DE102008015211B4

DE102008015211B4 - Messanordnung und Verfahren zum Betreiben der Messanordnung

Info

Publication number: DE102008015211B4
Application number: DE102008015211A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Brederlow; Roland Dr. Thewes
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2028-03-21
Also published as: US8183879B2; DE102008015211A1; US20090322371A1

Abstract

Messanordnung
– mit mehreren Halbleiterbauelementen (1), die in einer eigenen Wanne eines Halbleitersubstrats (101) angeordnet sind, wobei jedes Halbleiterbauelement (1) Folgendes aufweist:
– zumindest einen planar an eine Oberseite (102) eines Halbleitersubstrats (101) angrenzenden dotierten Bereich (103),
– eine auf der Oberseite (102) des Halbleitersubstrates (101) an den dotierten Bereich (103) angrenzende Isolationsschicht (104),
– eine auf der Isolationsschicht (104) angeordnete Gateanschlussschicht (105),
– zumindest einen Grenzflächenzustand (106) in der Grenzfläche zwischen Isolationsschicht (104) und Halbleitersubstrat (101),
– mit einer Spannungsquelle (2), die mit einem ersten Anschluss (201) mit einer Auswahleinheit (7) und mit einem zweiten Anschluss (202) mit einem Bezugspotenzial (GND) verbunden ist,
– mit einer Messeinheit (3), wobei die Messeinheit (3):
– zumindest einen ersten und einen zweiten Eingang (301, 302) sowie einen Ausgang (303) aufweist,
– der erste Eingang (301) mit dem Halbleitersubstrat (101) verbunden...

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung mit mehreren Halbleiterbauelementen und ein Verfahren zum Betreiben der Messanordnung, wobei an einem Ausgang der Messanordnung ein Referenzwert bereitgestellt ist, der proportional zur Anzahl der Grenzflächenzustände in den Halbleiterbauelementen ist.
Für einen Großteil integrierter Schaltungen werden Referenzquellen benötigt, die weitestgehend unabhängig von Prozessschwankungen, Schwankungen in der Versorgungsspannung und/oder Schwankungen von Umgebungsvariablen sind. Als Umgebungsvariable sei hier insbesondere die Temperatur erwähnt, wobei auch beispielsweise Vibrationen und Druck als Umgebungsvariablen anzusehen sind.
Zur Erzeugung eines Referenzwertes, beispielsweise einer Referenzspannung oder eines Referenzstromes, sind bislang eine Vielzahl von Schaltungen und Schaltungskonzepte bekannt. Eine bekannte Methode zur Erzeugung eines Referenzwertes ist das Prinzip der Kompensation von Schwankungen, die in Form additiver Störungen auf dem Referenzwert aufaddiert sind. Hierfür sind vorrangig Bipolar-Transistoren oder Dioden vorgesehen. Eine angewandte Methode bei der Erzeugung eines Referenzwertes ist das Prinzip der Temperaturkompensation. Hierzu wird in einer ersten Schaltungseinheit zunächst eine Ausgangsgröße bereitgestellt, die proportional zur Temperatur ist. Allgemein werden solche Schaltungen als „proportional to absolute temperature” (PTAT)-Schaltungen bezeichnet. Diese proportionale Temperaturabhängigkeit der Ausgangsgröße wird nun in einer weiteren Schalteinheit kompensiert.
Alle bislang bekannten Methoden benötigen zur Unterdrückung von Prozessschwankungen und Schwankungen der Versorgungsspannung eine hinreichend hohe Versorgungsspannung.
US 2006/0103450 A1 beschreibt eine Schaltung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Stroms mit niedrigem Pegel unter Verwendung einer Halbleiter-Ladungspumpe.
Ferner offenbart M. El-Sayed und H. Haddara: Study of interface trap properties in MOSFETs using split-current measurements. In: Solid-State Electronics, Band 34, Nr. 2, 1991, S. 173–180 ein experimentelles Verfahren zur Charakterisierung von Grenzflächen-Fangstellen in MOSFETs.
Es wird eine Messanordnung aufgezeigt, mit mehreren Halbleiterbauelementen, die in einer eigenen Wanne eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei jedes Halbleiterbauelement zumindest einen, planar an einer Oberseite eines Halbleitersubstrats angrenzenden, dotierten Bereich, eine auf der Oberseite des Halbleitersubstrates an den dotierten Bereich angrenzende Isolationsschicht, eine auf der Isolationsschicht angeordnete Gate-Anschluss-Schicht und zumindest einen Grenzflächenzustand in der Grenzfläche zwischen Isolationsschicht und Halbleitersubstrat aufweist, mit einer Spannungsquelle, die mit einem ersten Anschluss mit einer Auswahleinheit verbunden ist und mit einem zweiten Anschluss mit einem Bezugspotential verbunden ist, mit einer Messeinheit, wobei die Messeinheit zumindest einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang aufweist, der erste Eingang mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist, der zweite Eingang mit dem dotierten Bereich verbunden ist und der Ausgang einen Messwert bereitstellt, der proportional zur Anzahl der Grenzflächenzustände ist, mit der Auswahleinheit, die zwischen der Spannungsquelle und der jeweiligen Gateanschlussschicht angeordnet ist, und mit einer Auswerteeinheit, die einen ersten, mit dem Ausgang der Messeinheit verbundenen Eingang und einen Ausgang aufweist und die die Anzahl der Grenzflächenzustände berechnet und am Ausgang einen Referenzwert, der proportional zur Anzahl der Grenzflächenzustände ist, bereitstellt, wobei eine Berechnungseinheit in der Auswerteeinheit die Anzahl der Grenzflächenzustände berechnet und als Datum in einem Datenspeicher ablegt, wobei die Auswerteeinheit einen mit einem Steuereingang der Auswahleinheit verbundenen Steuerausgang aufweist, wobei die Messanordnung einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand aufweist, zwischen denen die Messanordnung mit Hilfe eines Steuersignals an einem Steuereingang der Auswerteeinheit der Messanordnung wechselt, wobei im ersten Betriebszustand die Auswahleinheit jeweils nur eine Gateanschlussschicht mit der Spannungsquelle elektrisch leitend verbindet und die Auswerteeinheit im ersten Betriebszustand die Anzahl der Grenzflächenzustände berechnet und als Datum im Datenspeicher ablegt und wobei im zweiten Betriebszustand die Halbleiterbauelemente als Referenzquelle zur Bereitstellung eines Referenzwerts und der Referenzwert am Ausgang der Auswerteeinheit bereitgestellt ist und die Auswerteeinheit die Auswahleinheit über den Steuerausgang (405) steuert.