DE4232380C2

DE4232380C2 - Measuring method and measuring circuit for the simultaneous measurement of the frequency-dependent small signal capacity of test and component structures for two frequencies

Info

Publication number: DE4232380C2
Application number: DE19924232380
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Quick; Peter Dr Schley
Original assignee: INST HALBLEITERPHYSIK GmbH
Current assignee: INST HALBLEITERPHYSIK GmbH
Priority date: 1992-09-26
Filing date: 1992-09-26
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2012-09-27
Also published as: DE4232380A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren und die Meßschaltung zur simultanen Messung der frequenzabhängigen Kleinsignalkapazität von Test- und Bauelemen testrukturen für zwei Frequenzen, bei der zur anschließenden Auswertung die Kapazitätswerte mit sehr hoher Genauigkeit benötigt werden und bei dem es zur Verringerung der Anforderungen an die Meßgenauigkeit zulässig und vorteilhaft ist, anstatt der separaten Kapazitätsmessungen bei beiden Frequenzen die Kapazi tät bei nur einer Frequenz einerseits und die Kapazitätsdifferenz für beide Fre quenzen andererseits zu messen.The invention relates to a measuring method and the measuring circuit for simultaneous Measurement of the frequency-dependent small signal capacity of test and construction elements test structures for two frequencies, during which the Capacitance values with very high accuracy are needed and where it is used Reduction of the requirements for measuring accuracy permitted and advantageous is the capacitance at both frequencies instead of the separate capacitance measurements at only one frequency on the one hand and the capacity difference for both fre on the other hand to measure sequences.

Die Anwendung der Erfindung ist besonders vorteilhaft für ein Verfahren zur Bestimmung der Grenzflächenzustandsdichte D_it von Metal-Insulator-Semiconduc tor (MIS)-Strukturen aus der simultanen Messung der Hochfrequenz (HF)- und Niederfrequenz (NF)-Kleinsignal-Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik (HF-NF- Verfahren), wobei infolge der hohen Anforderungen an den zulässigen Meßfehler der bisher üblichen Meßverfahren und Meßanordnungen zur HF- und NF-Kapazi tätsmessung der Bereich kleiner Grenzflächenzustandsdichtewerte nicht zugäng lich ist.The application of the invention is particularly advantageous for a method for determining the interface state density D _it of metal insulator semiconduc tor (MIS) structures from the simultaneous measurement of the high frequency (HF) and low frequency (NF) small signal capacitance voltage voltages. Characteristic (HF-NF method), the range of small interface state density values being inaccessible due to the high demands on the permissible measurement errors of the previously common measurement methods and measurement arrangements for HF and NF capacitance measurement.

Bei der allgemein üblichen meßtechnischen Durchführung des HF-NF-Verfahrens werden die HF- und NF-Kapazitätswerte C_HF, C_NF mit je einem kommerziellen Meßgerät separat gemessen. Dazu ist es erforderlich, die Meßgeräte mittels eines geeigneten Koppelnetzwerkes mit dem Meßobjekt zu verbinden und den Einfluß von Kabel- und Streukapazitäten auf das Meßergebnisses zu berücksichtigen (Ni collian, E.H.; Brews, J.R.: MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Tech nology, John Wiley & Sons, New York, 1982). When the HF-NF method is carried out in a generally customary manner, the HF and LF capacitance values C _HF , C _NF are measured separately using a commercial measuring device. To do this, it is necessary to connect the measuring devices to the test object using a suitable coupling network and to take into account the influence of cable and stray capacitances on the measurement result (Ni collian, EH; Brews, JR: MOS (Metal Oxide Semiconductor) Physics and Tech nology, John Wiley & Sons, New York, 1982).

Für die Messung der HF-Kleinsignalkapazität (Frequenzbereich je nach Eigenschaf ten der Meßprobe von ca. 10 kHz bis 1 MHz) sind kommerzielle Meßgeräte mit einer Genauigkeit von 0.1 bis 0.5% und der Möglichkeit der Kompensation von Kabel- und Streukapazitäten verfügbar.For measuring the HF small signal capacity (frequency range depending on the property th of the sample from about 10 kHz to 1 MHz) are commercial measuring instruments an accuracy of 0.1 to 0.5% and the possibility of compensating for Cable and stray capacities available.

