DE2359184C3 - Meßeinrichtung zur Bestimmung der effektiven Ladung in einem Dielektrikum - Google Patents

Description

Die Erfindung beträft eine Schaltungsanordnung zur Messung der effektiven Ladung mit Hilfe eines C-V-Diagramms in einem Bauelement, bestehend aus einem zwischen einem Halbleiter und einer Elektrode eingebetteten Dielektrikum durch Anlegen einer langsam nach Art einer Sägezahnspannung sich ändernden Gleichspannung, der zur ständigen Umladung des Dielektrikums eine Wechselspannung kleiner, jedoch gleichbleibender Amplitude überlagert ist, so daß eine zum durch das Dielektrikum bestimmten Kapazitätswert proportionale Spannung aus der auftretenden Ladungsänderung mit Hilfe eines Integrators ableitbar ist.

Aus der Literaturstelle »Journal of Applied Physics«, Band 40, Nr. 8, Juli 1969, S. 3307-3319 geht hervor, daß unter gewissen Bedingungen eine Ladungstransport und -speicherung in Metall-Dielektrikum-Halbleiterstrukturen stattfindet Es zeigt sich dabei ein ständiger Stromfluß im Dielektrikum, wobei eine Ladungsanhäufung an der Grenzfläche einer Oxyd- und Nitridschicht, die zusammen das Dielektrikum bilden, festzustellen ist.

In der USA-Patentschrift 36 38 078 wird ein spannungsabhängiger Kondensator beschrieben, der aus einem Halbleiter mit darauf befindlich dielektrischen Schichten besteht In einer solchen Struktur lassen sich ebenfalls elektrische Ladungen speichern, was dazu führt, daß die Kapazität sich nach der Polarität und der Größe der angelegten Spannung richtet

In »RCA Review«, Juni 1969, Seiten 366-381 wird eine Theorie des Schaltverhaltens von M IS-Transistoren diskutiert. Auch hier wiederum wird von der Annahme ausgegangen, daß ein Ladungsträgertransport zwischen der Oxydnitridgrenzfläche und dem Halbleiter stattfindet.

Aus den obengenannten Veröffentlichungen ist ersichtlich, daß es für die praktische Anwendung der aufgeführten Strukturen wünschenswert, ja sogar erforderlich ist, diesen Ladungsträgertransport bzw. deren Ansammlung im Dielektrikum meßtechnisch zu erfassen und zu verwerten. Hierzu sind sogenannte C-V-Meßverfahren unter Anwendung von Kapazitäts-Spannungskurvenscharen, die jeweils für die betreffende Sturktur ermittelt worden sind, bereitgestellt worden, wie es z. B. aus »Journal of Physics E: Scientific Instruments«, 1970, Band 3, Seiten 558 - 560 hervorgeht. Die hier beschriebene Meßeinrichtung basiert auf der oben beschriebenen Annahme und geht im einzelnen von der Tatsache aus, daß die Speicherwirkung sich in einer Verschiebung der Flachbandspannung eines MNOS-Kondensators unter dem Einfluß eines Feldes oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes auswirkt. Zum Messen der Anhäufung der Ladung wird ein

CV-DiarTamm aufgenommen, wobei eine Rückkopplungsschieife zur Beschleunigung des Meßverfahrens beiträgt Aus dem ermittelten CV-Diagramm wird dann die Hystereseschleife für die jewel's untersuchte Struktur abgeleitet

Nachteilig ist hierbei, daß Oberflächenladungen, wie sie bei Herstellung und nachträglicher Behandlung des Dielektrikums in entsprechenden Haftstellen eingefangen sind, mit in die Messung eingehen und daß über die Ladungsverteilung im Dielektrikum nichts ermittelt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Meßeinrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe sich sowohl der Betrag der injizierten Ladung als auch die Verteilung dieser Ladung innerhalb des Dielektrikums ermitteln läßt Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der angegebenen Meßeinrichtung die Elektrode des zu messenden Bauelements am Ausgang einer Mischschaltung liegt, deren erster Eingang wahlweise an einen Sägezahngenerator oder an einen Impulsgenerator anschließbar ist und deren zweiter Eingang mit dem Wechselspannungsgenerator verbunden ist, daß der Halbleiter des Bauelements mit einem durch einen veränderbaren Kondensator überbrückten ersten Funktionsverstärker als Integrator verbunden ist, der seinerseits an einen phasenstarren Verstärker angeschlossen ist, dessen Ausgang proportional der durch die Sägezahnspannung geänderten Kapazität des Bauelementes ist, und daß der phasenstarre Verstärker über einen durch einen Kondensator überbrückten zweiten Funktionsverstärker als Integrator, dessen Eingang andererseits mit einer Gegenspannung beaufschlagbar ist, so daß dessen Ausgang auf Null einstellbar ist, mit einem dritten Eingang der Mischschaltung gekoppelt ist

In Anwendung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird zunächst ein Gleichspannungsimpuls, der der Wechselspannung überlagert ist, auf das zu messende Bauelement übertragen, um mit den an den Halbleiter angeschlossenen Ladungsdetektor über ein ausgewähltes Zeitintervall die tatsächlich injizierte Ladung zu ermitteln. Gleichzeitig wird mit Hilfe des zweiten Funktionsverstärkers die entsprechende Spannungsänderung gemessen, um das Oberflächenpotential des Halbleiters wieder in den Zustand zurückzubringen, in 4> dem es vor Anlegen des Gleichspannungsimpulses gewesen ist. Dies geschieht über die erste Mischschaltung 20, deren entsprechender Eingang mit dem zweiten Funktionsverstärker verbunden ist, und deren Ausgang an der Elektrode des zu messenden Bauelementes liegt. Aufgrund dieser Meßergebnisse läßt sich dann in vorteilhafter Weise die Lage des Schwerpunktes der Ladungsverteilung im Dielektrikum ermitteln, indem mit Hilfe einer Dividierschaltung der Ausgang des zweiten Funktionsverstärkers durch den Ausgang des ersten Funktionsverstärkers dividiert wird.