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben der Messanordnung bereitgestellt, mit den Verfahrensschritten Anlegen einer trapezförmigen Spannung an die Gateanschlussschicht zumindest eines Halbleiterbauelements der Messanordnung, wobei die Spannung einen ersten und einen zweiten Spannungswert aufweist und der erste Spannungswert das Halbleiterbauelement in Akkumulation und der zweite Spannungswert das Halbleiterbauelement in Inversion betreibt, Anschließen einer Messeinheit, wobei die Messeinheit einen ersten und einen zweiten Messeingang aufweist, der erste Messeingang mit dem zumindest einen dotierten Bereich des Halbleiterbauelementes verbunden wird und der zweite Messeingang mit dem Substratanschluss des Halbleiterbauelementes verbunden wird, Erfassen eines Messwertes am Ausgang der Messeinheit, wobei der Messwert proportional zu der Anzahl der Grenzflächenzustände in dem Halbleiterbauelement ist, und Umsetzen des Messwerts in einen Referenzwert.
Weitere Ausgestaltungen werden in den untergeordneten Patentansprüchen angegeben.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei die Figuren gleicher oder gleich wirkender Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zum Bereitstellen eines Messwertes, der proportional einer Störstellenanzahl ist,
2 eine Weiterbildung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels,
3 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Messanordnung,
4 eine Weiterbildung des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels,
5 ein prinzipieller Stromlaufplan des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels,
6 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Messanordnung,
7 ein Verfahrensablaufplan zum Betreiben eines Halbleiterbauelements als Referenzquelle,
8 eine Charge Pump Kennlinie eines Transistors mit Störstellen,
9 eine Verteilung der Anzahl der Transistoren pro Anzahl der Störstellen bei einer Gateanschlussfläche von (0,25 × 0,3) μm².
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung zum Bereitstellen eines Messwertes aufgezeigt, der proportional zur Anzahl N der Störstellen 106. Hierbei ist ein Halbleiterbauelement 1 mit einem Gate-Anschluss 107, einem Drain-Anschluss 108, einem Source-Anschluss 109 sowie einem Substratanschluss 110 aufgezeigt. Das Halbleiterbauelement weist ein Halbleitersubstrat 101 auf. Innerhalb des Halbleitersubstrats 101 sind zwei dotierte Bereiche 103 angeordnet. Beide Bereiche 103 sind planar an einer Oberseite 102 des Halbleitersubstrats 101 angrenzend. Auf der Oberseite 102 des Halbleitersubstrats 101 ist eine Isolationsschicht 104 angeordnet, wobei die Isolationsschicht 104 zumindest den Zwischenraum zwischen den dotierten Bereichen 103 bedeckt. Auf der Isolationsschicht 104 ist eine Gate-Anschluss-Schicht 105 angeordnet. Die Grenzfläche zwischen der Isolationsschicht 104 und dem Halbleitersubstrat 101 weist zumindest eine Störstelle auf.
Das beschriebene Halbleiterbauelement 1 ist nach 1 ein Transistor. Die Messanordnung ist auch betreibbar, wenn nur ein dotierter Bereich 103 im Substrat ausgebildet ist, beziehungsweise nur der Drainanschluss 108 oder nur der Sourceanschluss 109 des Transistors mit der Messeinheit 3 verbunden ist.
Die folgende Beschreibung gilt vorrangig bei Verwendung von NMOS Feldeffekttransistoren. Bei der Verwendung eines PMOS Transistors ist eine inverse Betrachtung vorzunehmen.
Als Halbleitersubstrat 101 dient insbesondere ein schwach p-dotierter Siliziumeinkristall. Als Dotieren wird hier das Einbringen von Fremdatomen in die Siliziumkristallgitterstruktur verstanden, wobei das Einbringen von Akzeptoren einer P-Dotierung, das Einbringen von Donatoren einer N-Dotierung entspricht. In das Halbleitersubstrat 101 sind zwei stark n-dotierte Bereiche 103 eingebracht, die den Source- bzw. Drainanschluss 109, 108 erzeugen. Zwischen den beiden Bereichen 108, 109 befindet sich weiterhin das Halbleitersubstrat 101, wodurch eine Struktur entsteht, die vorerst keinen Stromfluss zulässt. Genau über diesem verbleibenden Zwischenraum wird nun eine sehr dünne Isolationsschicht 104, beispielsweise eine Siliziumdioxidschicht, aufgebracht. Den Ga- teanschluss 107 des Transistors bildet eine leitende Gateanschlussschicht 105, die auf diesem Dielektrikum, sprich der Isolationsschicht 104 aufgebracht ist. Zwischen den beiden dotierten Bereichen 108, 109 im Halbleitersubstrat 101 wird im Betrieb des Transistors der so genannte n-Kanal ausgebildet. Der Zwischenraum zwischen den beiden Bereichen 108, 109 wird auf der Oberseite 102 durch die Isolationsschicht 104 bedeckt. Verwendung für die Gateanschlussschicht 105 findet Aluminium, bzw. n⁺ bzw. p⁺ dotiertes, so genanntes entartetes polykristallines Silizium.
