Устройство для измерения емкости и проводимости мдп-структур в области инфранизких частот
Полезная модель относится к измерительной технике и является устройством для измерения параметров МДП-структур (емкости и проводимости) в области инфранизких частот (от 0.01 Гц.) Преимущественная область использования - научные исследования. Полезная модель может быть использована для контроля качества полупроводниковых приборов. Процедура измерения состоит в том, что на вход исследуемой МДП-структуры подается тестовый сигнал, состоящий из суммы сигналов переменного тока малой амплитуды и постоянного или линейно-изменяющегося напряжения, определяющего диапазон исследуемых состояний системы. На выходе исследуемой МДП-структуры измеряются постоянная и переменная компоненты тока, по которым вычисляются емкость и проводимость и строится график их зависимости от значений напряжения на входе исследуемой структуры. Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в повышении чувствительности при измерении емкостного тока МДП-структуры на инфранизких частотах, за счет коррекции входного тока усилителя, снижения уровня шумов и интегрирования выходного тока за период тестовой частоты. Формула полезной модели содержит 1 независимый пункт и три зависимых пункта.
Полезная модель относится к измерительной технике и является устройством для измерения параметров МДП-структур (емкости и проводимости) в области инфранизких частот (от 0.01 Гц.) Преимущественная область использования - научные исследования. Полезная модель может быть использована для контроля качества полупроводниковых приборов.
Необходимость проведения измерений в области инфранизких частот вызвана тем, что ввиду малых скоростей обмена зарядами между поверхностью полупроводника и ловушками, локализованными в объеме диэлектрика, особенности поведения указанных зависимостей проявляются именно на этих частотах. Изучение этих зависимостей необходимо для выяснения природы ловушек и определения возможностей ослабления их влияния на развитие гистерезисных явлений.
Прямой метод измерений с помощью вольтметра и амперметра не получил распространения из-за сложности работы с сигналами таких низких уровней, а также шумов аппаратуры. Мостовой (компенсационный) метод ввиду сложности изготовления трансформаторов для инфразвуковых частот практически не применяется.
Метод, использующий процедуру предварительного преобразования тока в напряжение, имеет существенное ограничение, связанное с тем, что входные токи и токи утечек современных прецизионных усилителей превышают или в лучшем случае сравнимы с измеряемыми токами. Известны технические приемы (By Alfredo Saab and Randall White, Maxim Integrated Products - July 18, 2008), позволяющее снизить суммарное значение входного тока и токов утечки измерительных устройств на операционных усилителях до 28-38 фА. Однако, этого значения недостаточно.
Величина емкостного тока через МДП-структуру имеющую емкость 10 пФ на частоте 0.03 Гц при амплитуде тестового сигнала 20 мВ составит порядка 30 фА, измерять которую необходимо с разрешением лучше 1 фА. Это относится и к измерению проводимости. В настоящее время доступных приборов, обеспечивающих измерение таких значений емкости и проводимости в области инфразвуковых частот нет.
Известно техническое решение используемое в анализаторе полупроводниковых приборов Agilent1500A, (http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-2785EN.pdf) позволяющее измерять слабые токи с разрешением до 0,1 фемтоампер, в котором используется периодическая коррекция, однако, измерение емкости производится на частотах от 1 кГц до 5 МГц, а блочная структура прибора не позволяет измерять емкость и проводимость одновременно.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно техническое решение используемое в измерителе импеданса Е7-20 (ОАО «МНИПИ»), (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=6&device=0). Данное техническое решение позволяет проводить измерение емкости и проводимости при напряжении смещения на измеряемом объекте в диапазоне от 0 до 40 В в диапазоне частот от 25 Гц до 1 МГц.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно техническое решение используемое в измерителе параметров полупроводниковых приборов ИППП-1 (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=11&device=0), производства ОАО «МНИПИ», которое использует отдельные каналы для измерения напряжения и тока. Чувствительность измерителя тока составляет 100 фА.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот, а также низкая чувствительность при измерении тока.
Известно техническое решение, используемое в способе определения параметров полупроводниковых структур (Патент РФ 
2437112 «Способ определения параметров полупроводниковых структур», МПК G01R 31/26, опубликовано 20.12.2011) позволяющий проводить измерение емкости и проводимости полупроводникового прибора на аппаратно - программируемом комплексе спектроскопии в диапазоне частот напряжения тестового сигнала от 20 Гц до 2 МГц и напряжений смещения +/-40 В. Этот частотный диапазон не соответствует области инфранизких частот.
