CN103983910B - 高频cv特性测试仪 - Google Patents

Abstract

高频CV特性测试仪，属于半导体器件特性测量领域，本发明为解决目前市面上C-V特性测试仪低分辨率、低线性度的问题。本发明包括电源模块、人机交互模块、USB通讯模块、单片机控制模块、高频信号产生模块、平方率检波模块和电容检测放大模块；待测电容C_x两端信号被电容检测放大模块放大处理后，输出含有正弦波的信号，待测电容C_x的电容值的大小耦合到信号的幅值之中，正弦波的幅值代表了待测电容C_x的电容值的大小，电容检测放大模块输出的信号送至平方率检波模块中，平方率检波模块留下直流分量，并转换为数字信号作为待测电容C_x的电容值的取值结果送到单片机控制模块中，该值可在人机交互模块上显示，也可以通过USB通讯模块上传至电脑中。

Description

高频CV特性测试仪

技术领域

本发明适用于半导体器件特性测量领域。

背景技术

在半导体元器件领域，电容-电压(C-V)特性被广泛地应用在测试半导体参数领域之中，高校的实验室和半导体制造厂商利用这类测试结果来评估新材料、新工艺以及新电路的性能。对于半导体工艺工程师，C-V测试手段也极其重要，他们通过其测试结果来改善工艺和器件性能。C-V测试对于可靠性工程师同样重要，他们通过测试来检测工艺参数，分析导致失效的原因。此外，通过其特性还可推导得到多种半导体器件的参数。这些参数在整个生产链中都会被用到，比如掺杂分布、平均掺杂浓度和载流子寿命等参数。在晶圆工艺中，C-V测试主要用来分析栅氧化层厚度、栅氧化层中的电荷数和界面阱密度。另外如金属化、刻蚀、多晶硅淀积、清洗等工艺中同样会利用到类似的测试。在测试器件可靠性时，可以利用C-V测量对一些基本参数来进行特征分析，比如说阈值电压，以此对器件进行建模。

目前高频C-V特性测试仪正在向高分辨率和大量程的方向发展。传统C-V特性测量方法采用将电容信号转换成频率信号后进行数字化，其数字化对A/D的要求较高，很难达到理想的线性度。在其它的C-V特性测量方法中，将电容信号耦合至交流信号的幅值之中，由于各个器件所引入的非线性，系统整体的线性度将不可控。所以一个结构简单，又具有高分辨率、高线性度以及大量程的半导体C-V电容测量系统能够大大提高仪器的性能。

发明内容

本发明为了解决目前市面上C-V特性测试仪低分辨率、低线性度的问题，提出了一种新的检测技术，将叠加直流分量和正弦信号，并且将电容耦合入正弦信号的幅值之中，再经过平方率检波，留下直流分量，经过适当的放大送至单片机A/D采样端口进行采样。

本发明所述高频CV特性测试仪，它包括电源模块、人机交互模块、USB通讯模块、单片机控制模块、高频信号产生模块、平方率检波模块和电容检测放大模块；

单片机控制模块的高频信号指令输出端与高频信号产生模块的高频信号指令输入端相连，高频信号产生模块的高频信号输出端与电容检测放大模块的高频信号输入端相连；单片机控制模块的实验加载电压输出端与电容检测放大模块的实验加载电压输入端相连；待测电容C_x的待测电容模拟电压信号输出端与电容检测放大模块的待测电容模拟电压信号输入端相连；

电容检测放大模块的输出端与平方率检波模块的输入端相连，平方率检波模块的待测电容数字电压信号输出端与单片机控制模块的待测电容数字电压信号输入端相连；

单片机控制模块的待测电容值显示指令输出端与人机交互模块的待测电容值显示指令输入端相连；

单片机控制模块的待测电容电压数字信号数据输出端与USB通讯模块的待测电容电压数字信号数据输入端相连；

电源模块为人机交互模块、USB通讯模块、单片机控制模块、高频信号产生模块、平方率检波模块和电容检测放大模块提供工作电源。

本发明的优点：本发明采用了容抗放大器电路将电容大小耦合到信号的幅值之中，再通过平方率检波留下直流分量，最后将直流分量转换为数字信号，简单、准确、高精度的将电容值转变为数字信号。由于本发明采用了阻抗比例检测的电容放大检测模块和平方率检波模块，使整个系统在1pF-1000pF的量程内有较高的线性度和分辨率。