Da die Gitterkonstanten des Halbleitersubstrats 101 und der Isolationsschicht 104 nicht übereinstimmen, werden bei Aufbringen der Isolationsschicht, die insbesondere eine Siliziumdioxidschicht ist, Störstellen 106 entstehen. Diese Störstellen 106 werden auch als Grenzflächenzustände oder als Dangling-Bonds, also als offene, Gitterbindungen bezeichnet.
Eine Spannungsquelle 2 ist wiederum mit einem ersten Anschluss 201 mit dem Gate-Anschluss 107 elektrisch leitend verbunden. Ein zweiter Anschluss der Spannungsquelle 2 ist mit dem Bezugspotential GND verbunden. Weiterhin sind der Drain-Anschluss 108 und der Source-Anschluss 109 elektrisch leitend mit einem ersten Eingang 302 einer Messeinheit 3 verbunden. Ein zweiter Eingang 301 der Messeinheit 3 ist wiederum mit dem Substratanschluss 110 des Halbleiterbauelementes 1 verbunden. Die Messeinheit 3 weist weiterhin einen Ausgang 303 auf.
Durch den Aufbau des Halbleiterbauelementes 1 bilden Gateanschluss 107, Isolationsschicht 104 und Substratanschluss 110 einen Kondensator, der beim Anlegen einer Spannung zwischen Gateanschluss 105 und Bulkanschluss 110 aufgeladen wird. Durch das elektrische Feld wandern im Halbleitersubstrat 101 Minoritätsträger, im Falle eines p-Siliziums als Halbleitersubstrat 101 sind das Elektronen, an die Grenzschicht und rekombinieren mit den Majoritätsträgern, auch als Defektelektronen bezeichnet. Dieser Zustand wird Verarmung genannt. Ab einer bestimmten Spannungshöhe U_th, auch Schwellspannung oder threshold voltage bezeichnet, ist die Verdrängung der Majoritätsladungsträger so groß, dass sie nicht mehr für die Rekombination zur Verfügung stehen. Es kommt zu einer Ansammlung von Minoritätsträgern, wodurch das eigentlich p-dotierte Substrat 101 nahe an der Isolierschicht 104 n-leitend wird. Dieser Zustand wird starke „Inversion” genannt. Wird hingegen eine negative Spannung an den Gateanschluss 105 angelegt, so spricht man von Akkumulation oder Anreicherung des Halbleiterbauelements 1.
Die Spannungsquelle 2 erzeugt insbesondere eine trapezförmige Spannung, wobei die Spannung zumindest einen ersten und einen zweiten Spannungswert 203, 204 aufweist. Im Idealfall ist diese Spannung rechteckförmig. Diese Spannung am Gateanschluss 105 des Halbleiterbauelements 1 oszilliert zwischen zwei Spannungswerten, von denen der erste Spannungswert 203 kleiner als die minimale Gate-Spannung ist, die das Halbleiterbauelement 1 in Akkumulation versetzt und der zweite Spannungswert 204 größer als die Spannung zum Erreichen der Inversionsbedingungen im Kanal des Halbleiterbauelements 1 ist. Beide Bedingungen gelten für ein n-MOS-Halbleiterbauelement, insbesondere einen n-MOS Transistor. Die beiden Spannungswerte 203, 204 sind entsprechend invers, wenn ein p-MOS-Halbleiterbauelement, insbesondere ein p-MOS Transistor verwendet wird.
Unter diesen Bedingungen der Spannung werden die Grenzflächenzustände im Kanalbereich geladen und über das Halbleitersubstrat 101 wieder entladen. Liegt der zweite Spannungswert 204 am Gateanschluss 107 an, so wird das Halbleiterbauelement 1 in Inversion betrieben. Dadurch werden frei bewegliche Ladungsträger in den Störstellen 106 gebunden. Die Störstellen 106 halten diese Ladungsträger fest. Wird der erste Spannungswert 204 an den Gateanschluss 107 angelegt, so wird das Halbleiterbauelement 1 in Akkumulation betrieben. Dadurch werden die vorher in den Störstellen 106 gebundenen Ladungsträger wieder frei. Diese freiwerdenden Ladungsträger rekombinieren im Halbleitersubstrat 101.
Mittels einer Messeinheit 3, die mit einem ersten Eingang 301 mit dem Substratanschluss 110 elektrisch leitend verbunden ist und mit einem zweiten Eingang 302 mit den dotierten Bereichen 103 verbunden ist, ist die Rekombination der freiwerdenden Ladungsträger als Messwert erfassbar. Am Ausgang 303 der Messeinheit 3 ist dieser Messwert bereitgestellt.
Der so ermittelte Messwert, in diesem Fall ein Stromwert Imess, ist proportional zur Anzahl N der Störstellen 106, der Frequenz f der Spannungsquelle 2 sowie der Elementarladung e. Die Elementarladung ist eine Naturkonstante und entspricht einem Wert von e = 1,602176487 × 10^(–19) Coulomb. Insbesondere gilt der Zusammenhang: Imess = f × e × N.
Das Halbleiterbauelement 1, in einer speziellen Form ein Transistor, weist hierbei bevorzugt die in Technologie verfügbare, minimale Gate-Länge und/oder minimale Gate-Weite auf. Dadurch wird die Anzahl N der Störstellen 106 pro Halbleiterbauelement auf einen sehr geringen Wert reduziert. Ist die Zahl der Störstellen im Halbleiterbauelement 1 sehr klein, können diskrete, sprich quantisierte, Zustände für den erhaltenen Messwert erwartet werden.
In 2 ist eine Weiterbildung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels aufgezeigt. Im Folgenden wird nur auf den Unterschied zwischen 1 und 2 eingegangen. In 2 ist zusätzlich eine Auswerteeinheit 4 aufgezeigt. Die Auswerteeinheit 4 ist mit ihrem ersten Eingang 401 mit dem Ausgang 303 der Messeinheit 3 verbunden. Weiterhin weist die Auswerteeinheit 4 einen Ausgang 403 auf.
