Измеритель электрофизических характеристик МДП-структур Советский патент 1982 года по МПК H01L21/66 G01R31/26 G01R31/28 

(5) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МДП-СТРУКТУР

.

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

Известно устройство, позволяющее производить раздельное измерение параметров МДП-структур, представляемых трехэлементной схемой заме- . щения ,

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения параметров МДП-структур, так как последняя представляется неточной трехэлементной схемой замещения и при дальнейшем пересчете полученных значений для четырехэлемеНтной схемы замещения, возникают значительные погрешности (до 15).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерений электрофизических параметров МДП-структур,

позволяющее производить измерение электрофизических параметров МДПструктур на более точной четырехэлементной схеме замещения, содержащее блок управления, источник опорного напряжения, первый сумматор, исследуемый объект, операционный усилитель, образцовый конденсатор, управляемый делитель напряжения, первый ключ, второй сумматор, второй ключ, запоминающий блок. Нульорган программируемый источник напряжения смещения, инвертор, регулируемое сопрс тивление, первый, второй и третий дополнительные ключи, дополнительный запоминающий блок, ключ, вычитатель напряжений, блок измерения постоянной времени, схема деления напряжений, коммутатор, самописец 2}.

Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерения параметра четырехэлементной схемы замещения Cl и связанных с ним

параметров . и R, которая обусловлена тем, что о значении параметра Ссудят по измерению мгновенного значения выходного напряжения операционного усилителя в момент подачи на вход измерительной схемы скачка постоянного напряжения, а измерения подобного рода всегда сопряжены с большими случайными погрешностями.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель электрофизических характеристик МДП-структур, содержащий нуль-орган, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первь1м входом первого сумматора, выход которого соединен с первой клеммой для подключения исследуемого объекта, а ко второй клемме подключены вход операционного усилителя с опорным элементом а цепи обратной связи и выход блока ком пенса1(ии напряжения смещения, первый вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а второй вход - с выходом источника напряжения смещения, первым входом самописца и со вторым входом первого сумматора, третий вход которого через первый ключ соединен с одним входом второго сумматора, другой вход которого подключен к выходу источника . опорного напряжения, выход операционного усилителя через второй ключ соединен с блоком памяти, введены генератор тактовых импульсов, два интегратора, масштабирующий усилитель, дополнительный сумматор, пиковый детектор, причем выход операционного усилителя соединен через последовательно включенные первый интег ратор и масштабирующий усилитель с одним входом второго сумматора. Выход которого подключен к нуль-органу другой выход второго ключа соединен через пиковый детектор со вторым входом самописца, а через второй ин тегратор с первым входом дополнительного сумматора и третьим входом самописца, четвертый вход которого через дополнительный сумматор подключен к выходу блока памяти, другой вход которого-соединен, .ср вторым

rfny р.р р р(р,

рС

RCiC) PV RC,cJ

ВХОДОМ второго ключа, управляющим входом источника опорного напряжения и первым выходом генератора тактовых импульсов, второй выход которого соединен с управляющим входом блока компенсации напряжения смещения, а вход - с входной клеммой измерителя.

На фиг. 1 «изображена структурная схема измерителяJ на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Схема содержит генератор 1 тактовых импульсов, управляемый источник 2 опорного напряжения, первый 3, второй М и третий 5 сумматоры, исследуемый объект (МДП-структура) 6, операционный усилитель 7, опорный элемент 8 (RO,), первый 9 и второй 10 интеграторы, масштабирующий усилитель 11, нуль-орган 12, первый ключ 13, второй ключ lA, блок 15 памяти, пиковый детектор 16, самописец 17 источник 18 напряжения смещения, блок 19 компенсации напряжения смещения, содержащий инвертор 20, регулируемое сопротивление 21, ключ 22.

Измеритель работает следуюи им

образом.

По сигналу Пуск запускается генератор 1 тактовых импу/1ьсов, который в свою очередь запускает и начинает управлять работой источника 2 опорного напряжения, вырабатывающего сигнал в виде последовательности чередующихся импульсных напряжений пилообразной и г рямоугольной формы (фиг.20).

