи обратной связи, блок управления, причем первый сумматор соединен одним из входов с nejjBbiM входом . второго сумматора и выходом источника опорного напряжения, вход первого сумматора - со входом инвертора, выходом программируемого источника смещения И с горизонтальным входом самописца, а выход соединен с одной из клемм для подключения исследуемого объекта, другая клемма подключена через регулируемое сопротивление к выходу инвертор.а и непосредственно ко входу операционного усилителя., выход которого соединен с управляемым делителем напряжения, блок управления одним выходом соединен с программируемым источником смещения, с первым и вторым ключами и с запоминающим блоком, выход которого подключен к управляемому делителю напряжения, выход которого подключен к первому ключу л :;торому входу второго сумматора, ;::::ход которого соединен через последовательно включенные второй ключ, нуль-орган и первый ключ с третьим входом первого сумматора, другой выход блока управления подключен ко второму ключу, выходом которого соединен с запоминающим блоком, а выход нуль-органа подключен к, запоминающему блоку, введены коммутатор, блок измерения постоянной времени, схемэ деления напряжений, дополнительный запоминающий блок, вычитатель напряжений, выходы которых соединены через коммутатор со входом самописца, четыре дополнительных ключа, причем третий выход блока управления соединен с управляющим входом дополнительного запоминающего блока и с управляющим входо первого дополнительного ключа, соединяющего управляющий вход регулируемого сопротивления с выходом операционного усилителя,, а четвертый со входом.второго дополнительного ключа, один управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, а другой - с выходом нульторгана, а выход этого ключа с управляющими входами блока измерения постоянной времени и третьего и четвертого дополнительных клюей, выход операционного усилителя соединен через третий дополнительный ключ со входом вычитателя напряений, а через четвертый дополнительный ключ - со входом дополнительного запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом вычитателя напряжений, выход котоого соединен с одним входом схемы еления напряжений, другой вход которой соединен с выходом блока измерения постоянной времени, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выход запоминающего блока, соединенный с управляемым делителем напряжения, соединен с коммутатором, а пятый выход блока управления соединен со входом источника опорного напряжения.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для измерения электрофизических параметров .МДП-структур; на фиг, 2 - временные диаграммы поясняющие работу устройства; на фиг. 3 - блок измерения постоянной времени, схема.