Durch wiederholte Beaufschlagung des zu messenden Bauelementes mit verschiedenen Spannungen für jeweils unterschiedliche Zeitintervalle iäßt sich die Schwerpunktlage der Ladungsverteilung wahlweise bo innerhalb des Dielektrikums verschieben. Diese wahlweise Ladungsverschiebung läßt sich in vorteilhafter Weise anwenden, um gezielt die Eigenschaften und Charakteristiken eines leistungslosen Halbleiterbauelementes zu variieren. Im Falle der Verwendung eines Dielektrikums, bestehend aus zwei unterschiedlichen Isolierschichten, kann durch Verlagerung des Schwerpunktes der Ladungsverteilung der tatsächlich injizierten Ladung an die Grenzfläche zwischen den beiden Isolierschichten die Dicke beider Schichten ermittelt werden.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die vorliegende Erfindung es ermöglicht oien Betrag der in die dielektrischen Materialien injizierten Ladungen zu ermitteln und außerdem die Lage des Schwerpunktes in der Ladungsverteilung mit Bezug auf eine Oberfläche des dielektrischen Materials. Die Meßeinrichtung läßt sich fernerhin zur Messung der Dicke jeder Isolierschicht in vielschichtigen Dielektrika nach Art eines zerstörungsfreien Verfahrens anwenden.

Außerdem kann die Lage des Schwerpunktes der Ladungsverteilung der injizierten Ladungen wahlweise verschoben werden. Bei leistungslosen Halbleiterbauelsmenten, die insbesondere für Speicherzwecke Verwendung finden, läßt sich die Erfindung in vorteilhafter Weise verwenden, um die Speichereigenschaften der verwendeten Bauelemente nach Bedarf abzuändern. Aufgrund der wahlweisen Verlagerung des Schwerpunktes der Ladungsverteilung läßt sich außerdem in einfacher Weise die Gesamtkapazität des betreffenden Bauelementes verändern. Schließlich läßt sich noch feststellen, in welcher Richtung die Ladungsinjektion in das Bauelement erfolgt, ob von der Elektrode oder vom Halbleiter.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der unten aufgeführten Zeichnungen und aus den Patentansprüchen.

Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 ein mehr ins einzelne gehendes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 3 eine graphische Darstellung in Form einer C-V-Kurvenschar, wobei die Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung aufgetragen ist,

F i g. 4A eine graphische Darstellung des Spannungspegels am Ausgang des Ladungsdetektors in Abhängigkeit von der Zeit,

Fig.4B den Ausgangsspannungspegel in Abhängigkeit von der Zeit am Kapazitäts-Spannungsmesser,

F i g. 5 eine graphische Darstellung mit einer Kurvenschar, aus der hervorgeht, daß sich der Schwerpunkt der Ladungsverteilung durch das dielektrische Medium hindurchbewegt, und

F i g. 6 einen Querschnitt durch ein mehrschichtiges dielektrisches Halbleiterbauelement.

Zum näheren Verständnis der Erfindung mag eine kurze Erläuterung der Ladungsinjektion sowie der Haftstellenisolatoren angebracht sein.

Bei Anlegen einer geeigneten Spannung an einen dielektrischen Halbleiterkörper über entsprechend hieran angebrachte Elektroden entsteht ein geringer, jedoch zeitlich endlicher Stromfluß durch das Dielektrikum. Dieser Stromfluß beruht auf einen Ladungsträgerfluß wie z. B. Elektronen, deren Energieniveaus derart angehoben sind, daß sie sich im Leitungsband des Dielektrikums befinden. Befinden sie sich einmal im Leitungsband, dann können sie sich frei innerhalb des Dielektrikums unter den Einfluß einer angelegten Spannung bewegen. Ist bei geeigneter Polarität die angelegte Spannung hinreichend hoch, dann werden gleichzeitig Ladungsträger über die Elektroden-Dielektrikum-Grenzfläche in das Leitungsband des Dielektrikums injiziert, wo sie dann im Fall von Elektronen in Richtung der positiven Elektrode wandern. Einige der

so injizierten Ladungsträger werden während des Durchgangs durch das Dielektrikum durch im Dielektrikum befindliche Haftstellen eingefangen. Solche Haftstellen ergeben sich z. B. durch defekte Einschlüsse oder Fremdkörper im Dielektrikum. ^r,

Aufgrund einer ungleichmäßigen Verteilung dieser Haftstellen können sich in einem Bereich des Dielektrikums mehr Ladungsträger befinden als in einem anderen. Infolge thermischer Anregung und unter dem Einfluß der angelegten Spannung ergibt sich ein in Ladungsträgeraustausch zwischen Haftstellen und dem Leitungsband. Die Ladungsträgerverteilung innerhalb des Dielektrikums ist natürlich abhängig von der angelegten Spannung und der räumlichen Verteilung der Haftstellen in bezug auf die Ladungsträgerinjektionsqueüe und ihrer Aufteilung auf die einzelnen Energieniveaus.

Durch Steuern des Injektionsbetrages und der Injektionszeit der Ladungsträger in ein Dielektrikum läßt sich die Anzahl der eingefangenen Ladungsträger variieren und ihre räumliche Zuordnung steuern, insbesondere der Schwerpunkt der Verteilung der wirksamen eingefangenen Ladung. Hiermit können dann die kapzitiven Eigenschaften des Dielektrikums verändert werden. 2 >

Besteiit eine der Elektroden aus einem Halbleiter, dann wird die Ladung entweder in Form von Löchern oder Elektronen injiziert. Löcher und Elektronen haben unte^rschiedliche Beweglichkeiten, Injektionskoeffizienten, Haftstellenniveaus, Übergangszeiten usw. So wird in im Fall von injizierten Löchern veranlaßt, daß die Ladung an verschiedenen Positionen eingefangen wird und daß unterschiedliche Ände:rungen in relativen elektrischen Eigenschaften des gleichen Dielektrikums unter den gleichen Betriebsbedingungen verursacht r, werden. Das heißt, beim gleichen Dielektrikum ergibt die gleiche Höhe des angelegten Impulses unterschiedliche Resultate, je nachdem, ob Löcher oder Elektronen injiziert sind.