Mit obiger Stromformel und der Annahme, dass nur eine Störstelle 106 im Halbleiterbauelement vorhanden ist, lässt sich zunächst ein Einheitsstrom 10 errechnen, der nur von der Frequenz f und der Naturkonstante e abhängig ist. Ist die Anzahl N der Störstellen 106 größer eins, wird in der Messanordnung ein Messwert erfasst, der proportional zu diesem Einheitsstrom I0 ist. Die Auswerteeinheit 4 ist derart beschaffen, dass aufgrund des erfassten Messwertes und der Beziehung zwischen Messwert und Anzahl N der Störstellen 106 auf die Anzahl N der Störstellen 106 in diesem Halbleiterbauelement 1 zurück geschlossen wird. Am Ausgang 403 der Auswerteeinheit 4 ist somit ein Datum bereitgestellt, welches die Anzahl N der Störstellen 106 des gemessenen Halbleiterbauelementes 1 beinhaltet.
Mit der in 2 dargestellten Messanordnung lässt sich nun die Anzahl N der Störstellen 106 eines beliebigen Halbleiterbauelementes 1 bestimmen. Dies wird im Folgenden als Eigencharakterisierung bezeichnet. Bevorzugt werden Halbleiterbauelemente mit minimaler Gatelänge und/oder Gateweite verwen- det, da die Anzahl N der darin befindlichen Störstellen 106 klein ist. Mittels der Auswerteeinheit und der bekannten Anzahl N der Störstellen 106 im untersuchten Halbleiterbauelement 1 lässt sich nun die Aussage treffen, dass dieses untersuchte Halbleiterbauelement 1 ein N-faches des Einheitsstromes 10 liefert.
Durch Zusammenschalten mehrerer Halbleiterbauelemente 1, von denen die Anzahl N der Störstellen 106 bekannt ist, kann ein Referenzwert erzeugt werden, der einem gewünschten Vielfachen N des Einheitsstromes I0 entspricht. In dem Datum, das von der Auswerteeinheit 4 erzeugt wird, ist die Anzahl N der Störstellen 106 mit Bezug auf das entsprechende Halbleiterbauelement 1 enthalten. Somit ist jede Anzahl N der Störstellen 106 einem konkreten Halbleiterbauelement 1 zugeordnet. Ziel ist die Verwendung von Halbleiterbauelementen 1 mit wenigen Störstellen, um eine möglichst genaue Referenzquelle zu erhalten. Das Eigencharakterisieren mehrerer Halbleiterbauelemente 1 ist in der Beschreibung zur 6 aufgezeigt.
Bevorzugt sollten die Halbleiterbauelemente 1 für diese Messanordnung in einer eigenen Wanne des Halbleitersubstrats 101 eingesetzt sein, so dass verschiedenartige Halbleiterbauelemente 1 eingesetzt werden können, die sich nicht untereinander beeinflussen. Als Wanne wird hierbei ein extra abgeschirmter Bereich des Halbleitersubstrats 101 verstanden.
Da die Anzahl N der Störstellen 106 in solch einem Halbleiterbauelement 1 statistischen Gesetzen genügt, sind zur Gewährleistung hoher Ausbeuten in der Produktion mehrere redundante Halbleiterbauelemente 1 innerhalb einer Anordnung auf dem Chip vorgesehen. Weiterhin ist die Zahl der zu verwendeten Halbleiterbauelemente 1 abhängig von der Störstellendichte der verwendeten Technologie und der Fläche der verwendeten Halbleiterbauelemente 1. Die resultierende Zahl von benötigten Halbleiterbauelementen 1, die in der Schaltung zu implementieren ist, um einen bestimmten Referenzwert zu erzeugen, ergibt sich dann aus der Höhe des gewünschten Referenzwertes und der Anzahl N von Störstellen 106 pro Halbleiterbauelement 1.
Die trapezförmige Spannung weist bevorzugt eine Frequenz f von 1 bis 10 MHz auf. Durch obige Gleichung lässt sich aufgrund der bekannten Frequenz f, der Elementarladung e und dem ermittelten Messwert, hier insbesondere ein Stromwert Imess, die Anzahl N der Störstellen 106 in der Auswerteeinheit 4 berechnen.
In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Messanordnung aufgezeigt. Im Folgenden wird der Unterschied zwischen 2 und 3 beschrieben. Die Auswerteeinheit 4 weist in 3 zwei Eingänge auf. Anstelle der Messeinheit 3 sind ein erster und ein zweiter Stromspannungsumsetzer 8 vorgesehen. Jeder Stromspannungsumsetzer 8 weist dabei einen Eingang 801 und einen Ausgang 802 auf. Der erste Stromspannungsumsetzer 8 ist mit seinem Eingang 801 mit dem Source-Anschluss 109 verbunden. Der Ausgang 802 des Stromspannungsumsetzers 8 ist mit einem ersten Eingang der Auswerteeinheit 4 verbunden. Der zweite Stromspannungsumsetzer 8 ist mit seinem Eingang 801 mit dem Halbleitersubstrat 101 verbunden. Der zweite Stromspannungsumsetzer 8 ist mit seinem Ausgang 802 mit einem zweiten Eingang der Auswerteeinheit 4 verbunden.
Zwischen den beiden Ausgängen der Stromspannungsumsetzer 8 ist ein Messwert Umess bereitgestellt, der: Umess = 2·e × f × N/G entspricht.
G ist in diesem Fall die Steilheit des verwendeten Stromspannungsumsetzers 8.
