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

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проведения контроля качества МДП-структур в процессе их производства.

Известно устройство для измерения параметров МДП-структур, содержащее генератор синусоидального напряжения, источник смещения, управляемый делитель напряжения, образцовое сопротивление, первый операционный усилитель/ выпрямитель, самописец, индикатор синфазности, инвертор, второй операционный усилитель, образцовый конденсатор/сумматор, фильтр нижних ча стот, регулируемое .сопротивление р- .

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения реальныхпараметров МДП-структур;изза использования неточнойсхемы их замещения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для регистрации и измерения вольт-Фазовых характеристик, содержащее генератор синусоидального напряжения, объект измерения, программируемый -источник смещения, управляемый делитель напряжения, образцовый регистр, первый операционный усилитель, выпрямитель, регистратор,индикатор синфазности, инвертор, второй операционный усилитель, образцовые конденсаторы, первый сумматор, фильтр нижних частот,- регулируемый резистор, блок управления, первый ключ, второй сумматор нуль органа, запоминающий блок, второй управляемый делитель напряжения, второй ключ 2.

10

Недостатком известного устройства является невысокое быстродействие измерения напряжения плоских зон и порогового напряжения. При использовании устройства необходимо объект

15 измерения ввести в режим сильного обогащения, после чего измерить емкость диэлектрика и компенсировать ее значение. Затем, изменяя значение напряжения смещения, измеряют вольт20фарадовую характеристику (ВФХ) исследуемой МДП-структуры. Сравнивая идеальную и измеренную ВФХ и определяя смещение измеряемой ВФХ относительно идеальной, определяют напряжение плос25 кихзон. Следовательно,использование устройства предполагает измерение полной ВФХ исследуемого объекта, что требует существенных затрат времени.Кроме того,требуется большой объем вычислений

30 для определения теоретической ВФХ, а также графическая обработка теоретической и экспериментальной зависимос ти, что дает дополнительную.погрешность и требует дополнительных затрат времени. Целью изобретения является повыше ние быстродействия устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения элект физических параметров МДП-структур, содержащее первый и второй сумматоры управляемый делитель напряжения, генератор синусоидального напряжения ключ, соединенный первым входом с выходом блока управления и первым входом програмируёмого источника сме щения,образцовый резистор, соединенный первым выводом с входом первого операционного усилителя, выход которого соединен через последовательно соединенные разделительный конденсатор и объектизмерения с его входом и первыми входами первого сумматора и первого выпрямителя, резистор, соединенный первЬм входом с выводом программируемого источника смещения, входом, объекта измерения и выводом разделительного конденсатора,вторым входом - с выходом фильтра нижних частот, третьим входом - с выходом первого фазоразделителя, четвертым входом - с выходом второго фазоразделителя, пятым входом - с выходом первого выпрямителя, в него введены анализатор, блок уставок, фазосдвигающий элемент и элемент задержки, соединенный входом с выходом генератора синусоидального напряжения и вторым входом ключа, выходом ,- с тре тьим входом ключа, выход второго вып рямителя соединен с первым входом управляемого делителя напряжения, вход - с выходом ключа, вторым выводом образцового регистра, вторым вхо дом управляемого делителя напряжения первыми входами первого и второго фазоразделителей, вторые входы которых соединены с выходом второго сумматора, соединенного первым входом первого сумглатора, второй вход которо го соединен с выходом фазосдвигающего элемента, соединенного входом с выходом управляемого делителя напряж ния, входом фильтра нижних частот, с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с третьим .входом управляемого делителя напряжения первые входы анализатора и блока установок соединены с выходом первого фазоразделителя, выход анализатора соединен с вторым входом блока уставок и вторым входом программируемого источника смещения, третий и четвертый входы которого соединены соответ ственно с шестым и седьмым входами регистратора и первым и вторым выходами блока уставок, соединенного третьими входом с выходом блока управления. Блок уставок содержит первый я второй блоки памяти, первый и второй элементы сравнения, соединенные первыми входами с первыгли входами первого и второго блоков памяти и первым входомблока уставок,, вторыми входами - соответственно с выходами первого и второго блока памяти, выходами - соответственно с перв.ым и втоpbiM {выходами блока уставок, соединенного вторым входом с вторь1ми входами блоков памяти, третьи входы которых соединены с третьими входами блока уставок. Управляемый делитель напряжения содержит первый, второй и третий резисторы, второй операционный усилитель соединенный выходом с выходом делителя напряжения и первым резисто- . ром, второйвывод которого соединен с входом второго операционного усилителя и через второй и третий резисторы - соответственно с первым и вторым входами делителя напряжения. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг 2 - временные диаграглмы его работы. Устройство содержит генератор 1 синусоидального напряжения, объект 2 измерения, програл1мируемый источник 3 смещения, управляемой делитель 4 напряжения, образцовый резистор 5, первый, операционный усилитель б, первый выпрямитель 7, регистратор 8, образцОвый конденсатор 9, первый сумматор 10, фильтр 11 нижних частот, блок 12 управления, ключ 13, второй сумматор 14, первый фазоразделитель 15, ВТОР9Й фазоразделитель 16, элемент 17 задержки, второй выпрямитель18, фазосдвигакмций элемент 19, анализатор 20, блок 21 уставок. Управляемый делитель напряжения 4 включает второй 22 и третий 23 резисторы, первый резистор 24 и второй операционный усилитель 25. Блок уставок 21 содержит первый 26 и второй 27 блоки памяти, первый 28 и второй 29 элементы сравнения. Устрой ство работает следующим образом.. В начальный момент времени по команде блока 12 управления закрывается ключ 13, сбрасываются в нулевое .состояние блоки 26 и 27. По сигналу с элемента 17 задержки в момент времени tfl (фиг. 2) открывается ключ 13. К образцовому резистору 5прикладывается синусоидальное напряжение Uj : ЧЬх UQ si п iX) t, где UQ- амплитуда тестового сигнала;круговая частота; t - врегля.

