CN1063557A

CN1063557A - 瞬态电荷测量系统

Info

Publication number: CN1063557A
Application number: CN 91100410
Authority: CN
Inventors: 郑心畬; 李志坚; 孙曦庆
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 1992-08-12
Anticipated expiration: 2006-01-24
Also published as: CN1023347C

Abstract

本发明属于半导体测量技术，适用于半导体电学特性及绝缘体/半导体界面电学特性的测量。由于采用了脉冲电荷法新的测量技术，及由放大器、采样电路、积分器、反馈元件依次连接而成的新型漏电补偿反馈电路，并加入了微机控制，使本发明成为集“时域模式”、“瞬态电荷测量”及“漏电补偿”这样三个各有显著优点的因素于一体的实用测量系统，可以取代多种现有测量方法及装置，并能测量薄栅介质及漏电较大的MOS或MIS样品，可获取全部信息，且具有测量精度高等优点。

Description

本发明属于半导体测量技术，适用于半导体电学特性及绝缘体/半导体界面电学特性（以下统称为半导体电学特性）的测量。

半导体测量技术可测定的电学特性中，属于绝缘体/半导体界面特性的有：精密的绝缘物电容;表面势与栅压的关系;平带电压;绝缘物中固定与可动电荷密度;界面态在表面禁带中的分布;界面态的俘获时间常数或俘获截面。属于半导体材料性质的有：少数载流子寿命;搀杂浓度分布;深能级密度及能级位置。该技术可测量的样品结构包括MOS（Metal-Oxide-Semiconduotor金属-氧化物-半导体）二极管、MIS（Metal-Insulator-Semiconductor金属-绝缘体-半导体）二极管、PN结二极管、肖特基二极管、PIN二极管、SOI（Semiconduc-tor-on-Insulator绝缘物上半导体）结构、半绝缘半导体材料等。目前比较权威的半导体电学特性测量方法是交流电导方法，它的原理是在MOS或MIS二极管两端加不同频率（ω）的交流小信号来测量样品导纳中的电导分量G（ω），当绝缘物/半导体界面存在具有一定时间常数的界面态时，电导出现相应的谱峰，这是一种小信号激励的频域测量方法，为了保证所测得的是电导，测量中需要精确的相位锁定。交流电导方法是现有技术中唯一能可靠地获得绝缘物/半导体界面态的动态特性和俘获截面的方法。（“金属-绝缘-硅电导技术测定Si-SiO₂界面电学性质”作者尼古利安、库兹贝格，载于《贝尔系统技术杂志》46卷1055页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）但在实际工作中并没有得到普遍应用，其主要原因是频域测量模式的限制，在这种模式中，要对某种界面态动态特性进行测定需要获得多达几十个偏压值下的电导G（ω）曲线，每根曲线又需要几十个分立频率下的电导G测量，测试量过大。不同频率下的相位较准又很困难，测量结果也缺乏直观性，这些都使全频谱的交流电导的测量十分麻烦和困难，同时交流电导的方法适用范围很窄，它只能获得界面态的动态特性，不能测量表面势、界面态总量及各种材料特性。即使测量界面态动态特性也需要其它测量技术配合。从被测量的角度来分析，同样数量的界面态所产生的交流电导G的大小与界面态特征频率成正比，也就是说，界面态越“慢”，可检测信号越弱，这也是交流电导方法的一个重要缺点。另一种重要的现有技术是准静态电容电压法（Quasi-Static Capacitane Voltage），简称QSCV方法，这是用得最广泛的界面电学特性测量方法之一。它是测定绝缘物/半导体界面的表面势及界面态的标准方法，它的原理是在维持MOS或MIS样品接近静态（静态时栅压应当固定）的条件下令其栅压缓慢扫描，测量其位移电流，用以决定样品的准静态电容C（V）。（“水汽生长硅-二氧化硅界面”作者伯格勒，载于国际电气电子工程师·电子器件分刊13卷701页 1966年，（C.N.Berglund“Surface States at Steam-Grown Silicon-Silicon Oxide Interface”IEEE ED-13，701 1966）。这种方法的不足之处是：①对样品漏电有严格限制，如果漏电大于10^-13～10^-14A，就难以获得可靠的结果，由于现代工艺要求薄的栅介质，满足这一限制越来越不容易;②测量精度低，仅1%左右，这使它的可测能量范围只有表面禁带的50%～60%;③不容易判断样品是否接近静态。除上述二种方法外，还有若干种测量方法，但所有的已有测量技术中，没有一种能同时解决半导体电学性质的全面、快速与可靠的测量。分析表明要做到全面、快速、可靠的测量，需要对测量系统的设计思想进行革新，实现大、小脉冲下时域测量、以瞬态电荷作为测量对象及自动漏电补偿这样三个目标，这是现有技术无法实现的。1984年本专利申请的主要发明人提出了一种“脉冲电荷法”，这是一种时域测量技术，附图1给出了具体的测量装置，它由偏压及信号源、电流/电压变换器、积分器，以及放大器、取样/保持电路、反馈元件构成的漏电补偿反馈电路、自动/手动补偿调节器、时钟电路、波形记录测量装置等组成。信号源产生的方脉冲作用于样品（MOS）上产生位移电流I（t），I（t）经电流/电压转换器及积分器后，获得输出电压V_o（t）。

