Устройство для контроля деградации мдп-структур

(19) О 1 В 31/26 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМУ онной о для едова- цессе олучемости от зав прорации ое моования во со- напряель, к ый ре- соеди(21) 4888586/25(71) Пензенский политехнический институт(56) Концевой Ю.А, Кудин В.Д, Методы контроля технологии производства полупроводниковых приборов. МЭнергия, 1973,с.48.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДЕГРАДАЦИИ МДП-СТРУКТУР(57) Использование: электронная техника, вчастности контроль качества и исследование параметров МДП-структур в процессепроизводства интегральных схем. Сущностьизобретения: расширение функциональных Изобретение относится к электртехнике и может быть использовапроведения контроля качества и исслния параметров МДП-структур в прпроизводства интегральных схем.Метод исследования основан на инии и последующем анализе зависзаряда, захваченного диэлектриком,ряда, прошедшего через диэлектрикцессе эксперимента.Известно устройство для регисвольт-,фарадных характеристик, которжет быть использовано для исследдеградации МДП-структур. Устройстдержит генератор синусоидальногожения, источник смещения, усилитвходу которого подключен образцовзистор, а выход через выпрямитель 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, аналогоцифровым запоминающим устройством, интегратором, таймером, высоковольтным усилителем постоянного тока, операционным усилителем, конденсатором, образцовым резистором, компаратором и ключом. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. нен с вертикальным входом самописца, горизонтальный вход которого подключен к источнику смещения. Обьект измерения и образцовое сопротивление образуют емкостно-омический делитель для синусоидального напряжения, В совокупности с высоковольтным источником синусоидгльного напряжения данное устройство позволяет оценивать заряд, захваченный диэлектриком, по смещению С - Ч 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 напряжения, выход которого через катушку индук- на усилитель рассогласования, на неинвертивности, объект измерения, разделитель- тирующий вход которого поступает напряный конденсатор подключен к образцовому жение от регулируемого источника резистору и вертикальному входу осцилло- опорного напряжения для установки значеграфа, причем к разделительному конденса ния стабилизирующего инжекционного тотору через фильтр низших частот, ка, Часть заряда, протекающего через состоящий из катушки индуктивностии кон- диэлектрик, захватывается его ловушками, денсатора, подключен вход электрометра. что приводит к ослаблению электрическогоНедостатками данного устройСтва явля- поля и инжекцион ного тока. Напряжейие с ются ограниченные функциональные воз выходаусилителярассогласования поступаможности, отличие формы напряженйя на " ет на регистратор и через добавочный рези- МДП-структуреотсинусойдальнойвследст-стор на объект исследования, При этом виенелинейности послеДней.".: " сОздается общая отрицательная обратнаяНаиболее близким по технической сущ- связь, Йнжекционный постоянный ток соности к изобретению является устройство, 15 храйяет значенйе; определяемоеопорным которое.содержит генератор синусоидаль- напряжением, а изменение напряжения ногонапряженияиусилитепьрассогласова-плоских зОн регистрируется как функция ния,"выХоды коФОрых через"Суййатор, времени.состоящий из"первогоразделительного . Основныминепдостатками данного усконденСатора и резистора, катушку индук тройства являются: необходимостьвручнуютивности, объект йзмерения второй разде-и Очень тОчно уСтанавлиВать "амПлитуду нал йтел ьн ый кбнденсатор подключен к потяжения генаратора, соответствующуЮ заобразцовому" резистору и вертикальному данному значейиа инжекционного тОКа; входу осциллографа. К второмУ разДели- отсутствие" возможностивоздействовать на тельному конденсатору через фильтр низ МДП-структуру сигналами; имеющими форких частотподключен вход электрометра,му, отличную от синусоидальной; и частоту, выходкоторого соединен с первым"входом" " не равную резонансной частоте последоваусилйтелярассогласбвания,второивходко-тельного.