Für die Messung der NF-Kleinsignalkapazität (Frequenzbereich ca. 1 Hz) sind folgende indirekte Verfahren üblich:For the measurement of the LF small signal capacity (frequency range approx. 1 Hz) the following indirect procedures are common:

- Measurement of the capacitive current with a time-linear voltage rise at the measurement object and quasi-static measurement regime (Kuhn, M .: A quasi-static technique for MOS C-V and surface state measurements. In: Solid-State Electronics, Perga mon Press 1970, Vol. 13, pp. 873-885),
- Measurement of the charge change of the test object after infinitesimal chip jump:
- directly using a current integrator (Mego, T.J .: Improved Quasistatic CV Measurement method for MOS. In: Solid-State Technology, Vol. 29, No. 11, November 1986, Supplement, pp. S18-S21),
- Indirectly by measuring the voltage at one in series with the measurement object-switched capacitor (Ziegler, K .; Klausmann, E .: Static techni que for precise measurements of surface potential and interface state densi ty in MOS structures. In: Applied Physics Letters, Vol. 26, No. April 7, 1st 1975, pp. 400-402).

Aufgrund des Meßaufbaus und der geringen Meßgenauigkeit der Strom- bzw. La dungsmeßgeräte (ca. 1%) ist der Meßfehler insbesondere für die NF-Kapazität zur Ermittlung kleiner Grenzflächenzustandsdichten (< 10¹¹ eV^-1cm^-2) nicht mehr zu vernachlässigen. Eine Verbesserung erreicht man durch eine Kalibrierung der gemessenen NF-Kapazität mit der HF-Kapazität für den Fall, daß in einem Bereich der Vorspannung das Meßobjekt eine vernachlässigbar geringe Frequenzdisper sion aufweist, was i.a. bei der MIS-Struktur im Bereich der sogenannten Akkumu lation zutrifft.Due to the measurement set-up and the low measurement accuracy of the current or charge measuring devices (approx. 1%), the measurement error, especially for the NF capacitance for the determination of small interface state densities (<10¹¹ eV ^-1 cm ^-2 ), can no longer be neglected. An improvement can be achieved by calibrating the measured LF capacitance with the HF capacitance in the event that the test object has a negligibly low frequency dispersion in an area of the bias, which is generally the case with the MIS structure in the area of so-called accumulation .

Die praktische Realisierung der simultanen Messung der HF- und NF-Kleinsig nalkapazität von MIS-Strukturen erfolgte, wie beschrieben, bisher im Labormaß stab unter Verwendung kommerzieller Meßgeräte (Nicollian, E.H.; Brews, J.R.: lnstrumentation and analog implementation of the O-C method for MOS measu rement. In: Solid-State Electronics, Vol. 27, No. 11, S. 953-962, 1984; Lubzens, D. u. a.: Automated Mesurement and Analysis for MIS Interfaces in Narrow-Band gap Semiconductors. In: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-28, No. 5, Mai 1981, S. 546-551; Adar, R. u. a.: Combined technique for capacitance and slow trapping characterization of narrow bandgap MIS structures. In: Solid- State Electronics, Vol. 33, No. 9, S. 1197-1206, 1990).The practical implementation of the simultaneous measurement of HF and LF small sinew MAL structures have previously been used on a laboratory scale, as described stab using commercial measuring devices (Nicollian, E.H .; Brews, J.R .: Instrumentation and analog implementation of the O-C method for MOS measu rement. In: Solid-State Electronics, Vol. 27, No. 11, pp. 953-962, 1984; Lubzens, D. u. a .: Automated Mesurement and Analysis for MIS Interfaces in Narrow-Band gap semiconductors. In: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-28, No. 5, May 1981, pp. 546-551; Adar, R. u. a .: Combined technique for capacitance and slow trapping characterization of narrow bandgap MIS structures. In: Solid State Electronics, Vol. 33, No. 9, pp. 1197-1206, 1990).