В начальный интервал времени Л1 до введения МДП-структуры в режим обогащения напряжения на выходе операционного усилителя 7 обусловленной подачей пилообразного напряжения kUj.,t на ОДП-структуру, имеет изображение вида

И Mk. к

5т Р V

.где К - крутизна пилообразного напряжения ;

kp - изображение передаточной функции измерительной схемы. где С. - емкость диэлектрикаJ Сл - емкость обедненного слоя полупроводника; RP . - сопротивление образцового резистора; R - емкость и сопротивление, связанное с поверхностными состояния , ми. . Изображение напряжения Uf(p во временной области имеет вид (фиг.2б i,.КЦоЯоС Сг 5(РГ . KUc.Ro( ( . V У в интервал времени Д1л, до вед ния МДП-структуры в режим обогащен напряжение на выходе операционного усилителя 7, обусловленное подачей скачка постоянного напряжения ампл туды Уд, имеет изображение вида: ц,к. S() сЧр) где UQ - амплитуда воздействия. Изображение напряжения U(p) во временной области имеет вид (фиг.2Й C-,Ci :.Ft ft.Ca(CitC) . 4- ,) -Ffc Hca.,) Режим обогащения достигается путем подачи на МДП-структуру высокого постоянного напряжения смещения которое выдается источником 18 напряжения смещения, путем перевода последнего из режима линейно изменяющегося напряжения в режим постоянного напряжения обогащения. В режиме обогащения емкость С обедненного слоя полупроводникана столько велика, что емкость МДПструктуры практически равна емкост диэлектрика. Следовательно, в режиме обогаще ния С« С, а напряжение на выхо де операционного усилителя для интервала времени At имеет вид ) KU RoCi; UyW . для интервала времени ut (p) o(P)(P)pUcRcC,; ) ). После введения МДП-структуры в режим обогащения регулируют коэффициент передачи масштабирующегр усилителя IV до равенства напряжения Ц на выходе сумматора k нулю, т.е. до момента, когда U - UQ Ux только ид О, срабатывает нуль-орган 12, 4Yo свидетельствует о том, что коэффициент передачи последовательно соединенных первого интегратора 9 и масштабирующего усилителя 11 становится равен KX(P)/PC.ROПосле этого МДП-структура 6 выводится из режима обогащения путем перевода источника 18 напряжения смещения в режим линейно изменяющегося напряжения и замыкается ключ 13. Тогда для интервала времени л Ц на выходе операционного усилителя 7 имеет напряжение .вида (р)- о-Таким образом достигается компенсация емкости диэлектрика Qj. Аналогично компенсируется емкость диэлектрика и для интервала времени utj., т.е. выходное напряжение операционного усилителя 7 не зависит от параметра С. при подаче на МДПструктуру 6 воздействия любого вида. После того, как емкость диэлектрика С скомпенсирована, начинается процесс снятия C-G-V-характеристик. Обеспечение компенсации влияния напряжения смещения режим работы операционного усилителя 7 по постоянному току достигается при помощи блока 19 компенсации напряжения смещения, состоящего из интервала 20, регулируемого сопротивления 21 и ключа 22. На регулируемое сопротивление 21 подается инвертированное, линейно изменяющееся напряжение смещения U и далее на вход операционного усилителя 7 выходное напряжение которого поступая на управляющий вход регулируемого сопротивления 21 через ключ 22, открываемый импульсом от генератора 1 тактовых импульсов в момент времени ,длительностью ut (фиг.2в), изменяет значение коэффи- Циента передачи регулируемого сопро тивления 20 так, чтобы выходное напряжение операционного усилителя 7 в момент времени t o qпoддepживaлoc равным нулю Сфиг.2{Г ,е). Напряжение U7(e)° временной обла ти имеет вид для интервала времени ut (фиг.2), индекс К показывает, что интервал времени взят после мо, мента компенсации С ()-KUoRoCC2- C,. -e- KUoRoe для интервала времени (фиг.26) -.(RC;t.,,cf () Обозначим и1() (UUoRoC,cfC .--t/f c 5 R Как показывают расчеты, погрешность измерения в интервал времени kt2K вызванная наличием реакции измерительной схемы ((t) на скачок постоянного напряжения U, не превышает 1,5 по всему диапазону измерения, поэтому можно считать, что oRo --fc/RC )Напряжение ) пропорциональное значению параметра G , поступает на вход пикового детектора 16, на выходе которого имеем UoRoV где К - коэффициент передами пико вого детектора 16. Напряжение U () при , t равно -KUoRoCCa- S т.