колебательнбго контура, состояторогоподключен к источнику опорного на- щего из катушки индуктивности и пряжения, а выход соеДинен с входом 30 МДП-структуры; отличие формы напряжерегиотратора,-; : .".:.:.,:. ния на МДП-структуре от синусоидальнойУстройство работает следующим обра- вследствие нелинейностипоследней; высозом, Генератор синусоидальйогонапряже- кие требования к стабильности частоты зания вырабатывает сигнал с частотой,: дающего генератора, так как малейшие равной резонансной частоте последова изменения частоть 1 генератора или пара- тельного колебательного контура, образо-метров колебательного контура приводят к ванного .катушкой индуктивности изначительному изменению напряжения на емкостью МДП-структурь. Напряженйе на . МДП-структуре; отсутствие возможности МДП-структуре равняется добротности ка- воздействовать на МДП-структуру сигнатушки индуктивности, умноженной на на лом, имеющим амплитуду одной из полпряжение генератора. Когда напряжение на уволн (выводящей структуоу в режим МПД-сгруктуренедостаточнодлявозникно-;аккумуляции) значительноменьшую, чем вения инжекции горячих носителей, через амплитуда другой полуволны (стимулируюнее протекает только ток смещения;-созда- щей инжекционный ток) для предотвращеющий на образцовом резисторе падение 45 ния пробоя, отсутствие информации о .напряжения, пропорциОналЬйое этоМутоку. точном значении напряжения на МДПТак как сопротивление образцовОго рези- структуре, посколькуоно определяется косстора небольшое, а емкость разделитель- венно по добротности контура, одним из ных конденсаторов значительно превышает - элементов которого, является собственно емкость МДП-структуры, то значительная 50 МДП-структура.часть приложенного переменного поля вы- .Цель изобретения - расширение функделяется на МДП-структуре. При дальней- цйональных возможностей и йовышение шем увеличении амплитуды напряжения быстродействия.возникает инжекционная составляющая то- Поставленная цель достигается тем, что ка, которая через фильтр нижних частот, 55 устройство, содеркащее задающий генеразначительно ослабляющий переменйуюсо- тор, сумматор, фильтр низких частот, усили-ставляющую напряжения, поступает на тель рассогласования, блок задания тока, вход электрометра, Напряжение, пропор- первую и вторую кле лмы для подключения циональное среднему за период току ин- исследуемойМДП-структуры ирегистратор, жекции, с выхода электрометра поступает снабжено .кодоуправляемым масштабнымпреобразователем, формирователем соот. ношения 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 упрарления, 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 первей 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 токопроводящего элемента которого подключен к катоду первого диода и первому входуние между амплитудой отрицательной и положительной полуволн напряжения на МДП-структуре для предотвращения пробоя, Введение высоковольтного УПТ позво ляет получить на МДП-структуре напря 5 10 25 30 40 45 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,Введение кодоуправляемого масштабного преобразователя позволяет в автоматическом режиме управлять амплитудой напряжения на МДП-структуре. Введение формйрователя соотношения амплитуд дает возможность устанавливать соотношежение заданной формы и амплитуды, Введение операционного усилителя с целью отрицательной обратной связи, состоящей иэ резистора В, и конденсатора Со, позволяет преобразовывать ток, протекающйй через МДП-структуру, в навряжение, пропорциональное этому току. Кроме того, из-за близкого к нулю напрякения на входе этого узла напряжение на МДП-структуре равно напряжению на выходе высоковольтного УПТ,что позволяет измерять это напряжение с высокой точностью. Введение компаратора и ключа поэволяет включать систему стабилизации инжекционного тока в момент достижения среднего за период значения этого тока эаданной величины. Введение первого и второго пиковых детекторов позволяет постоянно иметь информацию о точном значении амплитуды положительной и отрицательной полуволн сигнала на МДП-структуре.