RU2827388C1

RU2827388C1 - Способ измерения емкости мдп структуры

Info

Publication number: RU2827388C1
Application number: RU2024113983A
Authority: RU
Inventors: Владимир Вячеславович Лосев; Александр Иванович Хлыбов; Денис Владимирович Родионов; Евгений Юрьевич Котляров
Filing date: 2024-05-23
Publication date: 2024-09-25

Abstract

Настоящее изобретение относится к измерительной технике. Способ измерения емкости МДП структуры основан на применении время-импульсной рефлектометрии, заключающейся в анализе параметров отраженного и проходного сигналов при воздействии импульсов с малой длительностью фронта на объект исследования. При этом используются две линии передачи, между которыми подключается МДП структура, линии смещаются постоянными напряжениями, на линии подаются импульсы с длительностью фронта не более 20 пс, определяются формы отраженного и проходного сигналов для вычисления емкости МДП структуры. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения емкости за счет исключения влияния паразитных элементов, таких как последовательные сопротивление, индуктивность и емкость на землю, а также уменьшение времени цикла измерения за счет исключения подготовительных процедур, связанных с определением каких-либо опорных величин. 5 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способу измерения емкости элементов полупроводниковых интегральных схем, и может быть использовано при построении моделей активных и пассивных элементов интегральных схем.

Обычные способы определения емкости заключаются в использовании квазистатических или высокочастотных измерений емкости (C-V) методом. Однако даже при так называемых "высокочастотных" C-V измерениях обычно используется общепринятая частота не более 1 МГц. Величина емкости, измеренная этими традиционными методами, может отличаться от величины емкости на гигагерцовых частотах, что приведет к некорректному описанию модели поведения активных элементов интегральных схем (транзисторов, диодов), когда устройство работает на высоких частотах (например, более 1 ГГц).

Известны способы измерения емкостей элементов полупроводниковых интегральных схем, в частности МДП структур и полевых транзисторов на основе МОП структур рассмотрены в патенте США [1]. Здесь измерение емкости осуществляется путем подачи пакетов заряда известной величины на конденсатор неизвестной величины до тех пор, пока не будет достигнуто определенное конечное напряжение, а затем вычисления емкости на основе известного общего заряда и измеренного напряжения. В указанном способе заряд измеряемой емкости осуществляется последовательно пакетами зарядов известной величины, что требует достаточно большого времени и практически не осуществимо на высоких частотах.

В международном патенте способ измерения емкости основан на измерении изменения сдвига фаз, который формируется из-за наличия емкости, что осуществляется на низких частотах, что и отмечено в патенте [2].

В патенте США, выбранном за прототип, рассмотрен способ измерения емкости МОП структуры, основанный на применении время-импульсной рефлектометрии, заключающейся в анализе параметров отраженного сигнала при воздействии импульсов с малой длительностью фронта на объект исследования [3]. Использование импульсов с пикосекундной длительностью фронта, имеющих полосу десятки гигагерц, практически позволяет проводить измерения в гигагерцевом диапазоне. В данном способе объект измерения, а именно МОП структура, соединена одним выводом с линией передачи, а вторым выводом с землей, т.е. соединена последовательно с линией передачи. По линии передачи от источника импульсный сигнал с коротким фронтом пикосекундной длительности поступает на объект измерения, отражается от него и возвращается по линии передачи на измеритель (осциллограф), фиксируется форма отраженного сигнала и по его параметрам с использованием приведенных в патенте выражений вычисляется емкость. Данный способ также предусматривает подачу постоянного напряжения совместно с импульсным сигналом, что позволяет получить вольт-фарадные характеристики (ВФХ) измеряемой структуры. В данном способе предусмотрена необходимость проведения предварительных процедур по определению опорной формы сигнала.

К недостаткам данного изобретения можно отнести следующее:

- влияние на точность измерения паразитных элементов соединений с объектом измерения, таких как последовательные сопротивление, индуктивность и емкость на землю;

- необходимость дополнительных измерений, связанных с определением опорной формы сигнала.