Недостатком известного технического решения является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот
Известно устройство для измерения параметров полупроводниковых структур (Патент РФ 1222145 «Устройство для измерения параметров полупроводниковых структур», МПК H01L 21/66, опубликовано 27.06 2012), содержащее блок подключения измеряемой структуры, генератор смещения, генератор синусоидального напряжения, усилитель, первый выход которого соединен с первым входом регистратора, второй вход которого соединен с первым выходом генератора смещения, второй выход генератора смещения, третий вход регистратора, вторые выходы детектора и усилителя соединены с общей шиной устройства, и с целью повышения точности, оно снабжено режекторным фильтром, двумя трансформаторами, двумя конденсаторами и катушкой индуктивности. Это устройство позволяет повысить точность измерения, но не обеспечивает измерение параметров в области инфранизких частот.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно устройство для измерения C-G-V- характеристик МДП-структур (Патент РФ 1433207 «Устройство для измерения C-G-V- характеристик МДП-структур», МПК G01R 31/26 опубликовано 10.12.1997), Устройство содержит блок управления, источник опорного напряжения, опорный конденсатор, операционный усилитель, клеммы для подключения исследуемого объекта, программируемый источник смещения, разделительный конденсатор, вычитатели напряжений и управляемые делители. Расширение функциональных возможностей этого устройства достигается тем, что устройство позволяет дополнительно измерять сопротивление утечек МДП-структуры.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно устройство для измерения характеристик полупроводников (Патент РФ 2007739 «Устройство для измерения характеристик полупроводников», МПК G01R 31/26, опубликовано 15.02.1994) Сущностью изобретения является введение новых блоков, что позволяет подавать на вторую клемму для подключения полупроводника противофазное напряжение постоянной амплитуды и осуществить аналоговую обработку сигналов в режиме компенсации. Это позволяет повысить устойчивость работы отрицательной обратной связи для поддержания постоянства тока через измеряемую емкость и снизить тестирующие напряжения на образце, расширить диапазон измеряемых добротностей. Введение схемы компенсации в измерительном канале концентрации позволяет повысить точность измерения параметров.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Известно устройство для измерения характеристик МДП-структур (Патент РФ 1143197 «Устройство для измерения характеристик МДП-структур», МПК G01R 31/26, опубликовано 27.06.2012) выбранное в качестве прототипа, содержащее генератор тестового сигнала и генератор напряжения смещения, выход которых соединены с первой клеммой для подключения испытуемой структуры, вторая клемма для подключения которой соединена с первым выводом резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, усилитель напряжения, вход которого соединен со второй клеммой для подключения испытуемой структуры, блок измерения напряжения, выход которого соединен с входом блока обработки и отображения информации. Это устройство позволяет повысить точность измерения характиристик, но не обеспечивает измерение параметров в области инфранизких частот.
Недостатком известного устройства является то, что не обеспечивается измерение характеристик в области инфанизких частот.
Перед автором ставилась задача разработать устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, позволяющего проводить измерение емкости и проводимости в области частот от 0.01 Гц с абсолютной погрешностью единицы и доли фемтоампер со временем измерения равным одному периоду частоты тестового сигнала.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, содержащее исследуемую МДП-структуру, генератор тестового сигнала и напряжения смещения, блок измерения напряжения, блок обработки и отображения информации дополнительно содержит измерительную головку включающую входной ключ, трансимпедансный усилитель, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, далее синхронный детектор, интегратор, цифро-аналоговый преобразователь, блок управления, при этом исследуемая МДП-структура установлена между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения и входом измерительной головки, первый выход которой соединен с синхронным детектором, выход которого подключен к входу интегратора, выход интегратора подключен к входу блока измерения напряжен, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации, первый выход которого подключен к входу блока управления, второй выход к входу цифро-аналогового преобразователя, который в свою очередь подключен ко второму входу измерительной головки, причем выходы блока управления подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения, к двум входам измерительной головки, к входу синхронного детектора, входу интегратора и входу блока измерения напряжения, причем измерительная головка выполнена выносной из конструкции устройства, в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя установлен набор резисторов и последовательно соединенных с ними ключей, а блок обработки и отображения информации выполнен содержащим электронно-вычислительную машину, блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной соединенный с вычислительной машиной двунаправленной линией связи.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в повышении чувствительности при измерении емкостного тока МДП-структуры, в коррекции входного тока усилителя, в снижении уровня шумов и интегрировании выходного тока за период тестовой частоты, а также в расширении функциональных возможностей и расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая работу заявляемого устройства для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, где 1 - генератор тестового сигнала и напряжения смещения, 2 - исследуемая МДП-структура, 3 - измерительная головка, 4 - синхронный детектор, 5 - интегратор, 6 - блок измерения напряжения, 7 - блок обработки и отображения информации, 8 - блок управления, 9 - цифро-аналоговый преобразователь, 10 - блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной, 11 - электронно-вычислительная машина.