Ist der dielektrische Körper, wie neuerdings öfters verwendet, eine Kombination aus zwei verschiedenen Dielektrika, wie z. B. bei MNOS-Halbleiterbauelementen. dann ergeben sich grundsätzlich die gleichen Bedingungen wie oben beschrieben. Im genannten speziellen Fall jedoch erfolgt aufgrund der Unterschiede in den Haftstellendichten der beiden dielektrischen Materialien und ihrer relativen Schichtdicken das Einfangen im wesentlichen im Siliziumnitrid und nur ein sehr geringer Anteil, wenn überhaupt im Siliziumdioxyd. Auf jeden Fall läßt sich bei Siliziumdioxydschichten mit weniger als 100 A Dicke für die Praxis annehmen, daß in einer solchen dünnen Siliziumdioxydschicht kein Einfangen erfolgt

Liegt ein MNOS-Halbleiterbauelement vor, dessen Injektor ein N-Halbleiter ist und wird eine hinreichend hohe positive Impulsamplitude an die hierdurch gebildete Elektrode angelegt dann werden Elektronen von der Halbleiteroberfläche entfernt und infolge Tunnelung durch die dünne Oxydschicht in die Nitridschicht injiziert Nach Abklingen des Impulses to ziehen die während der Impulsdauer injizierten Elektronen, die nun im Nitrid eingefangen sind, die Löcher im Halbleiter in Richtung auf die Oxyd-Halbleitergrenzfläche an. Diese Änderung in der Ladung, in der Polarität und in der Dichte hat entsprechende Änderungen der differenziellen Kapazität und der hiermit verbundenen Flachbandspannung der Halbleiter-Dielektrikum-Struktur zur Folge. Die vor und nach dem Impuls jeweils auftretenden Flachbandspannungen lassen sich zur Anzeige der Speicherung einer binären Eins oder binären Null verwenden.

Das zu prüfende Bauelement 9 in Fig. 1 besteht aus einem Dielektrikum 10, einer hierauf angebrachten Elektrode 11 und einem Ladungsträgerinjektor 12 auf der gegenüberliegenden Seite. An diesem Ladungsträgerinjektor 12 ist eine Ladungsdetektorschaltung 13 angeschlossen, mit deren Hilfe der Betrag der in das Dielektrikum 10 injizierten wirksamen Ladung gemessen wird, wenn ein Gleichspannungssignal in Form eines vom Impulsgenerator 14 abgegebenen Impulses, dem ein vom Wechselspannungsgenerator 15 abgegebenes Wechselspannungssignal überlagert ist und ein von der Ladungsdetektorschaltung 13 abgegebenes Rückkopplungssigna!, das vom Meßgerät 16 abgeändert ist, der Elektrode 11 zugeführt wird. Unter der Wirkung dieser an die Elektrode 11 angelegten Signale werden Ladungen in das Dielektrikum vom Ladungsinjektor 12 injiziert. Die Verteilung der injizierten Ladungen zeigt einen Schwerpunkt, der durch die Größe des Gleichspannungsimpulses sowie durch dessen Dauer bestimmt ist. Da die Ladungsverteiiung nicht notwendigerweise einer Gauß'schen Verteilung entspricht, ist ihr Schwerpunkt auch nicht unbedingt der geometrische Mittelpunkt dieser Verteilung.

Das Ausgangssignal der Ladungsdetektorschaltung 13, der direkt proportional der in das Dielektrikum 10 injizierten Ladung ist, wird dem Meßgerät 16 zugeführt, das zur Kapazitätsmessung des Doppelschichtdielektrikums 10 mit der Elektrode 11 und dem Injektor 12 als Beläge dient. Die Ausgangsspannung des Meßgeräts 16 vermag die Änderung des ursprünglichen Oberflächenzustandes des Injektors 12. wie er durch Anlegen der Signale von den Generatoren 14 und 15 an die Elektrode 11 herbeigeführt worden ist anzuzeigen. Wie bereits gesagt, wird das Ausgangssignal des Meßgeräts 16 auf die Elektrode 11 rückgekoppelt um so durch kapazitve Wirkung das Oberflächenpotential des Injektors 12 wieder in den ursprünglichen Zustand zurückzubringen.

Die Ausgangsleitungen sowohl der Ladungsdetektorschaltung 13 als auch des Meßgeräts 16 sind mit entsprechenden Eingängen eines Schwerpunktdetektors 17 verbunden, der die Lage des Verteilungsschwerpunktes der in das Dielektrikum injizierten Ladung mit Bezug auf die Grenzfläche zwischen Elektrode und Dielektrikum ermittelt

Ist die Gesamtdicke des dielektrischen Körpers 1000 A oder weniger und ist der Ladungsdetektor 12, wie im vorliegenden Fall, ein Halbleiter, dann sollte der Impulsgenerator 14 so ausgelegt sein, daß ein Impuls von 0 bis 60 Volt über eine Zeitdauer von 0 bis 500 Millisekunden angelegt werden kann. Andere Spannungswerte und Impulsdauern dürften für hiervon abweichende Dickenwerte des Dielektrikums oder Materialien zweckmäßig sein. Die Wechselspannungsquelle 15 ist speziell für den vorliegenden Fall auf eine Frequenz von 100 kHz bei einer Ausgangsspannung von ±20 Millivolt abgestimmt Auch hier lassen sich je nach Bedarf andere Frequenz- und Amplitudenwerte verwenden.

Eine Injektion von Ladungen seitens des Ladungsinjektors 12 in das Dielektrikum hat Ladungsänderungen sowohl im Ladunginjektor 12 selbst zur Folge als auch in den Oberflächenzuständen an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter. Es sei betont daß diese Ladungsänderungen ebenfalls durch die Ladungs-

detektorschaltung 13 festgestellt werden, also zusätzlich zu der im Dielektrikum eingefangenen Ladung, wenn nicht geeignete Maßnahmen getroffen werden. Um eine getreue Anzeige des Betrags der nach Abklingen des Impulses im Dielektrikum eingefangenen Ladung zu ^r> erhalten, ist es demnach erforderlich, daß die ursprüngliche Zustandsbedingung der Oberflächenladungsinjektion wieder hergestellt wird, so daß der tatsächliche Betrag der eingefangenen wirksamen Ladung im Dielektrikum mit hinreichender Genauigkeit gemessen wird.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 2 und 6 soll nun der Meßvorgang gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben werden.