Введение таймера позволяет задавать интервал времени, в течение которого через МДП-структуру протекает заданный инжекционный ток.Введение блока управления позволяет в совокупности с таймером, пиковыми детекторами, комйаратором и блоком задания напряжения:- с высокой скоростью увеличивать напряжение на МДП-структуре до заданного значения, а затем снижать эту скорость для предотвращения перерегулирования, которое 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 токаинжекции;- останавливать рост напряжения на выхода задающего генератора 1 . поступаМДП-структуре в момент достижения ин- ет на аналоговый вход КМП 2. При этомжекционного тока заданной величины; напряжение на выходе КМП определяется- устанавливать напряжение на МДП- выражениемструктуре, равное нулю после окончания 5 Ог = Кг 61, . (1)очередного цикла воздействия.:-: где Кг - коэффициент передачи КМП, проБведение интегратора позволяет не- порцибнальный двоичному коду числа, попосредственно по напряжению с его выхода ступающего-на управляющий вход КМП ототсчитывать величину заряда, протекшегосчетчика 33 блока 12 управления. При почерездйэлектрик.,. : 10 ступлении"команды "Пуск" на триггер 36Введение аналого-цифрового .запоми- счетчик 33 начинает суммировать импульсынающего устройства позволяетзапоминать от первого гейератора 29 тактовых импульвеличину сдвига йапряжения"плоских зон , сов.С приходом очередного тактового имна конец эксперимента и начинатьпоследу- пульса двоичное число на выходе счетчикающий эксперимент на той ке МДП-структу 33 увеличивается на единицу, Напряениере с этого напряжения. Приэтом синал на . с выхода КМП 2 поступает на вход ФСА 3,МДП-структуре в момент вклочения систе- Напряжение"на выходе ФСА определяетсямы стабйлизации инжекционноготока име- следующим образом:,ет ту ке форму, что ив момент прекращения Яч-- Ог, при отрицательнойВйолуволне сигналаВ.-- Ог; при положительнойВйолуволне сйгнала пред дущего эксперимента, .20На фиг.1 представлена структурная схема устройства на фиг,2- структурнаясхема формирователя соотношения амплитуд; на фиг.З- структурная схема блока управления; на фиг.4 - структурная схеМа аналого цифровогозапомийающего устройстваустройства Содеркит задающий гейе-" где В - . сопротивление между йодвижйым Ратор 1, кодоуправляемый масштабный . контактомй первьм выводомтокопроводяпреобразователь 2, формирователь 3 соот-.щего элемента потенцйометра 25;ношения амплитуд(ФСА), сумматор 4, высо- ЗО,: В - :сопротивление между подвижнымковольтный усилитель 5 пОстояйного тока контактом и вторым выводом токопроводя-,(ВУЩ клеммы 6 для подключенйя исследу-, щего элемента патенциометра 25. емой МдП-структуры; ойерацйойный усили- .:. Соотношение амплитуд положительнойтель 7 (ОУ), конденсатор Й, образцовый и отрицательной полуволн напряжения нарезисгор 9; фильтр 10 низких частот(ФНЧ) 35 выходе ФСА равно блок 11 задания напряжения (БЗН), блок 12управления, первый пиковый, детектор 13- .: -= - ;. (3)-вз+ В (ПД 1); второй пйковый детектор 14 (ПД 2), :-щз(-) аналого-цифровое запомийающее устрой-где Опз(+) - амплитуда положительной полство 15 (АЦЗУ); ключ 16, усилитель 17 рас уволны йапряжения на выходе ФСА; согласования, блок 18 задания тока (БЗТ), ОЭ(-) - амплитуда отрицательной полкомпаратор 19, таймер 20, регйстратор 21, .:уволны напряжения на выходе ФСА. интегратор 22.: .: .:, ::.