На фиг.2 представлена блок-схема измерительной головки, где 12 - входной ключ, 13 - трансимпедансный усилитель, 14 - токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, 15-17 резисторы обратной связи, 18, 19 - ключи.
Заявляемое устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот работает следующим образом. Исследуемая МДП-структура 2 устанавливается между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1 и входом измерительной головки 3, первый выход которой соединен с синхронным детектором 4, выход которого подключен к входу интегратора 5, выход интегратора 5 подключен к входу блока измерения напряжения 6, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации 7, первый выход которого подключен к входу блока управления 8, второй выход к входу цифро-аналогового преобразователя 9, который в свою очередь подключен ко второму входу измерительной головки 3, причем выходы блока управления 8 подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1, к двум входам измерительной головки 3, к входу синхронного детектора 4, входу интегратора 5 и входу блока измерения напряжения 6. Причем измерительная головка 3 может быть вынесена из устройства и расположена вблизи исследуемой МДП-труктуры 2. Выносной вариант измерительной головки 3 позволяет повысить точность измерения за счет снижения уровня наводок на измерительные цепи.
Измерительная головка 3 выполнена содержащей входной ключ 12, трансимпедансный усилитель 13, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока усилителя 14, причем в цепи отрицательной обратной связи трансимпндансного усилителя 13 содержится набор резисторов 15, 16, 17 и последовательно соединенных с ними ключей 18, 19, которыми устанавливается диапазон измеряемых токов.
Методически, процедура измерения состоит в том, что на вход исследуемой МДП-структуры 2 подается тестовый сигнал, состоящий из суммы сигналов переменного тока малой амплитуды и постоянного или линейно-изменяющегося напряжения, определяющего диапазон исследуемых состояний системы. На выходе исследуемой МДП-структуры 2 измеряются постоянная и переменная компоненты тока, по которым вычисляются емкость и проводимость и строится график их зависимости от значений напряжения на входе исследуемой структуры.
При разомкнутом входном ключе 12 на выходе трансимпедансного усилителя 13 устанавливается напряжение пропорциональное току утечки входа самого трансимпедансного усилителя 13 и токов утечки по изоляции, проникающих на вход трансимпедансного усилителя 13 от внешних источников (Io ). Полагая, что коэффициент сигнала ошибки операционного усилителя А>>1, что реально имеет место в операционном усилителе, это напряжение имеет вид:
Uo=I oRoc
где Io - суммарный ток утечки трансимпедансного усилителя 13 при разомкнутом входном ключе 12, Roc - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13. Это напряжение измеряется блоком измерения напряжения 6 и код передается в блок обработки и отображения информации 7, а именно через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 в электронно-вычислительную машину 11, где вычисляется значение I0.
В рабочем режиме, когда замыкается входной ключ 12, электронно-вычислительная машина 11 через цифро-аналоговый преобразователь 9 и подключенный к его выходу токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя 13 формирует ток - Iк =I0, поступающий на вход трансимпедансного усилителя 13 в качестве тока компенсации. При замыкании входного ключа 12, на выходе трансимпедансного усилителя 13 будет действовать напряжение, определяемое суммой четырех токов: переменного емкостного тока Ic, поступающего на вход трансимпедансного усилителя 13 с выхода МДП-структуры 2 и обусловленного значением емкости МДП-структуры 2 и действием синусоидального напряжения частоты F0, поступающего с выхода генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1; постоянного тока Iи, так же поступающего на вход трансимпедансного усилителя 13 с выхода МДП-структуры 2 и обусловленного значением проводимости МДП-структуры и действием постоянного напряжения, установленного на выходе генератора тестового сигнала и напряжения смещения 1, тока утечки I0 и тока коррекции - Iк
Uвых=(Ic+Iи+I0-I к)Roc=(Ic+Iи)Roc .,
где Ic и Iи - емкостная и постоянная составляющие тока протекающего через МДП-структуру 2, I0 - ток утечки, Iк - ток коррекции, Roc - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя.