Задача изобретения:

- повышение точности измерения емкости за счет исключения влияние паразитных элементов, таких как последовательные сопротивление, индуктивность и емкость на землю;

- уменьшение времени цикла измерения за счет исключения подготовительных процедур, связанных с определением каких-либо опорных величин.

В предлагаемом способе для измерения емкости используются две линии передачи, между которыми подключается МДП структура, линии смещаются постоянными напряжениями, в том числе близкими к нулю, на линии подаются импульсы с длительностью фронта не более 20 пс, определяются формы отраженного и проходного сигналов для вычисления емкости МДП структуры.

Использование двух линий передачи позволяет одновременно определять формы отраженного и проходного сигналов. Как будет показано ниже, при определении емкости по проходному сигналу исключаются паразитные элементы соединений измеряемого объекта с измерительной системой, что позволяет более точно определять значение измеряемой емкости, а также снизить требования к измерительной оснастке. Измерение емкости в одном цикле как по отраженному, так и по проходному сигналам, позволяет определить паразитную емкость, как разницу между емкостью, определенной по отраженному сигналу и емкостью по проходному сигналу.

Использование двух линий передачи также позволяет осуществить измерения емкостей других элементов полупроводниковых схем, например, определить емкость затвора полевого транзистора и раздельно емкость затвор-исток и затвор-сток, включая возможность измерения емкостей элементов полупроводниковых интегральных схем в реальных режимах работы на частотах более 1 ГГц.

Предлагаемый способ основан на применении время-импульсной рефлектометрии для измерения параметров неоднородностей емкостного, индуктивного или резистивного вида в тракте линии передачи.

На фиг. 1 представлена блок-схема включения при измерении емкости МДП структуры, где:

1 - устройство формирования импульсных сигналов и определения формы отраженного и проходного сигналов (2-канальный рефлектометр); 2 - устройства развязки по постоянному току; 3 - МДП структура; 4 - устройства подачи постоянного напряжения на линии передачи; V₁ и V₂ - постоянные напряжения, подаваемые на линии передачи; R_L -сопротивления нагрузки, равные импедансу линии передачи, обычно 50 Ом.

На фиг. 2 представлены формы отраженного и проходного сигналов при измерении емкости МДП структуры, где:

5 - форма отраженного сигнала 6 - форма проходного сигнала .

На фиг. 3 представлена эквивалентная схема для анализа проходного сигнала.

На фиг. 4 представлена блок-схема включения при измерении емкости затвора МОП транзистора и емкостей затвор-сток и затвор-исток, где:

7 - n-МОП транзистор.

На фиг. 5 представлены осциллограммы отраженного и проходного сигналов при измерении емкости затвора МОП транзистора и емкостей затвор-сток, затвор-исток, где:

8 - осциллограмма отраженного сигнала; 9 - осциллограмма проходного сигнала.

Рассмотрим измерение емкости МДП структуры по предлагаемому способу. Блок-схема включения при измерении емкости МДП структуры представлена на фиг. 1.

Формы отраженного и проходного сигналов при измерении емкости МДП структуры представлены на фиг. 2.

Величина емкости может быть определена путем подсчета площади под отраженным или проходным сигналами. Величина емкости по отраженному сигналу определяется в соответствии с выражением

где Z - волновое сопротивление линии передачи, Е - амплитуда импульсного сигнала, - амплитуда отраженного сигнала. Выражение (1) справедливо для линии передачи бесконечной длины. На практике обычно можно ограничиться интервалом времени, соответствующим 1,5 периодам колебательного процесса, при этом в пределах данного интервала линия передачи не должна иметь других неоднородностей. В связи с этим выражение (1) принимает вид:

здесь Т1-Т2 интервал интегрирования.

Для определения проходной емкости в рамках данного способа предложена следующая методика, основанная на анализе проходного сигнала, формирующегося на линии передачи 2 при подаче импульсного сигнала на линию 1. Эквивалентная схема для анализа проходного сигнала в соответствии с правилом эквивалентной волны для рассматриваемой схемы включения приведена на фиг. 3.