Анализ вьРажений (2) и (3) показывает,сЬСА сбдержитрезистор 23, операцион- " что при перемещении подвикного контакта ныйуСилитель 24,потенциометр 25,первый 45 потенциометра изменяетсясоотношенйедиод 26, второй диод 27, сумматор 28.: амплитуд положительной и отрицательнойБлок управлейия содержит" первый ге-полувблн найряжения на выходе ФСА при нератор 29 тактовых ймпульсов,второй ге-.йеизмейном его размахе. нератор 30 тактовых ймпульсов, второй . Напряжение Оз поступает на первый, . клоч 37, первый коммутатор 32, счетчик ЗЗ, 50 вход сумматора 4; На начало эксперимента второй коммутатор 34, второй компаратор ключ 16 разомкнут, а в АЦЗУ 15 записано 35, триггер 36:.".,:- :".: - .: напряжение, равное нулю, йоэтому напря-.АЦЗУ содержит первйй инвертор 37, жения 018 и .16, поступающие саответстаналого-цифровой преобразователь 38, за- .венно натретий й второй входь сумматора, поминающий регистр 39, цифроаналоговый 55 Равны нулю. Напрякение на выходе сумма- преобразователь 40, третий коммутатор 41, тора определяется выражением второй инвертор 42, четвертый коммутатор43, анализатор полярйости 44. 0= К 4 Оз+ Ка (Ж+ -6), (4)устройство работает следующим обра- где 4 - коэффициент передачи сумматора зом. Напряжение синусоидальной формы с по первому воду:К 4 - коэффициент передачи сумматораяпо второму и третьему входам.Напряжение О 4 поступает на вход ВУПТ 0 - нелинейная активная проводимостьисследуемой МДП-структуры, вызваннаяэффектом горячих носителей. Эквивалентная емкость МДП-структуры5 определяется согласно выражениюС 1+Сдгде С - емкость диэлектрика;Сг 1 - нелинейнаЯ емкость полУпРовоД 5, напряжение на выходе которого определяется выражением,ОБ = К 5О 4, (5) где К 5 - коэффициент усиления ВУПТ.Напряжение О 5 поступает одновременно на входы первого 13 и второго 14 пиковых 8 = 1 бо+ .ая соз и О +л - 1+ Впзпп юК,детекторови исследуемую МДП-структуру. 10 ника,Напряжение йа выходе ПД 1 равно": Подставляя выражения (9), (10), (11) в01 з = К 1 з Огп 5(+), (б) . фоРмУлУ (8), имеютгде К 1 з - коэффициент передачи ПД 1; .С 1 Сд + ,Огп 5(+) - амплитудное значение напря- .0С, + С +)жения положительной полуводны сигнала 15 О" О 5, 1+) о(, р05: .: .: .Напряженйе 07 поступает йа вход ФНЧНапряжение на выходе ПД 2 равно10, имеющего частоту среза ассрв, НаО 14 = К 14Огп 5(-) Р) ПряжЕНИЕ На ВЫХОДЕ ФНЧгде К 14 - коэффициент передачи ПД 2; :;К 1 о О 7, цг аср,. Огп 5(-) - амплитудное значение напря- .20 О "о = 0 с , (13)жения отрицательной полуволны сигнала . где К 1 о - коэффициент передачи ФНЧ в по 05, .лосе пропускания.Второй компаратор 35, находящийся в, Преобразователь ток-йапряжение наблоке управления 12, сравнивает напРяже- ОУ 7 является линейным устройством, сленйе О 11, поступающее с выхода БЗН 11, с 25 довательно, можно рассматриватьего реакНаПряжЕНИЕМ О 1 З ИЛИ О 14, ВэаВИСИМОС 1 йОтцИЮ На тОК СМЕщЕНИяИ тОК ИНЖЕКцИИ ИЗполярности полуволны напряжения"воздей- принципа суперпозиции. Когда напряженствия. Полярность определяется типом про. ность электрического поля в.МДП-структуреводимости подложки и устанавлгивается недостаточна для возникновения инжекцивторым коммутатором 34, Как только напря онного тока, 6 = О, протекает только"реакжение на первом входе второго компарато-, тивный ток смещения, В общем случаера 35 превысит напряжение на его втором, напряжение О 5, поступающее на МДПвходе, первый компаратор 32 йереключает- структуру, не симметрично, т.е. имеет йостося во второе положение. При этом счетньгй янную составляющую. Тем не менее,вход счетчика 33 подключается к выхбду 35 постоянная составляющая напряжения О 7второго генератора 30 тактовых импульсОв": будетравна нулю (в чем легко убедиться,частота следования импульсов на выход 6.: разложив Об в ряд Фурье и подставив вкоторого меньшечастоты сигнала навыхОде" выражения (12) а = О), т.е, независимо отпервого генератора 29 тактовых импульсов. " формы воздействующего на МДП-структуруЭто приводит к снижению скорости роста 40 напряжения до возникновения тока инжекнапряжения на МДП-структуре. : . ции постояннаясоставляющая напряженияНапрякение О 5 воздействует на МДП- на выходе ОУ будет отсутствовать.