Устройство содержит блок управления 2, источник опорного напряжения 2, первый сумматор 3, исследуемый объект 4, операционный усилитель 5, образцовый конденсатор б, управляемый делитель напряжения 7, первый ключ 8, второй сумматор 9, второй ключ 10, запоминающий блок 11, нульорган 12, программируемый источник смещения 13, инвертор 14, регулируемое сопротивление 1-5, первый, второй и третий дополнительные ключи 16 - 18, дополнительный запоминающий блок 19, ключ 20, вычитатель напряжений21, блок измерения постоянной времени 22, схема деления напряжений 23, коммутатор 24, самописец 25.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени tjj по команде блока управления 1 размыкаются ключи 8, 10 и 18, сбрасывается в исходное состояние запоминающий блок 11, источником 2 опорного напряжения вырабатывае.тся прямоугольное напряжение амплитуды U Q , частоты повторения скважности, равной двум к исследуемому объекту 4 прикладывается через первый сумматор -3 сумма прямоугольного напряжения U) от источника- 2 и линейно изменяющегося напряжения смещения от программируемого ис гочника смещения 13, управляемого блоком управления 1, вводящего объект 4 в режим сильного обогащения (положительное для структуры п-типа и отрицательного для структуры р-типа). в данном случае исследуемым объектом является 1ОДП-структура. Напряжение на выходе операционного усилителя 5, обусловленное первы скачком прямоугольного напряжения, выражается . Jf(f) %.СР) где UQ - амплитуда воздействия; К(,Р)- изображение передаточной функции измерительной цепи , л / ft. V f п , sifsi) «Vbl,) Выражение К (Р) может быть представ лено в табличном виде следующим J Р 3 С-АР+Р ЙОГГА Р(.Р + Р) . ..) pTp)p Изображение напряжения UjCPteo времен ной области имеет вид ,ъ ,) sW-фй;) ) f ) 1-е () + ) где емкость диэлектрика; C(j- емкость образцового конде сатора; емкость обедненного слоя полупроводника; СаИЙ- емкость и сопротивление, связанные с поверхностны ми состояниями и зависящ от поверхностного потенциала . В режиме обогащения емкость Ct обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДПструктуры практически равна емкост диэлектрика. Следовательно в режим обогащения С , а напряжение н выходе операционного усилителя 5 имеет вид При этом напряжение U на выходе у равляемого делителя напряжения 7 равно гт - гт UT VQ - где Kjj - коэффициент передачи управляемого делителя напря жения 7. Через время j t от начала измер ния, достаточное для смещения объе та 4 в режим обогащения, по команде блока управления 1 замыкается ключ 10. Напряжение иg на выходе второго сумматора 9, равное Ug U7-Ue через замкнутый ключ 10 и запоминаю-щий блок 11 подается на регулирующий вход управляемого делителя напряжения 7 и изменяет его коэффициент передачи К,. Как только К станет равным , напряжение на выходе второго сумматора 9 станет равным нулю (Ug 0), и нуль-орган 12 выдает команду на запоминающий блок 11 для запоминания напряжения и . При этом выходное напряжение запоминающего блока 11 U поддерживает коэффициент передачи управлявмого делителя напряжения 7 равным (j/C, кроме того открывается ключ 8, и на третий вход сумматора 3 подается выходное напряжение управляемого делителя напряжения 7 U7« Напряжение на выходе сумматора 3 равно и 5, и(5 + Uij. Напряжение на выходе операционного усилителя 5 при этом имеет вид UjtP) (Uo+ U7) где )- изображение сопротивления объекта 4. После смещения МДП-структуры объекта 4 в интересующую область (вывода МДП-структуры 4 из режима обогащения) напряжение на выходе операционного усилителя 5 равно ,. 1 ) гЩ) Ш1 , f- . P , Так как U то имеем C-, ) ,, c и„йс„с, 7- o -r p5c R- qftCf C, p+a -.1, Р+Й -+ао„-Л TcqTcT Таким образом, компенсация емкости диэлектрика С достигается, и выходное напряжение операционного усилителя 5 не зависит от параметра С. Обеспечение компенсации влияния напряжения смещения на режим работы операционного усилителя 5 по постоянному току достигается при помощи инвертора 14, регулируемого сопротивления 15 и ключа 16. На регулируемое сопротивление 15 пода ется инвертированное линейно изменягащееся напряжение смещения U(. Выходное напряжение операционного усилителя 5, поступающее на управляющий вход регулируемого сопротивления 15 через ключ 16, открываемый импульсом от. блока управления 1 в момент времени t J y ;литeльнocтью t изменяет значение регулируемого сопротивления 15, так, чтобы выходное напряжение операционного усилителя 5 в момент времени Ъ),поддерживалось равным нулю. Напряжение U5(p) во временной области имеет вид , и 5 (t) Lo It Э {1 -eRCu ) .

В момент времени ,подачи скачка постоянного напряжения от источника 2 опорного напряжения выходное напряжение операционного усилителя 5 определяете значением емкости Cj

5(,

Это напряжение выделяется ключом 17 который открывается на время действия тактового импульса, поступающего от блока управления 1 в момент времени t через ключ 18, открываерлый в .момент срабатывания нульоргана 12. Выделенное.ключом 17 напряжение и jCtf) поступает на запоминающий блок 19, сбрасывается в исходное состояние импульсом от блока управления 1 в момент времени tK.| MnНапряжение Ue(t запоминается и с выхода запоминающего блока 19 поступает на вход коммутатора 24 и на вхо вычигателя напряжений 21, В установившемся режиме,, в конце полупериод напряжения прямоугольной формы, выходное напряжение операционного усилителя 5, равное

с: . поступает на вход вычитателя напряжений 21 через ключ 20, имеющий временную задержку по управляющему входу to,, относительно момента времени t .,, Значение t выбрано .из условия tj т. е. чтобы практически окс ччился переходной процесс от скака постоянного напряжения в измерительной цепи. На другой вход вычитателя напряжений 21 поступает налряжениа Ug-(t) с выхода запоминающего блока 19 и выходное напряженке вы итателя напряжения 21

пропорциональное значению параметра CQ, поступает на еход коммутатора 24.

Одновременно с открыванием ключг 17 тактовым импульсом от блока управления 1, запускается блок .измерения постоянной времени 22, который может быть реализован, любым известным способом (см. фиг. 3).