Die Elektrode 11 des Dielektrikums 10 liegt am i> Ausgang einer Additionsschaltung 20. Den Eingängen dieser Additionsschaltung 20 wird ein Signal von der Wechselspannungsquelle 15, das Rückkopplungssignal vom Meßgerät 16 und über einen Schalter 19 entweder ein Signal vom Impulsgenerator 14 oder vom Sägezahngenerator 18 zugeführt. Der Ladungsinjektor 12 ist seinerseits an den negativen Eingang 21 eines Funktionsverstärkers 22 angeschlossen, dessen Eingang 21 und dessen Ausgang 24 über einen veränderbaren Kondensator 23 verbunden ist. Dieser Kondensator bewirkt, daß der Funktionsverstärker 22 das dem Eingang 21 zugeführte Signal integriert. Parallel zum Kondensator 23 liegt ein Widerstand 25 in Serie mit einem Schalter 26. Die Ausgangsleitung 24 liegt am Eingang eines phasenstarren Verstärkers 27, dessen χι Ausgang seinerseits am Eingang des Linearverstärkers 28 liegt. Der Ausgang des Linearverstärkers 28 ist über einen Widerstand 29 und die Leitung 30 mit dem negativen Eingang eines zweiten Funktionsverstärkers 31 verbunden, welcher andererseits über eien Wider- r> stand 32 an eine variable Spannungsquelle 33 angeschlossen ist. Der Funktionsverstärker 31 ist ebenfalls durch einen Kondensator 34 von seinem Ausgang zu seinem Eingang verbunden, so daß eine Integrationswirkung herbeigeführt wird. Parallel hierzu liegt ein w Widerstand 36 in Serie mit einem Schalter 27. Die Ausgangslcitung 35 des Funktionsverstärkers 31 liegt an einem weiteren Eingang der Addierschaltung 20 und über eine andere Leitung an einer zweiten Addierschaltung 38 sowie an einem Dividierverstärker 39 der -n Schwerpunktdetektorschaltung 17.

Die Ausgangsleitung 24 des Funktionsverstärkers 22 liegt an einer invertierenden Addierschaltung 41. Ein weiterer Eingang der invertierenden Addierschaltung 41 liegt am Ausgang eines als Integrator wirkenden ->o dritten Funktionsverstärkers 42. Das Ausgangssignal wird durch eine variable Spannungsquelle 44 an seiner Eingangsleitung 45 derart eingestellt, daß ein Signal am Ausgang 43 gleich einem aber entgegengesetzt gerichtet zu einem Reststrom entsteht, der am Ausgang -,-> 24 festgestellt wird.

Die Ausgangsleitung 40 der invertierenden Addierschaltung 41 liegt sowohl am Eingang der zweiten Addierschaltung 38 als auch am Eingang der ersten Dividierschaltung 39. Der Ausgang der zweiten <,o Addierschaltung 38 liegt ebenso wie die Ausgangsleitung 35 des zweiten Funktionsverstärkers 31 an einer zweiten Dividierschaltung 45, deren Ausgang an einen Motor 46 angeschlossen ist um eine variable Spannungsquelle 47 so einzustellen, daß ihre veränderbare Ausgangsspannung proportional dem Ausgang der zweiten Dividierschaltung 45 ist. Sie wird einem Multiplizierverstärker 50 zugeführt dessen Eingang am Ausgang der ersten Dividierschaltung 39 liegt. Der Ausgang 51 des Multiplizierverstärkers 50 dient zur Messung der Lage des Ladungsschwerpunktes.

Die Betriebsweise der oben beschriebenen Anordnung ist wie folgt: eine Pristinstruktur wird unmittelbar nach Herstellung in die Schaltungsanordnung eingeschaltet und ihre Kapazitäts-Spannungskurve gemessen. Hierzu werden die Schalter 19, 26 und 37 geschlossen und der Kondensator 23 wird auf die zu erwartende maximale Kapazität der Struktur eingestellt. Durch Schließen des Schalters 19 wird der Sägezahngenerator 18 mit der Addierschaltung 20 verbunden, so daß gleichzeitig der Impulsgenerator 14 hiervon abgeschaltet ist. Durch Schließen des Schalters 26 wird die Sättigung des Verstärkers 22 verhindert, die andernfalls infolge eines übermäßig hohen Leitungsstroms durch das Dielektrikum 10 bei Spitzenspannung des Sägezahns eintreten würde. Jedoch ist der Widerstand 25 im Verhältnis zum Kondensator 23 derart gewählt, daß diese RC-Kombination es dem Verstärker 22 gestattet, bei der Frequenz des Wechselspannungsgenerators 15 als Integrator zur wirken.

Bei Schließen des Schalters 37 wird die Spannung auf der Ausgangsleitung 35 des Verstärkers 31 auf Null gehalten, so daß keine Überlagerung bei Erstellung des Kapazitäts-Spannungsdiagramms eintritt. Der Ausgang dieser Sägezahnspannung variiert von —30 bis +30 Volt. Die Sägezahnspannung wird in die Addierschaltung 20 zusammen mit der Sinuswechselspannung eingespeist, so daß eine entsprechende Summenspannung an der Elektrode 11 auftritt. Das Auftreten der sich ergebenden Gesamtspannung an der Elektrode 11 hat einen Stromfluß in den Ladungsinjektor 12 zur Folge. Dieser Stromfluß wird auf der Eingangsleitung 21 des Funklionsverstärkers 22 festgestellt, der ja direkt mit dem Ladungsinjektor 12 verbunden ist. Der Funktionsverstärker 22 dient dank der vorgesehenen negativen Rückkopplung über Kondensator 23 zur Integration des auf der Eingangsleitung 21 festgestellten Stromflusses. Die Ausgangsleitung 24 des Funktionsverstärkers 22 stellt somit ein Ausgangssignal bereit, das dem Integral des Stromflusses entspricht, der durch die in den Ladungsinjektor 12 injizierten Ladungsträger verursacht ist. Dieses Signal wird dann an den phasenstarren Verstärker 27 angelegt, dessen Ausgangssignal dem Effektivwert im Ansprechen der Anordnung auf das 100-kHz-Signal proportional ist; d.h.. daß das Ausgangssignal des phasenstarren Verstärkers 27 proportional der Kapazität der Struktur ist, die gewissermaßen durch die Sägezahnspannung verändert worden ist.