附图说明

图1是本发明所述高频CV特性测试仪的原理框图；

图2是电容检测放大模块的具体电路图；

图3是平方率检波模块的具体电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述高频CV特性测试仪，它包括电源模块100、人机交互模块101、USB通讯模块102、单片机控制模块103、高频信号产生模块104、平方率检波模块105和电容检测放大模块106；

单片机控制模块103的高频信号指令输出端与高频信号产生模块104的高频信号指令输入端相连，高频信号产生模块104的高频信号输出端与电容检测放大模块106的高频信号输入端相连；单片机控制模块103的实验加载电压输出端与电容检测放大模块106的实验加载电压输入端相连；待测电容C_x的待测电容模拟电压信号输出端与电容检测放大模块106的待测电容模拟电压信号输入端相连；

电容检测放大模块106的输出端与平方率检波模块105的输入端相连，平方率检波模块105的待测电容数字电压信号输出端与单片机控制模块103的待测电容数字电压信号输入端相连；

单片机控制模块103的待测电容值显示指令输出端与人机交互模块101的待测电容值显示指令输入端相连；

单片机控制模块103的待测电容电压数字信号数据输出端与USB通讯模块102的待测电容电压数字信号数据输入端相连；

电源模块100为人机交互模块101、USB通讯模块102、单片机控制模块103、高频信号产生模块104、平方率检波模块105和电容检测放大模块106提供工作电源。

电源模块100为人机交互模块101、USB通讯模块102、单片机控制模块103和高频信号产生模块104提供+5V电源；电源模块100为平方率检波模块105提供±5V电源和±15V电源；电源模块100为电容检测放大模块106提供±15V电源。

单片机控制模块103控制高频信号产生模块104产生1MHz正弦负载波给电容检测放大模块106，单片机控制模块103给电容检测放大模块106提供实验加载电压，变换不同值获取其电容，以便于得到C-V特性曲线；

采集待测电容C_x两端信号被电容检测放大模块106放大处理后，输出含有正弦波的信号，待测电容C_x的电容值的大小耦合到信号的幅值之中，正弦波的幅值代表了待测电容C_x的电容值的大小，电容检测放大模块106输出的信号送至平方率检波模块105中，平方率检波模块105留下直流分量，最后将直流分量转换为数字信号，并作为待测电容C_x的电容值的取值结果送到单片机控制模块103中，该值可在人机交互模块101上显示，也可以通过USB通讯模块102上传至电脑中。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，电容检测放大模块106包括运放U1、运放U2、运放U3、运放U4、滑动变阻器R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、滑动变阻器R7、电阻R8、电阻R9、电容C1和电容C2；

滑动变阻器R1的一端连接高频信号产生模块104的高频信号输出端V_IM；电阻R2的一端连接单片机控制模块103的实验加载电压输出端V_DC，滑动变阻器R1的另一端和电阻R2的另一端同时连接运放U1的反相输入端；运放U1的同相输入端通过电阻R3接地，运放U1的反相输入端和输出端之间并联电阻R4，运放U1的输出端连接同轴线端子P1并接地；运放U2的反相输入端同时连接电容C2的一端、电阻R6的一端和同轴线端子P2，并接地；运放U2的同相输入端同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端和电容C1的另一端同时接地；运放U5的输出端同时连接电阻R6的另一端、电容C2的另一端和滑动变阻器R7的一端，滑动变阻器R7的另一端连接运放U3的反相输入端，运放U3的同相输入端通过电阻R8接地，运放U3的输出端连接运放U4的同相输入端，电阻R9并联在运放U3的反相输入端和输出端之间；运放U4的反相输入端和输出端之间短接，且运放U4的输出端作为电容检测放大模块106的输出端；

同轴线端子P1和同轴线端子P2分别连接待测电容C_x的两端。

给出一个电容放大检测模块106的具体取值选型实施例：滑动变阻器R1取10kΩ，电阻R2取3kΩ，电阻R3取510Ω，电阻R4取5kΩ，运放U1为OPA604，电容C1取100pF，电阻R5取1kΩ，电阻R6取1MΩ，电容C2取40pF，运放U2为OPA604，滑动变阻器R7取10kΩ，电阻R8取510Ω，电阻R9取2kΩ，运放U3为OPA604。

