專利名稱：瞬態(tài)電荷測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體測量技術(shù)，適用于半導(dǎo)體電學(xué)特性及絕緣體/半導(dǎo)體界面電學(xué)特性(以下統(tǒng)稱為半導(dǎo)體電學(xué)特性)的測量。
半導(dǎo)體測量技術(shù)可測定的電學(xué)特性中，屬于絕緣體/半導(dǎo)體界面特性的有精密的絕緣物電容;表面勢與柵壓的關(guān)系;平帶電壓;絕緣物中固定與可動(dòng)電荷密度;界面態(tài)在表面禁帶中的分布;界面態(tài)的俘獲時(shí)間常數(shù)或俘獲截面。屬于半導(dǎo)體材料性質(zhì)的有少數(shù)載流子壽命;攙雜濃度分布;深能級(jí)密度及能級(jí)位置。該技術(shù)可測量的樣品結(jié)構(gòu)包括MOS(Metal-Oxide-Semiconduotor金屬-氧化物-半導(dǎo)體)二極管、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor金屬-絕緣體-半導(dǎo)體)二極管、PN結(jié)二極管、肖特基二極管、PIN二極管、SOI(Semiconduc-tor-on-Insulator絕緣物上半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)、半絕緣半導(dǎo)體材料等。目前比較權(quán)威的半導(dǎo)體電學(xué)特性測量方法是交流電導(dǎo)方法，它的原理是在MOS或MIS二極管兩端加不同頻率(ω)的交流小信號(hào)來測量樣品導(dǎo)納中的電導(dǎo)分量G(ω)，當(dāng)絕緣物/半導(dǎo)體界面存在具有一定時(shí)間常數(shù)的界面態(tài)時(shí)，電導(dǎo)出現(xiàn)相應(yīng)的譜峰，這是一種小信號(hào)激勵(lì)的頻域測量方法，為了保證所測得的是電導(dǎo)，測量中需要精確的相位鎖定。交流電導(dǎo)方法是現(xiàn)有技術(shù)中唯一能可靠地獲得絕緣物/半導(dǎo)體界面態(tài)的動(dòng)態(tài)特性和俘獲截面的方法。(“金屬-絕緣-硅電導(dǎo)技術(shù)測定Si-SiO2界面電學(xué)性質(zhì)”作者尼古利安、庫茲貝格，載于《貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志》46卷1055頁1967年(“The Si-SiO2Interface-Electrical properties as Determined by the Metal-Insulator-silicon conductance Technique”E.H.Nicollian and A.Goetzberger，Bell System Technical Journal Vol，46，1055.1967)但在實(shí)際工作中并沒有得到普遍應(yīng)用，其主要原因是頻域測量模式的限制，在這種模式中，要對(duì)某種界面態(tài)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測定需要獲得多達(dá)幾十個(gè)偏壓值下的電導(dǎo)G(ω)曲線，每根曲線又需要幾十個(gè)分立頻率下的電導(dǎo)G測量，測試量過大。不同頻率下的相位較準(zhǔn)又很困難，測量結(jié)果也缺乏直觀性，這些都使全頻譜的交流電導(dǎo)的測量十分麻煩和困難，同時(shí)交流電導(dǎo)的方法適用范圍很窄，它只能獲得界面態(tài)的動(dòng)態(tài)特性，不能測量表面勢、界面態(tài)總量及各種材料特性。即使測量界面態(tài)動(dòng)態(tài)特性也需要其它測量技術(shù)配合。從被測量的角度來分析，同樣數(shù)量的界面態(tài)所產(chǎn)生的交流電導(dǎo)G的大小與界面態(tài)特征頻率成正比，也就是說，界面態(tài)越“慢”，可檢測信號(hào)越弱，這也是交流電導(dǎo)方法的一個(gè)重要缺點(diǎn)。另一種重要的現(xiàn)有技術(shù)是準(zhǔn)靜態(tài)電容電壓法(Quasi-Static Capacitane Voltage)，簡稱QSCV方法，這是用得最廣泛的界面電學(xué)特性測量方法之一。它是測定絕緣物/半導(dǎo)體界面的表面勢及界面態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)方法，它的原理是在維持MOS或MIS樣品接近靜態(tài)(靜態(tài)時(shí)柵壓應(yīng)當(dāng)固定)的條件下令其柵壓緩慢掃描，測量其位移電流，用以決定樣品的準(zhǔn)靜態(tài)電容C(V)。