Seit 1987 wird von der Firma Keithley Instruments ein kommerzielles Meßsystem "Model 82 Simultaneous C-V System" angeboten, das als wesentliche Bestand teile ein Kapazitätsmeßgerät ("Model 590 C-V Analyzer", Meßfrequenz: 0,1 oder 1 MHz; beschrieben beispielsweise in: N.N.: Capacitance measurement for ASIC QC. In: Electronic Engineering, Jg. 1987, Heft 726, Juni 1987, S. 14-15; sowie N.N.: CV measurement. In: Electronic Engineering, Jg. 1987, Heft 726, Juni 1987, S. 19), ein Ladungsmeßgerät ("Model 595 Quasistatic C-V Meter"; be schrieben beispielsweise in: N. N.: Rückgekoppelte Ladungsmeßtechnik, Neuartige Erfassung von quasistatischen C-U-Charakteristiken. In: Elektronik, 1986, Heft 20, 3.10.1986, S. 89-92) und ein Koppelnetzwerk ("Model 5951 Remote Input Coupler") enthält. Dieses Meßsystem realisiert ebenfalls die Messung der HF- und NF-Kapazität mit je einem Meßgerät.Since 1987 Keithley Instruments has been using a commercial measuring system "Model 82 Simultaneous C-V System" offered that as an essential inventory share a capacitance measuring device ("Model 590 C-V Analyzer", measuring frequency: 0.1 or 1 MHz; described for example in: N.N .: Capacitance measurement for ASIC QC. In: Electronic Engineering, vol. 1987, issue 726, June 1987, pp. 14-15; such as N.N .: CV measurement. In: Electronic Engineering, Jg. 1987, Issue 726, June 1987, p. 19), a charge measuring device ("Model 595 Quasistatic C-V Meter"; be wrote for example in: N. N .: feedback charge measuring technology, new types Acquisition of quasi-static C-U characteristics. In: Electronics, 1986, Issue 20, 3.10.1986, pp. 89-92) and a coupling network ("Model 5951 Remote Input Coupler "). This measuring system also realizes the measurement of the HF and NF capacity with one measuring device each.

Die bisher üblichen Meßverfahren und ihre Realisierung haben folgende Nachteile:
Bei der Bestimmung der Grenzflächenzustandsdichte D_it aus den separat gemes senen Werten der HF- und NF-Kapazität C_HF und C_NF gehen die relativen Fehler von C_HF, C_NF mit den Gewichtsfaktoren 1/(1-C_NF/C_HF) bzw. 1/(1 -C_HF/C_NF) in den Fehler der D_it-Berechnung in das vollständige Differential für die Fehlerfortpflan zung ein, die mit kleiner werdenden D_it-Werten drastisch zunehmen. Daraus ergeben sich die sehr hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit für die HF- und NF-Kapazitätswerte. The previously common measuring methods and their implementation have the following disadvantages:
When determining the interface state density D _it from the separately measured values of the HF and NF capacitance C _HF and C _NF , the relative errors of C _HF , C _NF with the weighting factors 1 / (1-C _NF / C _HF ) and 1 / (1 -C _HF / C _NF ) in the error of the D _it calculation into the complete differential for error propagation, which increase drastically with decreasing D _it values. This results in the very high demands on the measurement accuracy for the HF and LF capacitance values.

Die Verwendung je eines kommerziellen Meßgerätes zur simultanen Messung der HF- und NF-Kapazitätswerte erfordert in Verbindung mit einem speziellen Koppel netzwerk Kalibrierarbeiten zur Berücksichtigung von Kabel- und Streukapazitäten, ist kostenaufwendig und erlaubt nicht die direkte Messung der Differenz von HF- und NF-Kapazität.The use of a commercial measuring device for the simultaneous measurement of each RF and LF capacitance values required in connection with a special coupling network calibration work to take account of cable and stray capacities, is expensive and does not allow the direct measurement of the difference between RF and NF capacity.

Die auf diese Weise erzielbare Meßgenauigkeit für die HF- und NF-Kapazitäts werte ist in Abhängigkeit von den Eigenschaften der MIS-Struktur nicht für alle Fälle ausreichend, so daß die Ermittlung kleiner Grenzflächenzustandsdichten nicht möglich ist.The measuring accuracy that can be achieved in this way for the HF and LF capacitance Depending on the properties of the MIS structure, values are not for everyone Cases sufficient so that the determination of small interface state densities not possible.

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Meßverfahren und eine Meßschaltung zu entwickeln, mit denen die oben aufgezeigten Mängel bisher üblicher Meßverfahren und Meßschaltungen zur Realisierung des HF-NF-Verfah rens an MIS-Strukturen für die Bestimmung der Grenzflächenzustandsdichte beseitigt werden.The technical object of the invention is a measuring method and To develop measuring circuit with which the shortcomings indicated above so far Usual measuring methods and measuring circuits for the implementation of the HF-NF procedure rens of MIS structures for the determination of the interface state density be eliminated.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Meßverfahren mit auf den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen und eine Meßschaltung mit den im Patentanspruch 2 aufgeführten Merkmalen.This object is achieved by a measuring method with the in claim 1 Features listed and a measuring circuit with the in claim 2 characteristics listed.