структуру, подключеййую к входу ОУ 7, в - : При дальнейшем увеличении напряжецепь отрицательной обратной связи(ООС).: ния на МДП-структуре возникает активныйкоторого включены резистор В, и конденсат 45 ток инжекции, т,к, О Ф О, СоставляющаятоР Сг. ПРи этом напРЯкение на выходе ОУ: напРЯжениЯ О 7 на выхоДе ОУ, вызваннаЯ07 О 5(8) током инжекции 1 а равнао2 х ,- О 56 Рогде о - сопротивление цепи ООС; : ". ": .О 70 с)= 1+) С: . (14)2 х - сопротивление МДП-структуры 50 При этом ток инжекции определяетсяВ своо очередь, выражением;-о=, ., " . (9)ф=О 5 : (15)1+) в Со Ро; .: Разложив ток инжекции в ряд Фурье,где в- круговая частота сигнала задающе- имеютго генератора 1; 55- (10)где 160 - постоянная составляющая тока инжекции;ап, Ьп - коэффициенты Фурье,Постоянная составляющая тока инжекции является средним за период значениемтока инжекции:о 2 л/ф1 а=3 а(с)бс., (17)д оИспользуя свойства выражения (13), подставляя в него значение 07 из формулы (14) и, в свою очередь, используя равенства (15), (16) и (17), определяют значение напряжения на выходе ФНЧ 10:2 К/ИО 1 о = -К 1 о Яо,Г 1 сз (1) бй. (18)2 л оТаким образом, гармонические составляющие тока инжекции, включая основную частоту щ; задерживает ФНЧ.Как видно из формулы (18), напряжение 20 01 о пропорционально среднему за период току инжекции, протекающему через МДП- структуру.При дальнейшем увеличении напряжения на МДП-структуре возникаеттокинжек ции, а следовательно, и 01 о, Напряжение 01 о поступает на вход интегратора 22 и на первые входы усилителя 17 рассогласования и компаратора 19, на вторые входы которых поступает напряжение 01 в с БЗТ 18. З 0 Как только 01 о01 в, срабатывает компаратор 19, размыкается второй ключ в блоке 12 управления, при этом прекращается поступ- . ление тактовых импульсов на счетчик 33, что приводит к прекращению раста напряже- З 5 ния на МДП-структуре. Одновременно к этим таймер 20 начинает отсчет заданного времени эксперимента; запускается блок временной развертки регистратора 21, замыкается ключ 16. 40Напряжение на выходе усилителя 17 рассогласования определяется выражением01 т = (01 в - 01 о) Кп, (19) где Кп - коэффициент усиления усилителя 45 рассогласования.В момент замыкания ключа 16 01 т = О, . так как 01 о = 01 в. В процессе инжекциигорячих носителей часть заряда, протекающего через диэлектрик, захватывается его 50ловушками, что приводит к ослаблению поля, вызывающего инжекционный ток, а следовательно, и к уменьшению значениянапряжения 01 в, которое поступает на второй вход сумматора, тем самым изменяя 55напряжение на МДП-структуре так, чтобысредний за период ток инжекции был равензначению, определяемому напряжением 01 в, Напряжение 016, пропорциональноеизменению напряжения плоских зон МДПструктуры, 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 01 в, 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 напря. жения на МДП-структуре.Напряжение на выходе интегратора 22 определяется выражением1 о022 = К 22,Г 60 бС, (20)огде К 22 - коэффициент передачи интегратора,1 - общее время эксперимента.Таким образом, 022 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.Ф о рмул а 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения быстродействия, оно снабжено кодоуправляемым масштабным преобразователем, формирователем соотношения амплитуд, высоковольтным усилителем постоянного тока, операцион ным 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 первой клемме для подключения исследуемой МДП-структуры, вторая клемма для подключения исследуемой МДП1783454 Составитель О,КарпанинТехред М.Моргентал актор Г.Бельс Корректор М.Максимишине Производственно-издательский комбинат Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 эказ 4513 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5