Устройство для измерения электрофизических параметров мдп структур

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Свюэ СоветскикСоциалистмческикРеспублик р 1905885(22) Заявлено 200580 (21) 2926071/18-21 151 М. Кл. 6 01 Н 31/26 с присоединением заявки Ко Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИ ПАРАМЕТРОВ МДП-СТРУКТУР 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 измерения параметров исследуемого объекта 11) .Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения реальных параметров МДП-структур из-за использования неточной схемы замещенияНаиболее 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, образцовоесопротивление (Й ), первый операционный усилитель, выпрямитель, самописец, индикатор синфазности, инвертор, второй операционный усилитель, образцовые конденсаторы, первый сумматор, фильтр нижних частот,регулируемое сопротивление, блокуправления, первый ключ, второй сумматор, нуль-орган, запоминающий блок,второй управляемый делитель напряжения, второй ключ (2),К недостаткам данного устройстваотносится низкое быстродействие цепи компенсации влияния линейно изменяющегося напряжения, смещения нарежим операционного усилителя попостоянному току ввиду того, что вцепь компенсации включено интегрирую"щее звено - фильтр нижних частот.Это ограничивает скорость изменениянапряжения смещения. Кроме того, устройство характеризуется ограниченными функциональными возможностями,не позволяющими измерять все парамет-ры эквивалентной схемы МцП-структуры.Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей и повы" З 0 шение быстродействия измерения эле 905885ктрофизических параметров МДП-структур.Цель достигается тем, что в устройство для измерения электрофиэических параметров МДП-структур, содержащее самописец, источник опорного 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 иэ входов с первым 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 инвертора 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:,то"1 ому входу второго сумматора,од которого соединен через послев.о:,ательно включенные второй ключ, куль-орган и первый ключ с третьим входом первого сумматора, другой выход блока управления подключен ко второму ключу, выходом которого соединен с запоминаюцим блоком, а выход нуль-органа подключен к заноминаюцему блоку, введены коммутатор, 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 дополнительного ключа, один управляющий вход которо" го соединен с первым выходом блока управления, а другой - с выходом нуль-.органа, а выход этого ключа с управляющими входами блока измере" ния 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 дополнительного запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом вычитателя напряжений, выход которого соединен с одним входом схемы деления 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 ИДП-структур; на фиг, 2 - временные диаграммыпоясняющие 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, нуль- орган 12, программируемый источник смещения 13, инвертор 14, регулируемое сопротивление 15, первый, второй и третий дополнительные ключи 16 - 18, дополнительный запоминающий блок 19, ключ 20, вычитатель напряжений 21, блок измерения постоянной времени 22, схема деления напряжений 23, коммутатор 24, самописец 25.Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени д по команде блока управления 1 размыкаются ключи 8, 10 и 18, сбрасывается в исходное состояние запоминающий блок 11, источником 2 опорного напряжения вырабатывается прямоугольное напряжение амплитуды Бчастоты повторения йои скважности, равной двум, к исследуемому объекту 4 прикладывается через первый сумматор 3 сумма прямоугольного напряжения П от источника 2 и линейно изменяюцегося напряжения смещения от программируемого источника смещения 13, управляемого блоком управления 1, вводящего объект 4 в режим сильного обогащения (положительное для структуры и-типа и отрицательного для структуры р-типа) . В данном случае исследуемым объектом является ИДП-структура. Напряжение на выходе операционного усилителя 5,обусловленное первым скачком прямоугольного напряжения, выражаетсяУ (Р) = Б:т (Р)где о - амплитуда воздействия;К(Р)- изображение передаточнойфункции измерительной Выражение К(Р) может быть представлено в табличном виде следующим образом С рСР 1 3асс А ъ с 5 сср рртс 1 515 о Срс С АЕЯС+-,РЪ Ь ГР(С Су С С 20 5 ) С К Р+Р РС,СС Р Р(РР) оИзображение напряжения У(Р)во временной области имеет вид25 С5 о С При этом напряжение равляемого делителя равно оБ на выходе упнапряжения 755 С 11)Ч = О С КтСогде Кр - коэффициент передачи управляемого делителя напряжения 7.