Zur Bestimmung der Grenzflächenzustandsdichte werden erfindungsgemäß, nicht wie bisher üblich, die simultan, aber separat gemessenen HF- und NF-Kapazitäts werte C_HF und C_NF verwendet, sondern es werden simultan und jeweils direkt die Kapazität bei nur einer Frequenz (beispielsweise C_HF) einerseits und die Kapazi tätsdifferenz C_NF-C_HF andererseits gemessen. Da die bisher übliche Verwendung je eines kommerziellen Meßgerätes zur simultanen Messung der HF- und NF- Kapazitätswerte nicht die direkte Messung der Differenz von HF- und NF-Kapazi tät erlaubt, ist es erforderlich, eine spezielle Meßschaltung zu entwickeln.To determine the density of the interface states, the HF and LF capacitance values C _HF and C _NF measured simultaneously but separately are not used, as has been customary hitherto, but instead the capacitance at only one frequency (for example C _HF ) is simultaneously and directly in each case on the one hand and the capacitance difference C _NF -C _HF on the other hand measured. Since the customary use of a commercial measuring device for the simultaneous measurement of the HF and LF capacitance values does not permit the direct measurement of the difference between HF and LF capacitance, it is necessary to develop a special measuring circuit.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen vor allem darin, daß ohne Kali brierarbeiten zur Berücksichtigung von Kabel- und Streukapazitäten und bei wesentlich geringeren Anforderungen an den Meßfehler sowohl für die direkt gemessene Kapazitätsdifferenz für zwei Frequenzen als auch für die Kapazität bei einer von beiden Frequenzen eine höhere Genauigkeit und eine Erweiterung des Bereiches der Grenzflächenzustandsdichte in Richtung kleinerer Werte erreicht werden.The advantages achieved with the invention consist primarily in the fact that without potash brierarbeit to take into account cable and stray capacities and much lower demands on the measurement error for both the direct measured capacitance difference for two frequencies as well as for the capacitance one of the two frequencies has a higher accuracy and an extension of the Range of the interface state density in the direction of smaller values reached will.

Zur Lösung der technischen Aufgabe der Erfindung wird eine Brückenschaltung verwendet, die von der Summe der HF- und NF-Kleinsignalwechselspannung gespeist wird. In einem der Brückenzweige befindet sich das Meßobjekt, im anderen ein Kondensator mit definierter und frequenzunabhängiger Kapazität mit einem in Reihe geschalteten spannungsgesteuerten Verstärker, dessen Verstär kung im interessierenden Frequenzbereich hinreichend frequenzunabhängig ist. Der Verstärker wird automatisch so geregelt, daß die Brücke für eine der beiden Frequenzen (beispielsweise HF) wechselstrommäßig stets abgeglichen ist. Damit ist die Differenz von HF- und NF-Kapazität proportional dem resultierenden Brüc kenstrom für die zweite Frequenz (NF); die HF-Kapazität ist dem Übertragungs faktor des Verstärkers proportional.A bridge circuit is used to solve the technical problem of the invention used by the sum of the HF and LF small signal AC voltage is fed. The test object is located in one of the bridge branches another with a capacitor with a defined and frequency-independent capacitance a series-connected voltage-controlled amplifier, the amplifier kung in the frequency range of interest is sufficiently independent of frequency. The amplifier is automatically controlled so that the bridge for one of the two Frequencies (for example HF) is always balanced in terms of AC. In order to the difference between RF and LF capacitance is proportional to the resulting bridge core current for the second frequency (NF); the RF capacity is the transmission factor of the amplifier proportional.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will described in more detail below.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der Meßschaltung zur Erläuterung der Erfindung. Fig. 1 shows the basic circuit diagram of the measuring circuit for explaining the invention.