Поскольку величина емкости разделительного конденсатора 9 (С) выбирается таким образом, что

Ср С,

где Сп емкость диэлектрика объекта измерения 2 (:МДП-структуры),

то напряжение Uj, на выходе .операционного усилителя 6 равно . Ub--UoL-p - (pi.oDi-)

RoCnT

tlOij

RTfC-Vb Из виражения (2) следует, что пос тоянная составляющая напряясения UgHa выходе операционного усилителя 6 про порциональна емкости CK . Первый сумматор 10 сравнивает постоянную состав ляющую напряжения Uj на выходе операционного усилителя 6 с постоянной сос тавляющей напряжения и. на выходе управляемого делителя напряжения 4. Напряжение и равно:. и, UQ Kl-t- Uft, - К,, . где UQ- значение напряжения на выходе второго выпрямителя 18 К1- коэффициент передачи управляемого делителя напряжения Напряжение выходе первого сум матора 10 равно: UZ-UO-RI-ио- ;гд| Напряжение Uz регистрирует коэффи циент передачи К1-регулируемого дели теля напряжения 4 до тех пор, пока U станет равным нулю. При U, О KffejSfft . Напряжение и,на выходе фильтра И нижних частот, равное, Ui Uo-K-i -Uo- -Gj фиксирует регистратор U, что позволяет определить величину Сд. Напряжение Uj, на выходе сумматора 14 равно Цц U6 - Ug, где US-UUK напряжение на выходе фазосдвигающего элемента 11, JSi. коэффициент передачи Р фазосдвигающего .элемен та 19. U U8-U6.(W Вл г RO VRn-:- - Сд

. Us U6xlif p-f iT- :c 5 ;/./;

где RQ- сопротивление образцового

регистра 5;

C-f|, емкость и сопротивлер ие полупроводника объекта измерё ния 2 (МДП-структуры); Р - оператор Лапласа. Оригинал функции (1) имеет-вид:

)