In 4 ist eine Weiterbildung des in 3 aufgezeigten alternativen Ausführungsbeispiels dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 ist in 4 als Schaltsymbol mit dem Gate-Anschluss 107, dem Drain-Anschluss 108, dem Source-Anschluss 109 und dem Substratanschluss 110 dargestellt. Die Verschaltung entspricht der Verschaltung aus 3. Die Auswerteeinheit 4 ist detaillierter dargestellt in 4 und enthält eine Berechnungseinheit 5 mit einem ersten und einem zweiten Eingang und einem Ausgang, wobei der Ausgang der Berechnungseinheit 5 mit einem Datenspeicher 6 verbunden ist. In der Berechnungseinheit 5 wird die Anzahl N der Störstellen 106 bestimmt, die nach obigen Formeln berechnet wird. Da e, f und Umess bekannt sind, ist die Anzahl N der Störstellen 106 in dem Halbleiterbauelement 1 errechenbar. Die Berechnungseinheit 5 stellt die ermittelte Anzahl N der Störstellen 106 einem Datenspeicher 6 bereit. Im Datenspeicher 6 wird zusätzlich zur Anzahl N der Störstellen 106 auch die Position beziehungsweise Informationen über das gemessene Halbleiterbauelement 1 abgelegt. Der Datenspeicher 6 weist darüber hinaus einen Datenausgang 602 auf, an dem die abgelegten Daten einer nach geschalteten, nicht dargestellten, Einheit zugänglich gemacht werden. Die nachgeschaltete Einheit ist als Software- oder Hardware realisierbar. Der Datenausgang kann in Form eines Busses mit anderen Einheiten verbunden sein.
In 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Messanordnung aufgezeigt. Im Unterschied zur 4 sind die Stromspannungsumsetzer 8 detaillierter dargestellt. Jeder der Spannungsumsetzer 8 weist einen Operationsverstärker 9 auf, wobei der positive Eingang 901 des Operationsverstärkers mit einem Bezugspotential GND verbunden ist. Der negative Eingang 902 des Operationsverstärkers ist mit dem Drain- bzw. dem Source-Anschluss 108, 109 des Halbleiterbauelements 1 bzw. im Fall des zweiten Strom-Spannungsumsetzers 8 mit dem Substratanschluss 110 des Halbleiterbauelementes 1 verbunden. Weiterhin ist der Operationsverstärker 9 über einen Rückkoppelwiderstand 10 zurückgekoppelt. Der Ausgang des Operationsverstärkers entspricht dem Ausgang des Stromspannungsumsetzers 8. Beide Stromspannungsumsetzer 8 sind in diesem Fall identisch aufgebaut. Durch die Operationsverstärker 9 werden die dem Fachmann bekannten Vorteile erreicht. Die Einstellung der Steilheit G erfolgt mittels der Rückkoppelwiderstände 10.
In 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Messanordnung aufgezeigt. Im Unterschied zu 4 sind hier zwei Halbleiterbauelemente 1 dargestellt. Weiterhin weist die Auswerteeinheit 4 einen Referenzwertausgang V_REF auf. Mittels der Schalter S1 und S2 sind die Ausgänge der Stromspannungsumsetzer 8 entweder mit der Berechnungseinheit 5 oder Referenzwertausgang Vref verbunden. Eine Auswahleinheit 7 ist zwischen die Spannungsquelle 2 und die jeweiligen Gate-Anschlüsse 107 der Halbleiterbauelemente 1 geschaltet. Die Auswahleinheit 7 weist einen Steuereingang 701 auf, der mit einem Steuerausgang 601 des Datenspeichers 6 verbunden ist.
Mittels der Auswahleinheit 7 und der beschriebenen Spannungswerte 203, 204 lässt sich jedes Halbleiterbauelement 1 neben den Betriebszuständen Inversion und Akkumulation auch einzeln an- beziehungsweise abschalten. Zusätzlich kann die Auswahleinheit 7 Mittel aufweisen, mit der jedes Halbleiterbauelement 1 sowohl für eine Eigencharakterisierung als auch später als Referenzquelle zugeschaltet wird.
Die Auswerteeinheit 4 weist zusätzlich Schalter S1 und Schalter S2 auf. Diese beiden Schalter lassen sich mittels eines Steuereinganges 404 der Auswerteeinheit 4 umschalten. Die Umschaltung erfolgt entweder software- oder hardware- basiert. Die Auswerteeinheit 4 ist mit einem Steuerausgang 405 mit dem Steuereingang 701 der Auswahleinheit 7 verbunden. Der Datenspeicher 6 weist einen Steuerausgang 601 auf, der mit dem Steuerausgang 405 der Auswerteeinheit 4 verbunden ist.
Mittels des Steuereingangs 404 der Auswerteeinheit 4 wird von einem Eigencharakterisierungszustand in einen Referenzquellenzustand der Gesamtanordnung umgeschaltet. Dazu werden die Schalter S1 und S2 von einem ersten Schaltzustand in einen zweiten Schaltzustand versetzt, wodurch am Referenzwertausgang Vref der Auswerteeinheit 4 ein Referenzwert abgreifbar ist. Zuvor erfolgt eine Eigencharakterisierung der Halbleiterbauelemente 1, wie in den Figurenbeschreibungen 1 bis 4 beschrieben. Nach der Eigencharakterisierung, also der Zuordnung einer konkreten Anzahl N von Störstellen 106 zu jedem Halbleiterbauelement 1 durch die Auswerteeinheit 4, werden für jedes Halbleiterbauelement 1 die zum Betreiben der Anordnung als Referenzquelle notwendigen Daten im Datenspeicher 6 abgelegt. Hierbei ist es möglich, die Auswerteeinheit 4 vollständig in Hardware, allerdings z. T. auch in Software zu realisieren.