е. U(t:,jp) пропорционально сумме параметров С2.и Cj. Значение ty -j-выбрано из условия что 1уст(5 бТJtr , так как при t (546) Г . Напряжение U(t) через ключ 1 управляемый генератором 1 тактовых импульсов, поступает на блок 15 памяти и далее на один из входов сумматора 5« В интервале времени напряжение U4j(t2n) через ключ 1 поступает на второй интегратор 10, на выходе которого напряжение имеет вид (фиг.) 1 . --fc/Rc u-f -C oVif UM где t - постоянная ийтегрирования интегратора 10. При t t«p имеем ujScT) 4, т.е. Ц (ty(;) пропорционально значению параметра Cj.. Напряжение Ц.) поступает на другой вход сумматора 5, напряжение на выхдда которого равно U5U)---KUoRo« J- Uo C,i-t -е -KUoRoC при условии, что k 1/Гй. Таким образом, выходное напряжение сумматора 5 ) пропорционально значению параметра С. В интервал времени &t передним фронтом тактового импульса от генератора 1 тактовых импульсов сбрасывается в исходное состояние блок 15 памяти. Напряжения и . U.,, U...поступают КУ ь -Iv - на вертикальные входы самописца 17, на горизонтальный вход которого подается напряжение смещений 11.. На ленте самописца 17 фиксируются кривые . Путем использования предлагаемого измерителя удается устранить влияние случайной составляющей погрешности измерения параметра С за счет измерения значения напряжения, пропорционального данному параметру, после окончания .переходного процесса в измерительной схеме, т.е. в установившийся момент времени, а не в . момент подачи скачкообразного воздействия на объект измерения, когда крутизна экспоненциальной составляющей выходного напряжения операционного усилителя максимальна и значение случайной составляющей погрешности измерения напряжения, пропорционального параметру С, может быть достаточно велико. Формула изобретения Измеритель электрофизических хаактеристик МДП-структур, содержащий нуль-орган, источник опорного напря жения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, вы ход которого соединен с первой клем мой для подключения исследуемого объекта, а ко второй клемме подключены вход операционного усилителя с опорным элементом в цепи обратной связи и выход блока компенсации напряжения смещения, первый вход кото рого соединен с выходом операционно го усилителя, а второй вход - с выходом источника напряжения смещения первым входом самописца и со вторым входом первого сумматора, третий ,вход которого через первый ключ соединен с одним входом второго сумматора, другой вход которого подключен к выходу ис;точника опорного напряжения, выход операционного уси лителя через второй ключ соединен с блоком памяти, отличающий с я тем, что, с целью повышения точ ности измерения, в него введены генератор тактовых импульсов, два интегратора, масштабирующий усилитель дополнительный сумматор, пиковый да тектор, причем выход операционного усилителя соединен через последова510тельно включенные первый интегратор и масштабирующий усилитель с одним входом второго сумматора, выход которого подключен к нуль-органу, другой выход второго ключа соединен через пиковый детектор со вторым входом самописца, а через второй ратор с первым входом дополйительного сумматора и третьим входом самописца, четвертый вход которого через дополнительный сумматор подключен к выходу блока памяти, другой вход которого соединен со вторым входом второго ключа, управляющим входом источника опорного напряжения и первым выходом генерато|эа тактовых импульсов, второй выход которого соединен с управляющим входом блока компенсации напряжения смещения, а вход - с входной клеммой измерителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР N- 763821, кл. G 01 R 31/26, 1978. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2926071/18-21, кл. G 01 R 31/26, 20.11.80 (прототип) .