V_O(t) = (Q(t))/(C_I) + VF

式中Q（t）＝∫_I（t）dt是样品一个极上的电荷量，

C_I为仪器常数

V_F是输出波形的基线悬浮电平

由放大器及取样/保持电路、反馈元件组成的漏电补偿反馈电路将每个周期末尾（φ＝1）取样，采得的V_o（t）值，即V_F值转换成反馈电流I_c，设包括样品漏电、测量装置输入漏电及失调等因素在内的等效总漏电为I_o，当反馈增益A满足

C_IR_F/（｜A｜T）≥1

时，I_o+I_c＝1，V_o（t）波形能够稳定。

式中R_F为反馈电阻

T为周期

当反馈增益A不满足C_IR_F/（｜A｜T）≥1时，V_o（t）波形会产生振荡，而A过小时，V_o（t）波形又会呈随机起伏。

波形如附图2所示（“Si/SiO₂界面态研究中辅以脉冲和恒定红外光照的脉冲Q（V）法”作者郑心畲、李志坚，载于《半导体学报》1984年第5卷第457页）。这种脉冲电荷法的优点是第一次将半导体电学特性测量中的时域模式、瞬态电荷测量及漏电补偿这样三个各有显著优点的因素结合在一起，使其在原理上具有一系列的优越性。但是1984年所提出的脉冲电荷法尚不成熟，不能成为一种能够实际应用的测量技术，这是因为：①输出波形V_o是“悬浮”的，其基线电平VF随样品漏电的变化而浮动，这时的波形采集与处理都是不方便的;

②波形稳定条件比较苛刻，当脉冲周期T变化时，需要同时调节反馈增益A;

③漏电补偿能力较弱，需先用手动补偿消除大部分漏电，再转入自动反馈，操作复杂;

④由上述原因，难以制成实用的测量装置，而且很难实现测量过程的计算机化。

本发明的目的是为了克服现有技术之不足，采用新的原理和方法构成一种对半导体电学性质进行全面测量的系统。

本发明由偏压及信号源、电流/电压变换器、积分器1组成，主要技术特征是漏电补偿反馈电路的放大器与反馈元件之间依次接有一个采样电路和一个积分器2，在积分器1的出端接有一个模-数转换器A/D，在偏压及信号源的入端接有一个数-模转换器D/A，A/D、D/A分别与微机接口相连，D/A，A/D和采样电路由微机同步控制，如附图3所示。

下面结合附图3对本发明进行详细描述;样品MOS的偏压电平及脉冲幅度由微机控制数-模转换器D/A分别产生后，由偏压及信号源组合成偏压脉冲信号，脉冲信号作用于样品MOS产生位移电流I_t，经电流/电压变换器和积分器1得到输出电压V_o（t）

V_o（t）＝Q（t）/C_I

式中：Q（t）是样品一个极上的电荷量

C_I是仪器常数

本式V_o（t）＝Q（t）/C_I与脉冲电荷法的式V_o（t）＝Q（t）/C_I+V_F的不同点在于：其基线电平稳定在零值而不再悬浮，波形如附图4所示，脉冲电荷法中反馈信号正比于V_F，所需的反馈电流越大，悬浮电平V_F就越大。而在本发明中取样保持电路的保持功能不再重要，而只用取样电路，其后加一积分器2，微机在每个周期末产生一个取样脉冲φ，取样电路采集φ＝“1”时刻的V_o（t）值与零的偏差，由积分器2将其进行比例和积分运算。以提供反馈电流I_c。分析及实验表明，这是一个单极点的反馈电路，可不用手动补偿漏电而能自动维持平衡的电荷积分。正是由于这一特点，消除了脉冲电荷法的一系列缺点。当然本发明还可采用电压反馈，如附图5所示，电流、电压两种反馈方法实质上是等效的，其不同之点只是反馈相位恰好相反，需在电路设计中加以注意。另外漏电补偿反馈电路中的放大器可以不设。