Das Ausgangssignal dieses phasenstarren Verstärkers 27 wird dann in einen Linearverstärker 28 eingespeist, dessen Ausgangssignal so eingestellt ist, daß sich für jeweils 100 pF der gemessenen Kapazität 1 Volt ergibt. Das Ausgangssignal dieses Linearverstärkers 28 dient somit zur Anzeige der Kapazitätsmessung der Struktur. Die Meßergebnisse lassen sich nach Art der graphischen Darstellung in F i g. 3 als Kurvenschar für die Funktion der Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung auftragen. Der Kondensator 23 wird nun exakt auf einen Wert eingestellt der gleich dem maximalen Kapazitätswert Co der Struktur ist, wobei falls erforderlich, der Linearverstärker 28 ebenfalls nachgestellt wird, um wiederum seine Ausgangsspannung zu linearisieren, d. h„ um für jeweils 100 pF Kapazitätsänderung eine Spannungsänderung von 1 Volt zu erhalten.

Wie allgemein in der Halbleitertechnik bekannt, wird

ίο

die Flachbandkapazität generell in dieser Weise gemessen; d.h. eine Sägezahnspannung wird an die Anordnung angelegt, um unter Hochfrequenzspannung ein C-V-Diagramm, wie in Kurve 60 der graphischen Darstellung nach Fig. 3 gezeigt, zu bekommen. Aus ^r> diesem Hochfrequenz-C-V-Diagramm läßt sich der Punkt maximaler Steilheit ermitteln. Dieser Punkt entspricht per definitionem der in F i g. 3 als CFB bezeichneten Flachbandkapazität, wobei die diesem Punkt entsprechende Spannung als Flachbandspannung κι bezeichnet ist. Bei einem idealen Isolator, der während seiner Erzeugung oder bei vorhergehender elektrischer Behandlung keine Ladung eingefangen hält, ist die Differenz Φ der Austrittsarbeit zwischen der der Elektrode und der des Ladungsinjektors gleich der Flachbandspannung. Der Unterschied der Austrittsarbeiten von Elektrode und Ladungsinjektor läßt sich ziemlich einfach berechnen, da die jeweilige Austrittsarbeit der in Frage kommenden Materialien wohlbekannte physikalische Konstanten darstellen.

Da jedoch Isolatoren bedingt durch Herstellung oder Prüfung während der Herstellung niemals ganz frei von Ladungen sein können, wird die anfängliche Flachbandspannung VFBi, wie sie zunächst aus Kurve 60 in der graphischen Darstellung nach Fig.3 ermittelt wird, "5 nicht gleich dem Austrittsarbeitsunterschied sein. In der graphischen Darstellung nach F i g. 3 wird mit Kurve 60 e.n solcher Fall gezeigt, d. h. hier ist die anfängliche Flachbandspannung VFBi nicht gleich der Austrittsarbeitsdifferenz Φ. Für optimale Anwendung vorliegender «1 Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die anfängliche Flachbandspannung VFBider Struktur dem Austrittsarbeitsunterschied Φ der beiden in Frage kommenden Materialien gleichgesetzt wird. Diese Gleichsetzung erfolgt durch Entfernen von im Isolator enthaltender <^r> bedeutsamer Ladung, indem an die Struktur ein Gleichspannungsimpuls mit zur Polarität der ursprünglich gemessenenen Flachbandspannung VFB; entgegengesetzter Amplitude angelegt wird, um den Spannungsgradienten so lange zu verschieben, bis er gleich dem errechneten Wert des Austrittsarbeitsunterschieds Φ zwischen Elektrode und Ladungsinjektor ist.

Wird z. B. angenommen, daß für eine spezielle Struktur die Flachbandkapazität C/\ß=400pF ist und daß die anfänglich gemessene Flachbandspannung 2 Volt beträgt, wobei die Austrittsarbeitsdifferenz = —0,2 Voit ist, dann müssen zur Gleichsetzung beider Spannungswerte negative Gleichspannungsimpulse an die Struktur angelegt werden, um zu veranlassen, daß die gemessene C-V-Kurve und damit w die gemessene Flachbandspannung von Kurve 60 nach links in Deckung mit Kurve 61 verschoben wird. Auf

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Linearverstärkers 28 = 4 Volt, da CFB 400 pF beträgt. Eine gleiche Spannung jedoch entgegengesetzter Polarität wird jetzt durch eine einstellbare Spannungsquelle 32 und einen Widerstand 31 an die Eingangsleitung 30 des Verstärkers 31 angelegt. Der Schalter 37 ist geöffnet und der Schalter 19 in einer solchen Stellung, daß der Impulsgenerator 14 am Eingang der Addier- bo schaltung 20 liegt, wobei das Anfangsniveau des Impulsgenerators 14 so eingestellt ist, daß die Spannung auf der Ausgangsleitung 35 des Verstärkers 31 zu Null angenommen werden kann.