(“水汽生長硅-二氧化硅界面”作者伯格勒，載于國際電氣電子工程師·電子器件分刊13卷701頁 1966年，(C.N.Berglund“Surface States at Steam-Grown Silicon-Silicon Oxide Interface”IEEE ED-13，701 1966)。這種方法的不足之處是①對(duì)樣品漏電有嚴(yán)格限制，如果漏電大于10-13～10-14A，就難以獲得可靠的結(jié)果，由于現(xiàn)代工藝要求薄的柵介質(zhì)，滿足這一限制越來越不容易;②測量精度低，僅1%左右，這使它的可測能量范圍只有表面禁帶的50%～60%;③不容易判斷樣品是否接近靜態(tài)。除上述二種方法外，還有若干種測量方法，但所有的已有測量技術(shù)中，沒有一種能同時(shí)解決半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)的全面、快速與可靠的測量。分析表明要做到全面、快速、可靠的測量，需要對(duì)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行革新，實(shí)現(xiàn)大、小脈沖下時(shí)域測量、以瞬態(tài)電荷作為測量對(duì)象及自動(dòng)漏電補(bǔ)償這樣三個(gè)目標(biāo)，這是現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。1984年本專利申請的主要發(fā)明人提出了一種“脈沖電荷法”，這是一種時(shí)域測量技術(shù)，附圖1給出了具體的測量裝置，它由偏壓及信號(hào)源、電流/電壓變換器、積分器，以及放大器、取樣/保持電路、反饋元件構(gòu)成的漏電補(bǔ)償反饋電路、自動(dòng)/手動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器、時(shí)鐘電路、波形記錄測量裝置等組成。信號(hào)源產(chǎn)生的方脈沖作用于樣品(MOS)上產(chǎn)生位移電流I(t)，I(t)經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換器及積分器后，獲得輸出電壓Vo(t)。
VO(t) = (Q(t))/(CI) + VF式中Q(t)＝∫I(t)dt是樣品一個(gè)極上的電荷量，CI為儀器常數(shù)VF是輸出波形的基線懸浮電平由放大器及取樣/保持電路、反饋元件組成的漏電補(bǔ)償反饋電路將每個(gè)周期末尾(φ＝1)取樣，采得的Vo(t)值，即VF值轉(zhuǎn)換成反饋電流Ic，設(shè)包括樣品漏電、測量裝置輸入漏電及失調(diào)等因素在內(nèi)的等效總漏電為Io，當(dāng)反饋增益A滿足CIRF/(｜A｜T)≥1時(shí)，Io+Ic＝1，Vo(t)波形能夠穩(wěn)定。
式中RF為反饋電阻T為周期當(dāng)反饋增益A不滿足CIRF/(｜A｜T)≥1時(shí)，Vo(t)波形會(huì)產(chǎn)生振蕩，而A過小時(shí)，Vo(t)波形又會(huì)呈隨機(jī)起伏。
波形如附圖2所示(“Si/SiO2界面態(tài)研究中輔以脈沖和恒定紅外光照的脈沖Q(V)法”作者鄭心畬、李志堅(jiān)，載于《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》1984年第5卷第457頁)。這種脈沖電荷法的優(yōu)點(diǎn)是第一次將半導(dǎo)體電學(xué)特性測量中的時(shí)域模式、瞬態(tài)電荷測量及漏電補(bǔ)償這樣三個(gè)各有顯著優(yōu)點(diǎn)的因素結(jié)合在一起，使其在原理上具有一系列的優(yōu)越性。但是1984年所提出的脈沖電荷法尚不成熟，不能成為一種能夠?qū)嶋H應(yīng)用的測量技術(shù)，這是因?yàn)棰佥敵霾ㄐ蜼o是“懸浮”的，其基線電平VF隨樣品漏電的變化而浮動(dòng)，這時(shí)的波形采集與處理都是不方便的;
②波形穩(wěn)定條件比較苛刻，當(dāng)脈沖周期T變化時(shí)，需要同時(shí)調(diào)節(jié)反饋增益A;
③漏電補(bǔ)償能力較弱，需先用手動(dòng)補(bǔ)償消除大部分漏電，再轉(zhuǎn)入自動(dòng)反饋，操作復(fù)雜;
④由上述原因，難以制成實(shí)用的測量裝置，而且很難實(shí)現(xiàn)測量過程的計(jì)算機(jī)化。
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，采用新的原理和方法構(gòu)成一種對(duì)半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面測量的系統(tǒng)。