COStOt t

4U)j

iPn-en-p При условии, что (при соотетствующем подборе определенной часоты и) тестового сигнала U I I ).n Ч- I RO -i+RnCn- I Напряжение УцПоступает на информаионные входы первого и второго 16 азоразделителей на. управляющие вхоы которых подается напряжение Ug с ыхода ключа 13. При этом -1апряжение E с выхода первого фазоразделителя 5, равное Ub-us. rfJ где К5- коэффициент пропорциональности, фиксирует регистратор 8, что позволяет определить величину С-р. Напряжение выхода второго фазоазделителя 16, равное U7 U6x-K4| Г6/ где КЦ- коэЛЛициент пропорциональности, фиксирует регистратор 8, что позво.ляет определить RI-, . Напряжение Уд с выхода первого.Фаг зоразделителя 15 поступает на вход анализатора 20, входы первого 26 и -второго 27 аналоговых блоков памяти. Напряжение Ug с выхода первого блока памяти, равно и 5 Ue К8, С7 ) где коэффициент передачи первого блока памяти 26,учитывающий необходш/1Ый для измерения Urnop уровень напряжения смещения на объекте 2. Напряжение Ug поступает на первый вход элемента сравнения 28. Напряжение Ug с выхода второго блока памяти 27 равно К,. где - коэффициент передачи второго блока памяти 27, учитывающий необходимый для измерения Ut/, уровень напряжения смещения.на объек те 2. . После открывания ключа 13 с выход программируемого источника |3 смещения на объект 2 измерения поступает напряжение, смещающее объект 2 измерения в область глубокой инверсии. При этом емкость Сп уменьшается, следовательно, напряжение llg возрастает {фиг. 2). Как только зн 1чениеемкости C-R достигает минимального значения что соответствует мaкcимaльнo /ly значению напряжения Ug и фиксируется анализатором экстремума 20, по его команде блок памяти 26 выдает на выходе --напряжение U8 ка, (8) Блок 27 памяти вЕядает на выходе напряжение УЭ Ufi-max- КЭ,(9) После определения величины U и Ug источник 3 смещения на объект 2 измерения задает напряжение,, под действием которого значен1«е емкости Сп начинает возрастать. При равенстве текущего значения напряжения Ug, на выходе фазоразделителя 15 и 32)ачения. напряжения Ug на выходе первого блока 26 памяти по сигналу элемента 28 сравнения источник 3 прекращает изменение напряжения смещения, а достигнутое значение этого напряжения фиксируется регистратором 8 как пороговое напряжение Uj,Qp v Далее источник 3 изменяет значение напряжения смещения на объекте измерения 2 до достижения равенства значения напряже ния и6 на выходе фазоразделителя 15 значе нйю напряжения Ug на выходе блока 27 памяти. В момент равенства Ug и Ug по сигналу элемента 29 сравнения источник 3 прекращает.изменение напряжения смещения, а достигнутое значение этого напряжения фиксирует регистратор 8 как напряжение плоских зон УрД. Таким образом, за счет введения элементов 17 и 19, блоков 20 и 21 отпадает необходимость регистрирова:ть ВФХ, вычислять идеальную ВФХ, сравнивать идеальную и измеренную ВФХ, что повышает быстродействие измерения наг рряжения плоских зон и порогового нат пряжения и, следовательно, быстродействие устройства. Формула изобретения 1. Устройство для измерения электрофизических параметров гадп-струк- тур, содержащее первый и второй сумматоры, управляемый делитель напряже ния, генератор синусоидального нaпpя жения, ключ, соединенный первым входом с выходом блока управления и пер вым входом программируемого источник смещения, образцовый резистор соединенный первым выводом с входом пер вого операционного усилителя, выход которого соединен через последователь ное соединение разделительный конден-. сатор и объект измерения с его входом и первыми входами первого сумматора и первого выпрямителя, регистратор, соединенный первым входом с- выходом програгФшруемого источника смещения, входом объекта измерения и выводом разделительного конденсатора, вторым входом - с выходом фильтра нижних частот, третьим входом - с выходом первого фазоразделителя, четвертым входом - с выходом второго фазоразделителя, пятым входом - с выходом первого выпрямителя, о т л ичающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, в него введены анализатор, блок уставок, фазосдвигающий элемент, элемент задержки, соединенный входом с выходом генератора синусоидального напряжения и вторым входом ключа, выходм с третьим входом ключа, выход второго выпрямителя соединен с первым входом управляющего делителя напряжения, вход - с выходом ключа, вторым выводом образцового резистора,вторыгл входом управляемого делителя напряжения, первыми входами первого и второго фазоразделителей, вторые входы которых соединены с выходом второго.сумматора, соединенного первым входом с первым входом первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом фазосдвигающего элемента, соединенного входом с выходом управляемого делителя напряжения, входом фильтра.нижних частот, с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с третьим входом управляемого делителя напряжения, первые входы анализатора и блока уставок соединены с выходом первого фазоразделителя, выход анализатора соединен с вторым входом блока уставок и вторым входом: программируемого источника смещения, третий и чет-вертый входы которого соединены соответственно с шестым и седьмым входами регистратора и первым и вторым выходами блока уставок, соединенного третьим входом с выходом блока управления. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся. тем, что блок уставок содержит первый и второй блоки памяти, первый и второй элементы сравнения, соединенные первыми входа1- ми перв.ого и второго блоков памяти и первУм входом блока уставок, вторыми входами - соответственно с выходами первого и-второго езлоков памяти, выходами - соответственно с первым и вторым выходами блока уставок, соединённого вторым входом с вторыми входами блоков памяти,третьи входы которых соединены с третьим входом блока уставок. 3. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что управляемый делитель напря5хения содержит первый, второй и третий резисторы, второй операционный усилитель, соединенный выходом с выходом делителя напряжения и первым резистором, второй вывод которого соединен с входом второго операционного усилителя и через второй и третий резисторы - соответственно с первым и вторым входами делителя напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР.. 658508, кл.С 01 R 31/26, 1979, 2.Авторскбе свидетельство СССР по заявке 2б37833/18-21, кл. G 01 R 31/26, 1978 (прототип).

1

и смещения

%

NL.

бг