Через время1 от начала измерения, достаточное для смещения объекта 4 в режим обогащения, по команде блока управления 1 замыкается ключ 10. Напряжение У 9 на выходе 65 ссцс,с )С с тст 1 С тс, еСЗОс с тс )с,цс 1 с, ) "сс 1х 1-8,где С- емкость диэлектрика;С - емкость образцового конденсатора;С- емкость обедненного слояполупроводника;Сий- емкость и сопротивление,связанные с поверхностными состояниями и зависящиеот поверхностного потенциала.В режиме обогащения емкость Сс обедненного слоя полупроводника настолько велика, что емкость МДП структуры практически равна емкости диэлектрика. Следовательно в режиме обогащения СОС , а напряжение на выходе операционного усилителя 5 имеет вид 50 второго сумматора 9, равное Е=-О через замкнутый ключ 10 и запоминающий блок 11 подается на регулирую" щий вход управляемого делителя напряжения 7 и изменяет его коэффициент передачи К. Как только К станет равным Кв - Со/С, напряжение на выходе второго сумматора 9 станет равным нулю (У 9 = О), и нуль"орган 12 выдает команду на запоминающий блок 11 для запоминания напряжения. При этом выходное напряжение зайоминающего блока 11 О поддержи вает коэффициент передачи управляемогь делителя напряжения 7 равным К=Со/С, кроме того открывается ключ 8, и на третий вход сумматора Э подается выходное напряжение управляемого делителя напряжения 7 1)7. Напряжение на выходе сумматора 3 равно 1)= БО + ц+ . Напряжение на выходе операционного уси" висели 5 при етсм имеет вилпр Р 3 = (С се Бт 1 рсе т р)где Е(Р)- изображение сопротивленияобъекта 4.После смещения МДП-структуры объекта 4 в интересующую область (вывода МДП-структуры 4 из режима обогащения) напряжение на выходе операционного усилителя 5 равноОО Т9 рсСо РСо оЬ,С+ссс С ФСР,С,) С )Р,С, С,Так как Б = Ус К ( = Б - то имеемСо7 5 с 1 ре)ОИРщ5 Со РСо- +ССР а) 1 СС Р ФО РтесС.Ъ Р а 1 С 1 сЬ Раес р с: - +а О, )соСоэсевТаким образом, компенсация емкости диэлектрика С достигается, и выходное напряженйе 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 ре"с одной из клемм для подключенияисследуемого объекта, другая клеммаподключена через регулируемое сопротивление к выходу инвсртора инепосредственно ко .ходу 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 ивторому входу второго сумматора, выход которого соединен через последовательно включенные второй ключ,нуль-орган и первый ключ с третьимвходом первого сумматора, другойвыход блока управления подключен ковторому ключу, выход которого соединен с запоминающим блоком, выход 20нуль-органа подключен к запоминающему блоку, о т л и ч а ю ш е е с ятем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения быстродействия устройства для 25измерения электрофизических параметров МДП-структур, в него введеныкоммутагор, блок измерения постоянной времени, схема деления напряжений, дополнительный запоминающийблок, вычитатель напряжений, выходы которь 1 х соединены через коммутатор со входом самописца, четыредополнительных ключа, причем третийвыход блока управления соединен с 35управляющим входом дополнительногозапоминающего блока и с управляющимвходом первого дополнительного ключа,соединяющего управляющий вход регулируемого сопротивления с выходомоперационного усилителя, а четвертый - со входом второго дополнительного ключа, один управляющийвход которого соединен с первым выходом блока управления, а другой - свыходом нуль-органа, а выход этогоключа с управляющими входами блокаизмерения постоянной времени и третьего и четвертого дополнительныхключей, выход операционного усилителя соединен через третий дополнительный ключ со входом вычитателя .напряжений, а через четвертый дополнительный ключ - со входом дополнительного запоминающего блока, выход которого соединен с другим входом вычитателя напряжений, выходкоторого соединен с одним входомсхемы деления напряжений, другойвход которой соединен с выходомблока измерения постоянной времени,вход которого соединен с выходомоперационного усилителя, выход запоминающего блока, соединенный суправляемым делителем напряжения,соединен с коммутатором, а пятыйвыход блока управления соединен совходом источника опорного напряжения. Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидет льство СССРР 658508, кг. С 01 В 31/26,С 01 В 27/26, 1977.2. Авторское свидетельство СССРР 763821, кл. С 01 В 31/26, 1978акаэ лиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектна/68 Тираж 7 НИИПИ Государстве по делам иэобрет 035, Москва, Ж8 Подписноного комитета СССРний и открытийРаушская наб., д. 4/5