Zu diesem Zeitpunkt steht die Struktur unter der b5 Bedingung, eine gemessene Ladungsinjektion hierin aufgebaut und gespeichert zu haben. Dies wird auf folgende Weise erreicht: der Schalter 19 wird betätigt um den Impulsgenerator 14 an die Addierschaltung 20 anzulegen, womit gleichzeitig der Sägezahngenerator 18 abgeschaltet wird. Der Schalter 26 in der Rückkopplung des Funktionsverstärkers 22 wird geöffnet und Schalter 37 in der Rückkopplung über Funktionsverstärker 31 bleibt geschlossen. Ein Impuls mit einer Amplitude von z.B. +18 Volt und einer Impulsdauer von 2 Millisekunden wird vom Impulsgenerator 14 der Addierschaltung 20 zusammen mit einem Wechselspannungssignal vom Wechselspannungsgenerator 15 zugeführt. Diese beiden Signale werden addiert und der Elektrode 11 zugeführt, so daß eine Ladungsinjektion in das Dielektrikum 10 erfolgt. Hiermit wird die C-V-Kurve dieser Struktur solange nach rechts verschoben, bis sie deckungsgleich mit der Kurve 62 in Fig. 3 ist. Hiermit wird eine neue Fiachbandspannung VFBPi eingestellt. Damit fließt ein Strom in den Ladungsinjektor 12. Hierdurch wiederum entsteht ein Spannungsanstieg auf der Eingangsleitung 21 des Funktionsverstärkers 22. Gleichzeitig setzt aber die negative Rückkopplung über den Kondensator 23 ein. Durch die Wirkung der negativen Rückkopplung wird das Eingangssignal auf der Eingangsleitung 21 des Funktionsverstärkers 22 auf Erdpotential herabgedrückt, so daß der Funktionsverstärker 22 sein Eingangssignal integriert. Da der Kondensator 23 auf die maximale Kapazität Co eingestellt worden ist, wie sie sich aus dem C-V-Diagramm der Struktur ergibt, ist der weiterhin erforderliche Schalturgsaufwand relativ gering.

Das Integrationsausgangssignal des Funktionsverstärkers 22 wird nun über den phasenstarren Verstärker 27 und den Linearverstärker 28 übertragen. Das Ausgangssignal des Linearverstärkers 28 wird dabei entsprechend der Verschiebung der C-V-Kurve der Struktur geändert. Das hierbei entstehende Ausgangssignal des Linearverstärkers 28 wird über die Eingangsleitung 30 auf den zweiten Funktionsverstärker 31 übertragen. Da aber der Schalter 27 in der Rückkopplung des zweiten Funktionsverstärkers 31 geschlossen ist, bleibt das Signal am Ausgang des zweiten Funktionsverstärkers 31 auf Null. Der am Anzeigeanschluß 43 auftretende Ausgang des Funktionsverstärkers 22 im Ansprechen auf einen solchen Impuls, ist aus der graphischen Darstellung nach Fig.4A in Gestalt der ausgezogenen Linie 70 zu ersehen, wenn die Ausgangsspannung am Anzeigeanschluß 43 als Funktion der Zeit aufgetragen wird.

Nur beispielsweise sei angenommen, daß die Kurve 70 ein Ergebnis im Ansprechen auf einen 18-Vok-lmpuls darstellt, der während einer Zeitdauer von 2 Millisekunden vom Impulsgenerator 14 der Elektrode 11 zugeführt wird.

Demgemäß steigt zum Zeitpunkt 7~0 die am Anzeigeanschluß 43 auftretende Spannung plötzlich an, wenn der Impuls der Struktur zugeführt wird. Zum Zeitpunkt 7"1 fällt der Impuls ab, so daß die Ausgangsspannung, wie durch den Kurventeil 70a angedeutet ebenfalls abfällt. Aufgrund der eingefangenen Ladungen führt diese Ausgangsspannungsänderung nicht auf den Wert Null. Stattdessen nimmt sie nach einem anfänglich raschen Abfall ziemlich langsam ab. Zum Zeitpunkt T2 wird der Schalter 37 in der Rückkopplung des zweiten Funktionsverstärkers 31 geöffnet so daß der Funktionsverstärker 31 nunmehr beginnt das seinem Eingang über Eingangsleitungen 30 zugeführte Signal zu integrieren; wobei dann ein Signalverlauf entsteht wie er in Fi g. 4B in Gestalt der

Kurve 71 gezeigt ist, die der Änderung der Flachbandspannung vom Wert Φ nach VFBPi, wie in Fig. 3 gezeigt, als Funktion der Zeit entspricht. Diese Spannung wird der Elektrode 11 über die Addierschaltung 20 zugeführt, um so die Oberfläche des Ladungsinjektors 12 auf seine Anfangsbedingung zurückzubringen. Wird diese neue Flachbandspannung der Elektrode 11 zugeführt, dann wird auch das Oberflächenpotential des Ladungsinjektors 12 auf seinen Ursprungszustand zurückgebracht. Damit wird die Ladungsänderung im Injektor 12 und in den festen Oberflächenzuständen an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Injektor 12 Null. Der steile Anstieg in der Kurve 70 zum Zeitpunkt T2 im Diagramm nach F i g. 4A entspricht der Wirkung der neuen Flachbandspannung über Elektrode 11. Einige Zeit nach dem Zeitpunkt 7*2, nämlich zum Zeitpunkt T3, wird die Spannung 73 an der Anzeigeklemme 43 gemessen. Dieser Meßwert ist direkt proportional der injizierten Ladungsänderung Φηί und umgekehrt proportional zur maximalen Kapazität Co. Gleichzeitig wird die Flachbandspannung ebenfalls gemessen, wie durch (74) im Diagramm nach Fig.4B angedeutet. Der Meßwert 74 wird dann vom Meßwert 73 subtrahiert und das Ergebnis in Abhängigkeit vom Meßwert 74 in Form eines Punktes 75 im Diagramm nach F i g. 5 aufgetragen. Der Punkt 75 liegt dabei auf der Kurve 76.

Es versteht sich natürlich, daß der vom Impulsgenerator 14 zugeführte Gleichspannungsimpuls jeweils mit hinreichend kleiner Amplitude und/oder Zeitdauer wirksam ist, so daß die Gleichstromkomponente über den Isolator nicht zu einer bedeutsamen Fehlmessung beiträgt.

Die Schaltungsanordnung wird dann durch Schließen der Schalter 26 und 37 wieder zurückgestellt, indem gleichzeitig ein Impuls der Struktur zugeführt wird, um die Flachbandspannung, wie oben angegeben, auf den Wert Φ zurückzustellen.