$V_{u1\mathrm{out}}=V_{\mathrm{DC}}\·\frac{R4}{R2}+\frac{R4}{R1}\·V_{\mathrm{IM}}\·\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)$

$V_{u2\mathrm{out}}=V_{u1\mathrm{out}}\·\frac{Z(R6//C2)}{Z\left(C_x\right)}=\frac{R4}{R1}\·V_{\mathrm{IM}}\·\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\·\frac{Z(R6//C2)}{Z\left(C_x\right)}$

$V_{\mathrm{out}}=\frac{R9}{R7}\·V_{u2\mathrm{out}}=\frac{R9}{R7}\·\frac{R4}{R1}\·V_{\mathrm{IM}}\·\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\·\frac{Z(R6//C2)}{Z\left(C_x\right)}$

其中：V_u1out为运放U1的输出电压信号；V_u2out为运放U2的输出电压信号；V_out为运放U4输出电压，也是电容放大检测模块106的输出电压。f为高频信号产生模块104产生的正弦负载波的频率。

电容放大检测模块106的输出正弦波的幅值即耦合了待测电容C_x的大小。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，平方率检波模块105包括模拟乘法器U5、运放U6、运放U7、稳压二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、滑动变阻器R17、电阻R18、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电容C8；

模拟乘法器U5的两个输入端同时作为平方率检波模块105的输入端，模拟乘法器U5的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端同时连接电容C3的一端和电阻R11的一端，电容C3的另一端接地；电阻R11的另一端同时连接电容C4的一端和电阻R12的一端，电容C4的另一端接地；电阻R12的另一端同时连接电阻R13的一端、电容C5的一端和电容C6的一端，电容C5的另一端接地；电阻R13的另一端同时连接电容C7的一端和运放U6的同相输入端，电容C7的另一端接地；电容C6的另一端同时连接电阻R14的一端、运放U6的输出端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端连接运放U6的反相输入端；电阻R15的另一端连接运放U7的同相输入端，运放U7的反相输入端同时连接电阻R16的一端和滑动变阻器R17的一端，电阻R16的另一端接地；滑动变阻器R17的另一端同时连接运放U7的输出端和电阻R18的一端，电阻R18的另一端同时连接稳压二极管D1的阴极和电容C8的一端，稳压二极管D1的阳极和电容C8的另一端同时接地，电阻R18、稳压二极管D1和电容C8的公共节点作为平方率检波模块105的输出端。

给出一个平方率检波模块105的具体取值选型实施例：模拟乘法器U5取AD835，电阻R10、R11和R12均取20kΩ，电阻R13取12kΩ，电阻R14取20kΩ，电阻R15取10kΩ，电阻R16取2kΩ，滑动变阻器R17取10kΩ，电阻R18取1kΩ，电容C3、C4和C5均取10μF，电容C6取0.68μF，电容C7取0.33μF，电容C8取47μF。

V_u5out＝(V_in)²＝K(1-2cos(2πft))

V_out′＝K·M

其中，V_u5out为模拟乘法器U5的输出电压信号，V_in为模拟乘法器U5的输入电压，即为电容放大检测模块106的输出电压V_out，V_out′为平方率检波模块105的输出电压信号；K为U5输出信号的幅值，M为滤波U6以及放大电路U7所提供的幅值增益。

平方率检波模块105中模拟乘法器U5的输出信号中的幅值K中包含了待测电容C_x的值，最后输出直流信号大小为单片机A/D采样合适的电压值。

由于本发明采用了阻抗比例检测的电容放大检测模块106和平方率检波模块105，使整个系统在1pF-1000pF的量程内有较高的线性度和分辨率。

Claims (2)

1.高频CV特性测试仪，它包括电源模块（100）、人机交互模块（101）、USB通讯模块（102）、单片机控制模块（103）、高频信号产生模块（104）、平方率检波模块（105）和电容检测放大模块（106）；