In 7 ist ein Verfahrensablaufplan zum Betreiben einer Referenzquelle mit vorheriger Eigencharakterisierung der zu verwendenden Halbleiterbauelemente 1 aufgezeigt. Hierbei werden im ersten Schritt A die Messwerte der jeweilig nacheinander ausgewählten Halbleiterbauelemente 1 seriell ermittelt. In einem zweiten Schritt B werden die analogen Messwerte in digitale Messwerte umgesetzt. Dies erfolgt bevorzugt durch einen Analog Digital Wandler. In einem dritten Schritt C ordnet eine Vergleichseinheit in der Auswerteeinheit 4 die digitalen Messwerte der Größe nach und markiert die digitalen Messwerte bezüglich des entsprechenden Halbleiterbauelements 1. In der Vergleichseinheit werden beispielsweise die digitalen Messwerte des jeweilig nachfolgend ausgewählten Transistors mit dem aktuellen digitalen Messwert verglichen. Es treten lediglich ganzzahlige Unterschiede zwischen den zwei aufeinander folgenden Messwerten auf. In einem vierten Schritt D werden die Messwertunterschiede der Größe nach geordnet. In einem fünften Schritt E wird anhand der Unterschiede zwischen den einzelnen digitalen Messwerten die Anzahl der Störstellen jedes Halbleiterbauelements 1 ermittelt und als Datum in einem Datenspeicher abgelegt.
In dem beschriebenen Verfahren ist zunächst das Ermitteln der Messwerte der einzelnen Halbleiterbauelemente 1 nacheinander beschrieben. Alternativ kann auch während der Eigencharakterisierung der jeweiligen Halbleiterbauelemente 1 parallel die Relativbeziehung zu den bereits vorherig charakterisierten Halbleiterbauelementen 1 ermittelt werden. Die ermittelten Daten werden dementsprechend durch Messwertunterschiede, auch als Sprünge der Messwerte bezeichnet, im Datenspeicher hinterlegt.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden zunächst die Messwerte der zu untersuchenden Halbleiterbauelemente 1 ermittelt. Durch Grobreferenzieren, beispielsweise durch eine Bandgap Schaltung, werden die Messwerte bereits einer bestimmten Anzahl N von Störstellen 106 grob zugeordnet. Mittels eines Fensterkomparators wird nun die genaue Störstellenanzahl N bestimmt. Dieses Ausführungsbeispiel ist dann vorteilhaft, wenn wenige Störstellen 106, beispielsweise kleiner 10, im Halbleiterbauelement 1 sind, da in einem solchen Fall eine Fensterung der einzelnen Störstellenstufen mit vertretbarem Aufwand erfolgen kann.
Nach der Zuweisung konkreter Anzahlen N der Störstellen 106 zu den einzelnen Halbleiterbauelementen 1 kann eine sehr genaue Referenzquelle geschaffen werden. Durch die ermittelten Anzahlen N der Störstellen 106 ist bekannt, welches Halbleiterbauelement 1 welches Vielfache vom Einheitsstrom I0 im Betrieb liefert. Wird ein Referenzwert benötigt, so kann mittels der Anordnung aus 6 über den Steuereingang 404 ein geforderter Referenzwert einer gewünschten Höhe bzw. einer gewünschten Stärke der Auswerteeinheit 4 entnommen werden. Entsprechend der gewünschten Anforderungen werden mittels der abgelegten Daten diejenigen Halbleiterbauelemente 1 als Referenzquelle betrieben. Als Referenzwert wird beispielsweise ein Stromwert oder ein Spannungswert bereitgestellt.
In 8 ist eine Charge Pump (CP) Kurve eines Halbleiterbauelements 1 einer MOSFET-Technologie angegeben. Zur näheren Erläuterung werden zunächst drei mögliche Fälle beschrieben. Die Amplitude der trapezförmigen Spannung Vg, die an die Gateanschlusschicht 105 des Halbleiterbauelements 1 angelegt wird, sei hier stets 2,5 Volt.
Im ersten Fall ist der untere Spannungswert Vg beispielsweise minus ein Volt. Der obere Spannungswert von Vg entspricht demnach plus 1,5 Volt. Wird das Halbleiterbauelement 1 mit dieser Spannung angesteuert, wird der Kanal beim unteren Spannungswert in Akkumulation, beim oberen Spannungswert in Inversion betrieben. Im ersten Fall tritt der Strom Imess garantiert auf.
Im zweiten Fall ist der untere Spannungswert Vg beispielsweise minus 2,5 Volt. Der obere Spannungswert entspricht demnach plus 0,5 Volt. Wird das Halbleiterbauelement 1 mit dieser Spannung angesteuert, wird der Kanal beim unteren Spannungswert sicher in Akkumulation betrieben. Der obere Spannungswert reicht jedoch nicht aus, das Halbleiterbauelement 1 in Inversion zu betreiben. Im zweiten Fall tritt der Strom Imess nicht auf.
Im dritten Fall ist der untere Spannungswert Vg beispielsweise 0 Volt. Der obere Spannungswert entspricht demnach plus 2,5 Volt. Wird das Halbleiterbauelement 1 mit dieser Spannung angesteuert, wird der Kanal beim oberen Spannungswert sicher in Inversion betrieben. Der untere Spannungswert reicht jedoch nicht aus, das Halbleiterbauelement 1 in Akkumulation zu betreiben. Im dritten Fall tritt der Strom Imess ebenfalls nicht auf.
Diese drei Fälle sind auch in 8 dargestellt. Auf der Abszisse ist der untere Spannungswert der trapezförmigen Spannung aufgetragen, der an die Gateanschlussschicht 105 angelegt wird. Auf der Ordinate ist der gemessene Strom Imess in Picoampere aufgetragen. Somit zeigt die Kennlinie der 8, bei welchem unteren Spannungswert der Strom Imess auftritt und die Anzahl N der Störstellen 106 detektiert werden können.