Блок измерения постоянной времени содержит дифференциатор 26, ключ 27 схемы совпадений 28 и 29, источник 30 постоянных опорных напряжений UgfiQ, триггер 31, преобразователь 32 временного интервала в напржение.

Выходное напряжение блока измерения постоянной времени 22, пропорциональное t , поступает на вход коммутатора 24 и на вход схемы деления напряжений 23, в которой напряжение и,, поступающее с выхода вычитателя напряжений 21 на другой вход схемы деления напряжения 23, делится, на напряжение . Выходное напряжение схемы деления напряжений 23 , пропорционально G 4 , поступает на коммутатор 24. О значении параметра С судят по значению коэффициента передачи управляемого делителя напряжения 7, а в случае линейности коэффициента передачи последнего - по значению управляющего напряжения на выходе запоминающего блока 11, подаваемого на коммутатор 24.

Предлагаемое устройство позволяет измерять электрофизические параметры НДП-структур по более точной, 4-элементной .. схеме замещения. При этом значительно расширяются функциональные возможности устрой-ства, позволяющие за один цикл измерения получить информацию обо все параметрах схемы замещения МДП-струтуры, а именно C,, C2.-V, ., G-V. Также повышается быстродействие цепи компенсации влияния линейно изменяющегося напряжения смещения на режим операционного усилителя по постоянному току за счет исключени из нее фильтра нижних частот, а это позволяет работать при более высоки скоростях изменения напряжения смещения.

Формула изобретения

Устройство для измерения электрофизических параметров МДП-структур, содержащее самописец, источник опорд ного напряжения, клеммы дЛя подключения Исследуемого объекта, программируемый источник смещения, инвертор, регулируемое сопротивление, управляемый делитель напряжения, два ключа, нуль-орган, запоминающий

блок, два сумматора,- операционный усилитель с образцовым конденсатором в цепи обратной связи, блок управления, причем первый сумматор соединен одним из входов с первым входом

0 второго сумглатора и выходом источника опорного напряжения, вход первого сумматора - со входом инвертора, выходом программируемого источника смещенйЯ и с горизонтальным входом самописца,.а выход соединен

с одной из клемм для подк;гючения исследуемого объекта, другая клемма подключена через регулируемое сопротивление к выходу инвертора и непосредственно ко г ходу операционного усилителя, Ъыход которого соединен с управляемым делителем напряжения, блок управления одним выходом соединен с программируемым ис.точником смещения, с первым и вторым ключами и с запоминающим блоком, выход которого подключен к управляемому делителю напряжения, выход которого подключен к первому ключу и второму входу второго cyNUMaTOpa, выход которого соединен через последовательно включенные второй ключ, нуль-орган и первый ключ с третьим ,входом первого сумматора, другой выход блока управления подключен ко второму выход которого соединен с запоминающим блоком, выход нуль-органа подключен к запоминающему блоку, отличающе-ес я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения быстродействия устройства для измерения электрофизических параметров МДП-структур, в него введены коммутагор, блок измерения постоянной времени, схема деления напряжений, дополнительный запоминающий блок, вычитатель напряжений, выходы которых соединены через коммутатор со входом самописца, четыре дополнительных ключа, причем третий выход блока управления соединен с управляющим входом дополнительного запоминающего блока и с управляющим входом первого дополнительного ключа

соединяющего управляющий вход регулируемого сопротивления с выходом операционного усилителя, а четвертый - со входом второго дополни.тельного ключа, один управляющийвход которого соединен с первым выходом блока управлении, а другой - с выходом нуль-органа, а выход этого ключа с управляющими входами блока измерения постоянной времени и третьего и четвертого дополнительных ключей, выход операционного усилителя соединен через третий дополнительный ключ со входом вычитателя напряжений, а через четвертый дополнительный ключ - со входом допол5нительного запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с одним входом схемы деления напряжений, другой

0 вход которой соединен с выходом блока измерения постоянной времени, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, выход запоминающего блока, соединенный с

5 управляемым делителем напряжения, соединен с коммутатором, а пятый выход блока управления соединен со входом источника опорного напряжения.

0

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 658508, кл. G 01 R 31/26,

G 01 R 27/26, 1.977.

5

2.Авторское свидетельство СССР № 763821, кл. G 01 R 31/26, 1978

(прототип).

и

Х1

.0

(/;

us

II.

W

(