本發(fā)明由偏壓及信號(hào)源、電流/電壓變換器、積分器1組成，主要技術(shù)特征是漏電補(bǔ)償反饋電路的放大器與反饋元件之間依次接有一個(gè)采樣電路和一個(gè)積分器2，在積分器1的出端接有一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，在偏壓及信號(hào)源的入端接有一個(gè)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器D/A，A/D、D/A分別與微機(jī)接口相連，D/A，A/D和采樣電路由微機(jī)同步控制，如附圖3所示。
下面結(jié)合附圖3對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述;樣品MOS的偏壓電平及脈沖幅度由微機(jī)控制數(shù)-模轉(zhuǎn)換器D/A分別產(chǎn)生后，由偏壓及信號(hào)源組合成偏壓脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)作用于樣品MOS產(chǎn)生位移電流It，經(jīng)電流/電壓變換器和積分器1得到輸出電壓Vo(t)Vo(t)＝Q(t)/CI式中Q(t)是樣品一個(gè)極上的電荷量CI是儀器常數(shù)本式Vo(t)＝Q(t)/CI與脈沖電荷法的式Vo(t)＝Q(t)/CI+VF的不同點(diǎn)在于其基線電平穩(wěn)定在零值而不再懸浮，波形如附圖4所示，脈沖電荷法中反饋信號(hào)正比于VF，所需的反饋電流越大，懸浮電平VF就越大。而在本發(fā)明中取樣保持電路的保持功能不再重要，而只用取樣電路，其后加一積分器2，微機(jī)在每個(gè)周期末產(chǎn)生一個(gè)取樣脈沖φ，取樣電路采集φ＝“1”時(shí)刻的Vo(t)值與零的偏差，由積分器2將其進(jìn)行比例和積分運(yùn)算。以提供反饋電流Ic。分析及實(shí)驗(yàn)表明，這是一個(gè)單極點(diǎn)的反饋電路，可不用手動(dòng)補(bǔ)償漏電而能自動(dòng)維持平衡的電荷積分。正是由于這一特點(diǎn)，消除了脈沖電荷法的一系列缺點(diǎn)。當(dāng)然本發(fā)明還可采用電壓反饋，如附圖5所示，電流、電壓兩種反饋方法實(shí)質(zhì)上是等效的，其不同之點(diǎn)只是反饋相位恰好相反，需在電路設(shè)計(jì)中加以注意。另外漏電補(bǔ)償反饋電路中的放大器可以不設(shè)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是一、能取代多種現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面的測量目標(biāo)可取代的方法有1.準(zhǔn)靜態(tài)電容電壓方法。與該技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以測量靜態(tài)電容電壓曲線而不是準(zhǔn)靜態(tài)電容電壓曲線;
2.高低頻電容方法。與該技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于用幾次波形測量就可覆蓋自高頻至低頻的全部頻譜;
3.變頻電容方法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)同2;
4.交流電導(dǎo)方法，與該技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于物理意義更加清晰，而且不存在相位鎖定之困難，測量與數(shù)據(jù)處理工作量大大減少;
5.電荷泵法。與該技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于不僅可測量泵出的平均電荷量而且可以測量泵出電荷的瞬態(tài)值;
6.電流DLTS法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)幅度與時(shí)間常數(shù)無關(guān)，而電流DLTS法的響應(yīng)幅度與時(shí)間常數(shù)成反比;
7.光電流DLTS法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)同6。
二、具備現(xiàn)有技術(shù)不具備的多種突出優(yōu)點(diǎn)1.能自動(dòng)補(bǔ)償樣品直流漏電，因此可以對(duì)薄柵介質(zhì)及漏電較大的MOS或MIS樣品進(jìn)行測量;
2.能在小信號(hào)激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)時(shí)域上的瞬態(tài)測量，從而獲取MOS或MIS樣品的全部信息;