本发明的优点是：

一、能取代多种现有技术实现全面的测量目标

可取代的方法有：

1.准静态电容电压方法。与该技术相比，本发明的优点在于可以测量静态电容电压曲线而不是准静态电容电压曲线;

2.高低频电容方法。与该技术相比，本发明的优点在于用几次波形测量就可覆盖自高频至低频的全部频谱;

3.变频电容方法，本发明的优点同2;

4.交流电导方法，与该技术相比，本发明的优点在于物理意义更加清晰，而且不存在相位锁定之困难，测量与数据处理工作量大大减少;

5.电荷泵法。与该技术相比，本发明的优点在于不仅可测量泵出的平均电荷量而且可以测量泵出电荷的瞬态值;

6.电流DLTS法，本发明的优点在于响应幅度与时间常数无关，而电流DLTS法的响应幅度与时间常数成反比;

7.光电流DLTS法，本发明的优点同6。

二、具备现有技术不具备的多种突出优点

1.能自动补偿样品直流漏电，因此可以对薄栅介质及漏电较大的MOS或MIS样品进行测量;

2.能在小信号激励下实现时域上的瞬态测量，从而获取MOS或MIS样品的全部信息;

3.电荷波形有明确的物理意义，可以方便地判别过程性质与起因，而根据电荷变化确定半导体参数在物理上是比较合理的，因此，本发明可以在SOI、PIN、半绝缘材料、异质结构等在当前有非常重要意义的新领域内进行测量;

4.测量精度可达千分之一或更高，由于很多情况下半导体参数测量依赖于数据的微小变化（如带边表面势测量）。这一特点具有十分重要意义，它使硅/二氧化硅界面态分布的测量范围从0.5～0.6eV扩大到0.9～1.0eV;

5.所获得的参数能互相自洽，包含了获取半导体电学参量的各方面信息，不需综合运用多种测量工具与方法。

三、应用特性良好

1.本发明由于实现计算机化，使测量大大简化，对测量人员要求降低，并使数据处理精度提高;

2.对电缆、电容等分布参数不敏感，可用于超低温环境下的测量;

3.既可用于精密测量又可用于工艺监测及定性分析，例如监视工艺线的质量控制状况;

4.由于可获得全部信息，并计算机化，在数据处理中可以采用数字信号处理技术，进一步提高精度，消除误差及噪声影响;

5.通过设计不同测量软件及数据处理软件，扩展应用范围。

附图说明：

附图1 脉冲电荷法测量系统框图

附图2 脉冲电荷法波形图

附图3 瞬态电荷测量系统（电流反馈）框图

附图4 瞬态电荷测量波形图

附图5 瞬态电荷测量系统（电压及反馈）框图

附图6 漏电补偿反馈电路实施例1（电流反馈）

附图7 漏电补偿反馈电路实施例2（电压反馈）

实施例1

附图6给出了漏电补偿电流反馈电路实施例。

实施例2

附图7给出了漏电补偿电压反馈电路实施例。

Claims

1、一种瞬态电荷测量系统，由偏压及信号源、电流/电压变换器、积分器1构成，其特征在于漏电补偿反馈电路的放大器与反馈元件之间依次接有一个取样电路和一个积分器2，在积分器1的出端接有一个模一数转换器A/D，在偏压及信号源的入端接有一个数一模转换器D/A，A/D、D/A分别与微机接口电路相连，D/A、A/D和采样电路由微机同步控制。

2、按照权利要求1所说的瞬态电荷测量系统，其特征在于所说的反馈元件可组成电流反馈电路，也可组成电压反馈电路，只是电流反馈与电压反馈的相位相反。

3、按照权利要求1和2所说的瞬态电荷测量系统，其特征在于所说的漏电补偿反馈电路中的放大器可以不设置。