单片机控制模块（103）的高频信号指令输出端与高频信号产生模块（104）的高频信号指令输入端相连，高频信号产生模块（104）的高频信号输出端与电容检测放大模块（106）的高频信号输入端相连；单片机控制模块（103）的实验加载电压输出端与电容检测放大模块（106）的实验加载电压输入端相连；待测电容的待测电容模拟电压信号输出端与电容检测放大模块（106）的待测电容模拟电压信号输入端相连；

电容检测放大模块（106）的输出端与平方率检波模块（105）的输入端相连，平方率检波模块（105）的待测电容数字电压信号输出端与单片机控制模块（103）的待测电容数字电压信号输入端相连；

单片机控制模块（103）的待测电容值显示指令输出端与人机交互模块（101）的待测电容值显示指令输入端相连；

单片机控制模块（103）的待测电容电压数字信号数据输出端与USB通讯模块（102）的待测电容电压数字信号数据输入端相连；

电源模块（100）为人机交互模块（101）、USB通讯模块（102）、单片机控制模块（103）、高频信号产生模块（104）、平方率检波模块（105）和电容检测放大模块（106）提供工作电源,电源模块（100）为人机交互模块（101）、USB通讯模块（102）、单片机控制模块（103）和高频信号产生模块（104）提供+5V电源；电源模块（100）为平方率检波模块（105）提供±5V电源和±15V电源；电源模块（100）为电容检测放大模块（106）提供±15V电源,其特征在于，电容检测放大模块（106）包括运放U1、运放U2、运放U3、运放U4、滑动变阻器R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、滑动变阻器R7、电阻R8、电阻R9、电容C1和电容C2；

滑动变阻器R1的一端连接高频信号产生模块（104）的高频信号输出端；电阻R2的一端连接单片机控制模块（103）的实验加载电压输出端，滑动变阻器R1的另一端和电阻R2的另一端同时连接运放U1的反相输入端；运放U1的同相输入端通过电阻R3接地，运放U1的反相输入端和输出端之间并联电阻R4，运放U1的输出端连接同轴线端子P1并接地；运放U2的反相输入端同时连接电容C2的一端、电阻R6的一端和同轴线端子P2，并接地；运放U2的同相输入端同时连接电容C1的一端和电阻R5的一端，电阻R5的另一端和电容C1的另一端同时接地；运放U5的输出端同时连接电阻R6的另一端、电容C2的另一端和滑动变阻器R7的一端，滑动变阻器R7的另一端连接运放U3的反相输入端，运放U3的同相输入端通过电阻R8接地，运放U3的输出端连接运放U4的同相输入端，电阻R9并联在运放U3的反相输入端和输出端之间；运放U4的反相输入端和输出端之间短接，且运放U4的输出端作为电容检测放大模块（106）的输出端；

同轴线端子P1和同轴线端子P2分别连接待测电容的两端。

2.根据权利要求1所述高频CV特性测试仪，其特征在于，平方率检波模块（105）包括模拟乘法器U5、运放U6、运放U7、稳压二极管D1、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、滑动变阻器R17、电阻R18、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7和电容C8；

模拟乘法器U5的两个输入端同时作为平方率检波模块（105）的输入端，模拟乘法器U5的输出端连接电阻R10的一端，电阻R10的另一端同时连接电容C3的一端和电阻R11的一端，电容C3的另一端接地；电阻R11的另一端同时连接电容C4的一端和电阻R12的一端，电容C4的另一端接地；电阻R12的另一端同时连接电阻R13的一端、电容C5的一端和电容C6的一端，电容C5的另一端接地；电阻R13的另一端同时连接电容C7的一端和运放U6的同相输入端，电容C7的另一端接地；电容C6的另一端同时连接电阻R14的一端、运放U6的输出端和电阻R15的一端，电阻R14的另一端连接运放U6的反相输入端；电阻R15的另一端连接运放U7的同相输入端，运放U7的反相输入端同时连接电阻R16的一端和滑动变阻器R17的一端，电阻R16的另一端接地；滑动变阻器R17的另一端同时连接运放U7的输出端和电阻R18的一端，电阻R18的另一端同时连接稳压二极管D1的阴极和电容C8的一端，稳压二极管D1的阳极和电容C8的另一端同时接地，电阻R18、稳压二极管D1和电容C8的公共节点作为平方率检波模块（105）的输出端。