3.電荷波形有明確的物理意義，可以方便地判別過程性質(zhì)與起因，而根據(jù)電荷變化確定半導(dǎo)體參數(shù)在物理上是比較合理的，因此，本發(fā)明可以在SOI、PIN、半絕緣材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等在當(dāng)前有非常重要意義的新領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行測量;
4.測量精度可達(dá)千分之一或更高，由于很多情況下半導(dǎo)體參數(shù)測量依賴于數(shù)據(jù)的微小變化(如帶邊表面勢測量)。這一特點(diǎn)具有十分重要意義，它使硅/二氧化硅界面態(tài)分布的測量范圍從0.5～0.6eV擴(kuò)大到0.9～1.0eV;
5.所獲得的參數(shù)能互相自洽，包含了獲取半導(dǎo)體電學(xué)參量的各方面信息，不需綜合運(yùn)用多種測量工具與方法。
三、應(yīng)用特性良好1.本發(fā)明由于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化，使測量大大簡化，對(duì)測量人員要求降低，并使數(shù)據(jù)處理精度提高;
2.對(duì)電纜、電容等分布參數(shù)不敏感，可用于超低溫環(huán)境下的測量;
3.既可用于精密測量又可用于工藝監(jiān)測及定性分析，例如監(jiān)視工藝線的質(zhì)量控制狀況;
4.由于可獲得全部信息，并計(jì)算機(jī)化，在數(shù)據(jù)處理中可以采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，進(jìn)一步提高精度，消除誤差及噪聲影響;
5.通過設(shè)計(jì)不同測量軟件及數(shù)據(jù)處理軟件，擴(kuò)展應(yīng)用范圍。


附圖1 脈沖電荷法測量系統(tǒng)框圖附圖2 脈沖電荷法波形圖附圖3 瞬態(tài)電荷測量系統(tǒng)(電流反饋)框圖附圖4 瞬態(tài)電荷測量波形圖附圖5 瞬態(tài)電荷測量系統(tǒng)(電壓及反饋)框圖附圖6 漏電補(bǔ)償反饋電路實(shí)施例1(電流反饋)附圖7 漏電補(bǔ)償反饋電路實(shí)施例2(電壓反饋)實(shí)施例1附圖6給出了漏電補(bǔ)償電流反饋電路實(shí)施例。
實(shí)施例2附圖7給出了漏電補(bǔ)償電壓反饋電路實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種瞬態(tài)電荷測量系統(tǒng)，由偏壓及信號(hào)源、電流/電壓變換器、積分器1構(gòu)成，其特征在于漏電補(bǔ)償反饋電路的放大器與反饋元件之間依次接有一個(gè)取樣電路和一個(gè)積分器2，在積分器1的出端接有一個(gè)模一數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D，在偏壓及信號(hào)源的入端接有一個(gè)數(shù)一模轉(zhuǎn)換器D/A，A/D、D/A分別與微機(jī)接口電路相連，D/A、A/D和采樣電路由微機(jī)同步控制。
2.按照權(quán)利要求1所說的瞬態(tài)電荷測量系統(tǒng)，其特征在于所說的反饋元件可組成電流反饋電路，也可組成電壓反饋電路，只是電流反饋與電壓反饋的相位相反。
3.按照權(quán)利要求1和2所說的瞬態(tài)電荷測量系統(tǒng)，其特征在于所說的漏電補(bǔ)償反饋電路中的放大器可以不設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體測量技術(shù)，適用于半導(dǎo)體電學(xué)特性及絕緣體/半導(dǎo)體界面電學(xué)特性的測量。由于采用了脈沖電荷法新的測量技術(shù)，及由放大器、采樣電路、積分器、反饋元件依次連接而成的新型漏電補(bǔ)償反饋電路，并加入了微機(jī)控制，使本發(fā)明成為集“時(shí)域模式”、“瞬態(tài)電荷測量”及“漏電補(bǔ)償”這樣三個(gè)各有顯著優(yōu)點(diǎn)的因素于一體的實(shí)用測量系統(tǒng)，可以取代多種現(xiàn)有測量方法及裝置，并能測量薄柵介質(zhì)及漏電較大的MOS或MIS樣品，可獲取全部信息，且具有測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R29/24GK1063557SQ91100410
公開日1992年8月12日 申請日期1991年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月24日
發(fā)明者鄭心畬, 李志堅(jiān), 孫曦慶 申請人:清華大學(xué)