In 9 wurden 20 Halbleiterbauelemente 1 eigencharakterisiert und die Anzahl der Halbleiterbauelemente 1, die eine Anzahl N der Störstellen 106 aufweisen, angegeben. Hierbei weist jedes Halbleiterbauelement 1 eine Gate-Fläche von 0,25 × 0,3 μm² auf. Es ist zu erkennen, dass bei dieser Gatefläche die Anzahl N der Störstellen kleiner 18 ist. Der 9 ist weiterhin zu entnehmen, dass eine hohe Anzahl von Halbleiterbauelementen 1 eine Störstellenanzahl N von 6 bis 9 aufweist.
Die Anzahl N der Störstellen 106 für ein Halbleiterbauelement 1 folgt statistischen Gesetzen, üblicherweise der Poisson-Verteilung. Diese Verteilung sagt aus, dass wenige Anzahlen N von Störstellen mit größter Wahrscheinlichkeit auftreten, wohingegen im Abstand von diesen meistwahrscheinlichen Anzahlen es wahrscheinlicher ist, dass ein Halbleiterbauelement 1 mehr Störstellen 106 aufweist, als dass es weniger Störstellen 106 aufweist. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Halbleiterbauelement 1 keine Störstelle 106 aufweist. Dieses Halbleiterbauelement 1 kann zur Bildung einer Referenzquelle nach dem hier beschriebenen Verfahren nicht verwendet werden.
Es ist ebenfalls möglich, dass bestimmte Anzahlen N von Störstellen 106 in den untersuchten Halbleiterbauelementen 1 nicht vorkommen. Wird also nur eine geringe Anzahl an Halbleiterbauelementen 1 charakterisiert, wie in 9, so ist es wahrscheinlich, dass beispielsweise kein Halbleiterbauelement 1 nur eine Störstelle 106 aufweist. In diesem Fall ist es allerdings sehr wahrscheinlich, dass zumindest ein Halbleiterbauelement 1 zwei oder drei Störstellen aufweist. Es ist ebenfalls möglich, dass bei den untersuchten Halbleiterbauelementen 1 der kleinste ermittelte Messwertunterschied zwei Störstellen 106 entspricht. Durch einfache mathematische Algorithmen lässt sich die Beziehung zwischen den erhaltenen Messwertunterschieden und der Anzahl N der Störstellen 106 der Halbleiterbauelemente 1 leicht errechnen. Insbesondere durch Ermittlung der Beziehung zwischen den Messwerten und Feststellen der Vielfachen N zum Einheitsstrom I0 ist dies möglich.
Um zu vermeiden, dass Anzahlen N von Störstellen 106 nicht vorhanden sind, werden eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen 1 charakterisiert, deren Störstellenanzahl N bestimmt und diese als Datum in einem Datenspeicher abgelegt. Eine Größenordnung von hundert und mehr Eigencharakterisierungen ist somit vorteilhaft, um eine gute statistische Basis bezüglich der Anzahlen N von Störstellen 106 zu erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterbauelement, Transistor
101: Halbleitersubstrat
102: Oberseite des Halbleitersubstrats
103: Dotierter Bereich
104: Isolationsschicht
105: Gateanschlussschicht
106: Störstelle
107: Gateanschluss
108: Drainanschluss
109: Sourceanschluss
110: Substrat-, Bulkanschluss
2: Spannungsquelle
201: Erster Anschluss der Spannungsquelle
202: Zweiter Anschluss der Spannungsquelle
203: Erster Spannungswert
204: Zweiter Spannungswert
3: Messeinheit
301: Erster Eingang der Messeinheit
302: Zweiter Eingang der Messeinheit
303: Ausgang der Messeinheit
4: Auswerteeinheit
401: Erster Eingang der Auswerteeinheit
402: Zweiter Eingang der Auswerteeinheit
403: Ausgang der Auswerteeinheit
404: Steuereingang der Auswerteeinheit
405: Steuerausgang der Auswerteeinheit
5: Berechnungseinheit
6: Datenspeicher
601: Steuerausgang des Datenspeichers
602: Datenausgang des Datenspeichers
7: Auswahleinheit
701: Steuereingang der Auswahleinheit
8: Strom in eine Spannung umsetzende Einheit
801: Eingang der umsetzenden Einheit
802: Ausgang der umsetzende Einheit
9: Operationsverstärker
901: Positiver Eingang des OPV
902: Negativer Eingang des OPV
903: Ausgang des OPV
10: Rückkoppelwiderstand
11: Transistoranordnung
A: Ermittelung der Messwerte der Halbleiterbauelemente 1
B: Analog-Digital Umsetzen
C: Ordnen der digitalen Messwerte der Größe nach Markieren der digitalen Messwerte bzgl. entsprechenden Halbleiterbauelements 1
D: Selektion des Halbleiterbauelements 1 mit geringstem Messwert und Vergleich mit anderen Messwerten
E: Abspeichern der Informationen im Datenspeicher
e: Elementarladung (e = 1,602176487 × 10–19 Coulomb)
f: Frequenz der Spannungsquelle
G: Steilheit des OPV
GND: Bezugspotenzial
Imess: Strommesswert
Iref: Stromwert
L: Gatelänge
N: Anzahl der Störstellen
S1: Schalter
W: Gateweite
Vmess: Spannungsmesswert
Vref: Referenzspannungswert

Claims

Messanordnung – mit mehreren Halbleiterbauelementen (1), die in einer eigenen Wanne eines Halbleitersubstrats (101) angeordnet sind, wobei jedes Halbleiterbauelement (1) Folgendes aufweist: – zumindest einen planar an eine Oberseite (102) eines Halbleitersubstrats (101) angrenzenden dotierten Bereich (103), – eine auf der Oberseite (102) des Halbleitersubstrates (101) an den dotierten Bereich (103) angrenzende Isolationsschicht (104), – eine auf der Isolationsschicht (104) angeordnete Gateanschlussschicht (105), – zumindest einen Grenzflächenzustand (106) in der Grenzfläche zwischen Isolationsschicht (104) und Halbleitersubstrat (101), – mit einer Spannungsquelle (2), die mit einem ersten Anschluss (201) mit einer Auswahleinheit (7) und mit einem zweiten Anschluss (202) mit einem Bezugspotenzial (GND) verbunden ist, – mit einer Messeinheit (3), wobei die Messeinheit (3): – zumindest einen ersten und einen zweiten Eingang (301, 302) sowie einen Ausgang (303) aufweist, – der erste Eingang (301) mit dem Halbleitersubstrat (101) verbunden ist, – der zweite Eingang (302) mit dem dotierten Bereich (103) verbunden ist und – der Ausgang (303) einen Messwert bereitstellt, der proportional zur Anzahl (N) der Grenzflächenzustände (106) ist, – mit der Auswahleinheit (7), die zwischen der Spannungsquelle (2) und der jeweiligen Gateanschlussschicht (105) angeordnet ist, und – mit einer Auswerteeinheit (4), die einen ersten, mit dem Ausgang (303) der Messeinheit (3) verbundenen Eingang (401) und einen Ausgang (403) aufweist und die die Anzahl (N) der Grenzflächenzustände (106) berechnet und am Ausgang (403) einen Referenzwert, der proportional zur Anzahl (N) der Grenzflächenzustände (106) ist, bereitstellt, wobei eine Berechnungseinheit (5) in der Auswerteeinheit (4) die Anzahl (N) der Grenzflächenzustände (106) berechnet und als Datum in einem Datenspeicher (6) ablegt, wobei die Auswerteeinheit (4) einen mit einem Steuereingang (701) der Auswahleinheit (7) verbundenen Steuerausgang (405) aufweist, wobei die Messanordnung einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand aufweist, zwischen denen die Messanordnung mit Hilfe eines Steuersignals an einem Steuereingang (404) der Auswerteeinheit (4) der Messanordnung wechselt, wobei im ersten Betriebszustand: – die Auswahleinheit (7) jeweils nur eine Gateanschlussschicht (105) mit der Spannungsquelle (2) elektrisch leitend verbindet und – die Auswerteeinheit (4) im ersten Betriebszustand die Anzahl (N) der Grenzflächenzustände (106) berechnet und als Datum im Datenspeicher (6) ablegt und wobei im zweiten Betriebszustand: – die Halbleiterbauelemente (1) als Referenzquelle zur Bereitstellung eines Referenzwerts dienen und der Referenzwert am Ausgang (403) der Auswerteeinheit (4) bereitgestellt ist, – die Auswerteeinheit (4) die Auswahleinheit (7) über den Steuerausgang (405) steuert.
Messanordnung nach Anspruch 1, wobei: – die Spannungsquelle (2) eine trapezförmige Spannung erzeugt, – die Spannung der Spannungsquelle (2) zumindest einen ersten und einen zweiten Spannungswert (203, 204) aufweist, – der erste Spannungswert (203) das Halbleiterbauelement (1) in Akkumulation und – der zweite Spannungswert (204) das Halbleiterbauelement (1) in Inversion betreibt.
Messanordnung nach Anspruch 2, wobei der bereitgestellte Messwert gleich dem Produkt aus der Frequenz (f) der Spannung, der Elementarladung (e) und der Anzahl (N) der Grenzflächenzustände (106) ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Messwert ein Stromwert (Imess) ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Referenzwert ein Stromwert (Iref), ein Spannungswert (Vref) und/oder ein Ladungswert ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Halbleiterbauelemente (1) Transistoren sind.
Verfahren zum Betreiben der Messanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit den Verfahrensschritten: – Anlegen einer trapezförmigen Spannung an die Gateanschlussschicht zumindest eines Halbleiterbauelements der Messanordnung, wobei die Spannung einen ersten und einen zweiten Spannungswert aufweist und der erste Spannungswert das Halbleiterbauelement in Akkumulation und der zweite Spannungswert das Halbleiterbauelement in Inversion betreibt, – Anschließen einer Messeinheit, wobei die Messeinheit einen ersten und einen zweiten Messeingang aufweist, der erste Messeingang mit dem zumindest einen dotierten Bereich des Halbleiterbauelementes verbunden wird und der zweite Messeingang mit dem Substratanschluss (110) des Halbleiterbauelementes verbunden wird, – Erfassen eines Messwertes am Ausgang der Messeinheit, wobei der Messwert proportional zu der Anzahl der Grenzflächenzustände in dem Halbleiterbauelement ist, – Umsetzen des Messwerts in einen Referenzwert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Messwert mehrerer Halbleiterbauelemente nacheinander ermittelt wird, wobei die einzelnen Halbleiterbauelemente mittels einer Auswahleinheit ausgewählt werden und zumindest ein Halbleiterbauelement einen Grenzflächenzustand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Auswerteeinheit die Anzahl der Grenzflächenzustände aus dem Messwert des jeweilig ausgewählten Bauelements ermittelt und als Datum in einem Datenspeicher abgelegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: – die Messwerte des jeweilig ausgewählten Halbleiterbauelements nacheinander ermittelt werden, – die Auswerteeinheit die analogen Messwerte in digitale Messwerte umsetzt, – eine Vergleichseinheit in der Auswerteeinheit die digitalen Messwerte der Größe des Messwertes nach ordnet und die digitalen Messwerte bezüglich des entsprechenden Halbleiterbauelements markiert, – die Unterschiede zwischen den einzelnen digitalen Messwerten der Größe nach geordnet werden und – anhand der Unterschiede zwischen den einzelnen digitalen Messwerten die Anzahl der Grenzflächenzustände jedes Halbleiterbauelements ermittelt wird und als Datum in einem Datenspeicher abgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei zumindest eines der Halbleiterbauelemente nach der Ermittlung der Anzahl der Grenzflächenzustände als Referenzquelle zur Bereitstellung eines Referenzwerts betrieben wird und als Referenzwert das entsprechend abgelegte Datum herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Referenzwert ein Stromwert, ein Spannungswert oder ein Ladungswert ist.