Zur gleichzeitigen und direkten Messung der Kapazitätsdifferenz für zwei Fre quenzen und der Kapazität bei einer dieser Frequenzen wird eine Brückenschaltung verwendet. Die Spannungsquelle 1 für die Vorspannung der Meßstruktur, die NF-Wechselspannungsquelle 2 und die HF-Wechselspan nungsquelle 3 (Amplituden der Wechselspannungsquellen beispielsweise 10 mV, Frequenzen beispielsweise 1 Hz und 100 kHz) werden mittels der Baugruppe 4 summiert und steuern den die Meßstruktur 5 (Kapazität C_M) beinhaltenden Brüc kenzweig. Der andere Brückenzweig (Kompensationszweig), der aus der Reihen schaltung eines spannungsgesteuerten Verstärkers 7 mit einem Kondensator 8 (beide mit hinreichend frequenzunabhängigen Parametern im interessierenden Fre quenzbereich) besteht, wird über die Baugruppe 6 mit der invertierten Summe aus HF- und NF-Wechselspannung angesteuert. Die am Knotenpunkt 10 über einen Kondensator 11 oder Reihenschwingkreis ausgekoppelte HF-Brückenwechsel spannung wird mittels eines selektiven Mikrovoltmeters 12 verstärkt, phasen empfindlich gleichgerichtet und über einen Verstärker 13 als Regelspannung dem Steuerspannungseingang des spannungsgesteuerten Verstärkers 7 zugeführt. Mittels dieses Regelkreises wird die Verstärkung der Baugruppe 7 automatisch so geregelt, daß die Brückenschaltung bezüglich des HF-Wechselstromes stets abgeglichen ist. Dies hat zur Konsequenz, daß der NF-Brückenwechselstrom direkt proportional der Kapazitätsdifferenz C_NF-C_HF ist. Dieser wird über die Induk tivität 14 oder über einen Reihenschwingkreis ausgekoppelt und mittels eines Strom-Spannungswandlers mit nachfolgender selektiver Verstärkung und pha senempfindlicher Gleichrichtung (Baugruppe 15) als Meßgröße bereitgestellt. Die Wechselspannung am Ausgang des spannungsgesteuerten Verstärkers 7 ist der HF-Kapazität C_HF proportional. Sie wird nach selektiver Verstärkung und phasen empfindlicher Gleichrichtung am Ausgang der Baugruppe 9 bereitgestellt.A bridge circuit is used for simultaneous and direct measurement of the capacitance difference for two frequencies and the capacitance at one of these frequencies. The voltage source 1 for the bias voltage of the measuring structure, the low-frequency AC voltage source 2 and the HF-alternating voltage source 3 (amplitudes of the AC voltage sources, for example 10 mV, frequencies for example 1 Hz and 100 kHz) are summed by means of the module 4 and control the measuring structure 5 ( Capacity C _M ) bridging branch. The other bridge branch (compensation branch), which consists of the series circuit of a voltage-controlled amplifier 7 with a capacitor 8 (both with sufficient frequency-independent parameters in the frequency range of interest), is driven by the module 6 with the inverted sum of HF and LF AC voltage . The coupled at the node 10 via a capacitor 11 or series resonant circuit HF bridge voltage is amplified by means of a selective microvoltmeter 12 , phase-sensitive rectified and supplied via an amplifier 13 as a control voltage to the control voltage input of the voltage-controlled amplifier 7 . By means of this control loop, the gain of the assembly 7 is automatically controlled so that the bridge circuit is always balanced with respect to the HF alternating current. The consequence of this is that the NF bridge alternating current is directly proportional to the capacitance difference C _NF -C _HF . This is coupled out via the inductance 14 or via a series resonant circuit and provided as a measured variable by means of a current-voltage converter with subsequent selective amplification and phase-sensitive rectification (module 15 ). The AC voltage at the output of the voltage-controlled amplifier 7 is proportional to the RF capacitance C _HF . After selective amplification and phase-sensitive rectification, it is provided at the output of module 9 .

Aufgrund der Brückenanordnung ist der Einfluß von Kabel- und Streukapazitäten auf die Meßgenauigkeit gering. Diese parasitären Kapazitäten sind einerseits infolge der niederohmigen Ausgangswiderstände der Summierer 4, 6 unwirksam und haben andererseits bezüglich des Knotenpunktes 10 lediglich eine Auswir kung auf die Empfindlichkeit der Baugruppe 12.Due to the arrangement of the bridges, the influence of cable and stray capacities on the measuring accuracy is low. These parasitic capacitances are ineffective on the one hand due to the low-impedance output resistances of the summers 4 , 6 and on the other hand only have an effect on the sensitivity of the module 12 with respect to the node 10 .

Claims

1. Measuring method for the simultaneous measurement of the frequency-dependent small signal capacitance of test and component structures for two frequencies, in particular for determining the interface state density of MIS structures from the HF and NF small signal capacitance, in which the capacitance values required with very high accuracy for the subsequent evaluation are characterized in that a capacitance at only one frequency and the capacitance difference for both frequencies are measured directly and simultaneously with a special measuring circuit.

2. Measuring circuit for realizing the measuring method according to claim 1, in which a bridge circuit is used, which is driven by the sum of HF and LF small signal alternating voltage, characterized in that the series circuit of a voltage-controlled amplifier with a capacitor capacitor branch using the amplified and phase sensitive sensitive rectified HF bridge voltage is automatically regulated so that the bridge is always balanced with respect to the HF alternating current, so that the transmission factor of the amplifier is directly proportional to the HF capacitance and the NF bridge alternating current is directly proportional to the capacitance difference C _NF -C _HF is.