Это напряжение через синхронный детектор 4, задающий интервал интегрирования, поступает на интегратор 5. Интегрирование за время равное половине периода частоты тестового сигнала F0, 1/2F0 дает значение используемое при вычислении амплитуды емкостного тока исследуемой МДП-структуры 2, а при интегрировании за период 1/F 0, когда значение интеграла емкостной составляющей тока становится ровным нулю - импедансу. Расчеты производятся электронно-вычислительной машиной 11. Квантование выходных сигналов интегратора 5 осуществляется блоком измерения напряжения 6 выход которого через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 соединен с электронно-вычислительной машиной 11, которая соединена с блоком сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 двунаправленной линией связи. Электронно-вычислительная машина 11 осуществляет все расчеты, связанные с обработкой и отображением информации, а так же через блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной 10 инициирует связанный с ним блок управления 8, который делает исходные установки и запускает заявляемое устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот.
Точность измерения токов фемтоамперного уровня во многом определяется значением электрических шумов элементов входных цепей измерительного устройства. В заявляемой полезной модели применен трансимпедансный усилитель 13 у которого напряжение приведенного к входу шума определяется выражением:
,
где k=1.38×1023 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - температура, К; дfш - полоса пропускания усилителя (Гц); Uш - напряжение шума входного каскада трансимпедансного усилителя; Iш - токовая составляющая входного шума трансимпедансного усилителя; R oc - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя.
Из приведенного выражения следует, что для уменьшения уровня тока шума, приведенного к входу трансимпедансного усилителя 13, требуется выбирать максимально возможное значение Roc. В этом случае уменьшается влияние как теплового шума, так и напряжение шума входного каскада. В заявляемой полезной модели сопротивление в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13 определяется значением измеряемых токов и составляет 10-100 ГОм, в зависимости от выбранного диапазона измерения, что обеспечивает минимально возможный уровень шума по сравнению с другими способами включения усилителей. Совместно с последующей фильтрацией шумов в интеграторе 5 коррекцией входного тока и токов утечки, это обеспечивают абсолютную погрешность измерения токов менее 1 фА.
В заявляемой полезной модели одновременно используются процедуры периодической коррекции, синхронного детектирования и фильтрации (интегрирования за период частоты тестового сигнала), позволяющие достичь требуемого результата.
1. Устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот, содержащее исследуемую МДП-структуру, генератор тестового сигнала и напряжения смещения, блок измерения напряжения, блок обработки и отображения информации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит измерительную головку, включающую входной ключ, трансимпедансный усилитель, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, далее синхронный детектор, интегратор, цифроаналоговый преобразователь, блок управления, при этом исследуемая МДП-структура установлена между выходом генератора тестового сигнала и напряжения смещения и входом измерительной головки, первый выход которой соединен с синхронным детектором, выход которого подключен к входу интегратора, выход интегратора подключен к входу блока измерения напряжения, выход которого подключен к блоку обработки и отображения информации, первый выход которого подключен к входу блока управления, второй выход к входу цифроаналогового преобразователя, который, в свою очередь, подключен ко второму входу измерительной головки, причем выходы блока управления подключены параллельно к входу генератора тестового сигнала и напряжения смещения, к двум входам измерительной головки, к входу синхронного детектора, входу интегратора и входу блока измерения напряжения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трансимпедансный усилитель содержит в цепи отрицательной обратной связи набор резисторов обратной связи и последовательно соединенных с ними ключей.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная головка выполнена выносной из конструкции устройства.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок обработки и отображения информации выполнен содержащим электронно-вычислительную машину, блок сопряжения с электронно-вычислительной машиной соединенным с вычислительной машиной двунаправленной линией связи.