Die Schaltungsanordnung ist nun für einen neuen Impuls zur Wiederholung der oben beschriebenen Verfahrensschritte bereit.

Die gestrichelt gezeichnete Kurve 80 in F i g. 4A und die gestrichelt gezeichnete Kurve 81 in F i g. 4B ergeben sich bei Wiederholen der Verfahrensschritte mit einem Impuls gleicher Amplitude jedoch unterschiedlicher Impulsdauer, wie z. B. 18-Volt-Amplitude bei 5 Millisekunden Impulsdauer. Damit wird die C-V-Kurve nach rechts bis zur Deckung mit Kurve 64 in F i g. 3 verschoben_: wobei dann eine Flachbandspannang mit dem Wert VFBP2 entsteht. Wiederum zum Zeitpunkt TO wird der Impulsgenerator 14 an die Addierschaltung 20 angeschlossen, womit der Impuls zugeführt wird Zum Zeitpunkt TU fällt dieser impuls gröberer Impulsdauer ab. Zum Zeitpunkt T2 wird der Schalter 37 wieder geöffnet und zum Zeitpunkt T"3 erfolgt die Messung. Die Messung zu diesem Zeitpunkt ist in F i g. 4A durch die Klammer 83 und in F i g. 4B durch die Klammer 84 angedeutet Hieraus ergibt sich ein neuer Meßpunkt 87 auf der Kurve 76 im Diagramm nach Fig. 5.

Als Ergebnis entsteht im Diagramm nach F i g. 5 eine Kurvenschar, wenn einer zu messenden Struktur verschiedene Impulsspannungen unter unterschiedlichen Impulsdauern zugeführt werden. Demgemäß entspricht Kurve 76 einer 18-Volt-Kurve, wohingegen Kurve 78 einer 16-Volt-Kurve und Kurve 79 einer 19-Volt-Kurve entspricht.

Der Ausgang der ersten Dividierschaltung 39 erhält eine Spannung Φ VFB, c. h. eine solche, die sich aus dem durch (74) dargestellten Meßwert, dividiert durch den Wert —Φηί/οο ergibt, oder anders ausgedrückt dem Meßwert 73 der Fig.4A. Das bedeutet, daß für eine einzige dielektrische Schicht die Ausgangsspannung der Dividierschaltung 39 dem Schwerpunkt der Verteilung der injizierten Ladung dividiert durch die Schichtdicke des Dielektrikums entspricht.

Ist die Polarität des von Impulsgenerator 14 der

κι Elektrode 11 zugeführten Gleichspannungsimpulses negativ und von ausreichender Amplitude, dann werden Elektronen von der Elektrode in das Dielektrikum injiziert. Besteht der Injektor 12 aus einem Halbleiter, dann werden Löcher hieraus injiziert.

Wird zum Zeitpunkt T2 der Schalter 37 geschlossen und gleichzeitig die Oberfläche des Ladungsinjektors 12 auf ihren Ursprungszustand zurückgeführt, wie oben beschrieben, dann fällt die Ausgangsspannung am Punkt 43 auf Null ab, um so anzuzeigen, daß die Ladungsinjektion vom Ladungsinjektor 12 nicht aufgetreten ist und daß irgendeine in Erscheinung tretende Ladungsinjektion von der Elektrode 11 stammen muß.

Steigt jedoch zu diesem Zeitpunkt T2 die Kurve nur geringfügig an, dann wird eine Ladungsinjektion vom Ladungsinjektor 12 gemessen.

F i g. 6 zeigt eine Dielektrikumsdoppelschichtstruktur mit einer Elektrode 90, die z. B. aus Aluminium besteht und auf der ersten dielektrischen Schicht 91 aufliegt. Hierzu kann eine 500 Ä dicke Siliziumnitridschicht

jo dienen, die ihrerseits eine zweite dielektrische Schicht 92 trägt, die z. B. aus einer 25 Ä starken Siliziumdioxydschicht besteht. Die zweite dielektrische Schicht 92 steht mit einem Ladungsir.jektor 93 in Verbindung, z. B. mit N-leitendem Silizium.

S3 Wird Ladung in eine solche Struktur injiziert, wie oben beschrieben dann verteilt sie sich im wesentlichen in der ersten dielektrischen Schicht 91. Eine mögliche Verteilung ist mit Kurve 95 angedeutet, deren Schwerpunkt durch die Linie % angezeigt ist.

Durch Heranführen des Schwerpunktes an die Grenzfläche 94 zwischen den beiden dielektrischen Schichten läßt sich in vorteilhafter Weise die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 92 zerstörungsfrei mit beispielloser Genauigkeit messen.

Wie bereits erwähnt, lassen sich die durch die Klammern 73, 74, 83 und 84 erfaßten Meßwerte als Punkte 75 und 87 einer Kurve 76 (F i g. 5) angeben; wobei durch Auftragen einer hinreichenden Anzahl solcher Punkte unter Anwenden verschiedener Spannungsamplituden

in und Impulsdauern eine Kurvenschar zu ermitteln und darstellbar ist.

Werden Kurven in der Art nach Fig. 5 aufgetragen. dann ist zu ersehen, daß die Kurve 76. die aut einem 18-Volt-Impuls basiert, steiler ansteigt als die Kurve 79,

ΐ5 die auf einem 19-Volt-lmpuls beruht. Noch stärker sieigt die Kurve 90, der ein 20-Volt-Impuls zugrundeliegt. In dieser Kurvenschar stellt somit die 19-Volt-Impulskurve 79 den geringsten Anstieg dar. Tritt dieser in einer dielektrischen Doppelstruktur nach F i g. 6 auf, dann

bo zeigt dies an, daß aufgrund dieser Spannungshöhe der Schwerpunkt der Spannungsverteilung aufhört an der Grenzfläche 94 der beiden dielektrischen Schichten zu liegen. Jede Messung mit dem Ziel, einen Punkt auf der Kurve mit minimaler Steigung in einer Kurvenschar zu erhalten, veranlaßt den Ausgang der Dividierschaltung 45 einer Minimalsteigung zu entsprechen, so daß die Oxydschichtdicke damit zu ermitteln ist, da sich die Dicke aus dem Minimalanstieg gemäß folgender

Beziehung ergibt:

worin:

T_0x E_0x

•J/n

Co B

Co \S„, + 1 /

Oxydschichtdicke
Dielektrizitätskonstante des Oxyds
minimale Steigung
gemessene Kapazität der Struktur
Fläche der Elektrode 11

Wie bereits oben erwähnt, entspricht für eine einzige dielektrische Schicht die Ausgangsspannung an der Dividierschaltung 39 direkt der Lage des Ladungsschwerpunktes, wobei sie gleichzeitig umgekehrt proportional der Schichtdicke des Dielektrikums ist. Dies gilt im wesentlichen auch für die dielektrische Doppelschichtstruktur, wo eine davon sehr dünn im Vergleich zur anderen ist.

Bei dielektrischen Doppelschichtstrukturen ist es für sehr genaue Messungen der Lage des Schwerpunktes der Ladungen, die vom Injektor injiziert sind, mit Bezug auf die Elektrodenoberfläche erforderlich, daß die Ausgangsspannung der Dividierschaltung 39 mit der Summe (\+S,„) multipliziert wird. Dies erfolgt durch

Einspeisen der Ausgangsspannung der Dividierschaltung 39 in die Multiplizierschaltung 50, deren Multiplikationsfaktor mit Hilfe des Servomechanismus 46 und der Spannungsquelle 47 so eingestellt ist, daß sich der Wert (1+S^ ergibt Die Ausgangsspannung der Muhiplizierschaltung 50 stellt so die Lage des Schwerpunktes der injizierten Ladung relativ zur Elektrode_90, dividiert durch die Dicke der Nitridschicht dar: d.h. XIt_n

worin:

X = Schwerpunktlage

t„ = Dicke der Siliziumnitridschicht

Es läßt sich zeigen, daß gilt:

t„ = (MSn₁)(E_nIE_0x)T_0x
worin:

_Ύ) E_n = Dielektrizitätskonstante des Siliziumnitrids

Auf diese Weise läßt sich die Schwerpunktslage X ermitteln.

Es versteht sich von selbst, daß sich ohne weiteres auch andere D elektrika als diejenigen, wie sie oben namentlich aufgeführt sind, verwenden lassen.

Hierzu 3 Blatt Zeiclinuncen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung der effektiven Ladung mit Hilfe eines CV-Diagramms in einem Bauelement, bestehend aus einem zwischen einem Halbleiter und einer Elektrode eingebetteten Dielektrikum durch Anlegen einer langsam nach Art einer Sägezahnspannung sich ändernden Gleichspannung, der zur ständigen Umladung des Dielektrikums eine Wechselspannung kleiner, jedoch gleichbleibender Amplitude überlagert ist, so daß eine zum durch das Dielektrikum bestimmten Kapazitätswert proportionale Spannung aus der auftretenden Ladungsänderung mit Hilfe eines Integrators ableitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (11) des Bauelementes (9) am Ausgang einer Mischschaltung (20) liegt, deren erster Eingang wahlweise an einen Sägezahngenerator (18) oder an einen Impulsgenerator (14) anschließbar ist und deren zweiter Eingang mit dem Wechselspannungsgenerator (15) verbunden ist, daß der Halbleiter (12) des Bauelementes (9) mit einem durch einen veränderbaren Kondensator (23) überbrückten ersten Funktionsverstärker (22) als !nte- .'5 gratpr verbunden ist, der seinerseits an einen phasenstarren Verstärker (27) angeschlossen ist, dessen Ausgang proportional der durch die Sägezahnspannung geänderten Kapazität des Bauelementes (9) ist, und daß der phasenstarre Verstärker (27) über einen durch einen Kondensator (34) überbrückten zweiten Funktionsverstärker (31) als Integrator, dessen Eingang andererseits mit einer Gegenspannung beaufschlsgbar ist, so daß dessen Ausgang auf Null einstellbar ist, mit einem dritten Eingang der Mischschaltung (20) gekoppelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratoren (31, 34 und 22, 23) jeweils mit einem abschaltbaren Widerstand (36 bzw. 26) zur Verhinderung der Integiatorsättigung parallel geschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des Integrators (31, 34) mit dem zweiten Funktionsverstärker (31) ein Linearverstärker (28) vorgeschaltet ist.

4. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des Integrators mit dem ersten Funktionsverstärker (22) zusätzlich eine invertierende Mischschaltung (41) nachgeschaltet ist, deren Ausgang (43) zur Anzeige der Ladungsänderung dient, und deren zweiter Eingang am Ausgang eines dritten Funktionsverstärkers (42) liegt, dessen Eingang mit einer auf am Ausgang des ersten Funktionsverstärkers (22) festgestellte Ableit- « ströme jeweils abgleichbaren Gleichspannung beaufschlagbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der invertierenden Mischschaltung (41) mit dem Divisor- w> eingang einer ersten Dividierschaltung (39) verbunden ist, deren Dividendeneingang am Ausgang des Integrators mit dem zweiten Funktionsverstärker (31) liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- n5 zeichnet, daß der Ausgang der ersten Dividierschaltung (39) am ersten Eingang einer Multiplizierschaltung (50) liegt, deren zweiter Eingang am Ausgang einer variablen Gleichspannungsquelle (47) liegt, die eine dem Ausgang einer zweiten Dividierschaltung (45) proportionale Spannung abgibt, wobei der erste Eingang der Dividierschaltung (45) an den Ausgang des Integrators mit dem zweiten Funktionsverstärker (31) angeschlossen ist und der zweite Eingang am Ausgang einer zweiten Mischschaltung (38) liegt, deren erster Eingang mii dem Ausgang der invertierenden Mischschaltung (41) und deren zweiter Eingang ebenfalls mit dem Ausgang des Integrators mit dem zweiten Funktionsverstärker (31) verbunden ist