Амплитуда сигнала V_trans на входе измерительной системы (рефлектометра) определяется из выражения:

Где - напряжение на проходной емкости, - напряжение на емкости Отсюда выражение для интеграла имеет вид:

В начале переходного процесса напряжение и равны нулю, а по его завершению достигает максимального значения Е, а снова обращается в ноль, отсюда:

принимая во внимание, что обычно, что получаем:

Необходимо отметить, что при интегрировании правой части выражения (3) второй член становится равным нулю, следовательно, емкости, включенные параллельно измерительной системе, которыми могут являться паразитные емкости контактных площадок и металлизации разводки, не влияют на результаты измерений. Аналогичным образом можно показать, что последовательная индуктивность и сопротивление также не оказывают влияния. Наличие перечисленных элементов приводит только к изменению формы сигнала, однако не влияет на площадь под ним. Это объясняется тем, что площадь под сигналом связана с зарядом на емкости, который определяется только величиной емкости и напряжением на ней. Таким образом проходная емкость есть емкость МДП структуры. Аналогично можно показать, что при измерении емкости по отраженному сигналу последовательные индуктивность и сопротивление также не влияют на результат измерений. Однако паразитная емкость, например, емкость контактных площадок и металлизации на землю в этом случае входят в измеренную величину емкости.

Предлагаемым способом можно провести измерение емкости затвора полевого транзистора, раздельно определив емкость затвор-исток и затвор-сток (фиг. 4).

Для этого вывод затвора полевого транзистора соединяется с одной из линий передачи, вывод стока с другой линией, а исток с землей. Для задания конкретного режима работы транзистора на линии подаются смещения постоянным напряжением V₁ и V₂. Импульсный сигнал поступает по линии, соединенной с затвором транзистора. Емкость затвора определяется по отраженному сигналу. Для определения емкости затвор-сток импульсный сигнал подается по линии, соединенной со стоком транзистора и проходной сигнал, по которому определяется емкость, фиксируется на линии, соединенной с затвором. При этом рабочая точка полевого транзистора должна быть выбрана на пологом участке вольт-амперной характеристики, т.е. в области высокого дифференциального сопротивления. Емкость затвор-исток определяется как разница между емкостью затвора и емкостью затвор-сток.

Предлагаемый способ измерения емкости апробирован для измерения емкостей в транзисторах, изготовленных по технологии КМОП. Измерения емкости проводились на n-МОП транзисторе, имеющем длину затвора Lg=0.18 мкм и общую ширину W=108 мкм (w=1.8 мкм, n=60). В качестве измерителя и источника импульсных сигналов использовался стробоскопический осциллограф компании Keysight (модель 86100D), оснащенный блоком рефлектометра. Амплитуда импульсного сигнала составляла Е=200 мВ с длительностью фронта 10 пс. Постоянные напряжения V₁ и V₂ имели значения 1,6 В и 1,8 В соответственно. Формы отраженного и проходного сигналов (осциллограммы) показаны на фиг. 5 и по аналитическим выражениям, приведенным в изобретении, определены значения емкости затвора транзистора и емкости затвор-сток. Для определения емкости затвор-исток необходимо определить паразитную емкость контактных площадок, так как для данной технологии емкость контактных площадок и металлизации разводки имеют сравнимые значения. Для этого проведены измерения при постоянных напряжения V₁ и V₂, равных 0 В. В этом случае емкости затвор-сток и затвор-исток равны между собой и емкость контактной площадки в цепи затвора определяется как разница между емкостью затвора, определенной по отраженному сигналу и удвоенной емкостью затвор-сток, определенной по проходному сигналу. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Как видно из осциллограмм, показанных на фиг. 5, цикл измерения составлял менее 250 пс, что фактически эквивалентно частоте более 4 ГГц. Таким образом, получены значения емкостей n-МОП транзистора в гигагерцевой области, не только емкости затвора транзистора, что можно выполнить по способу прототипа, но и определены раздельно емкости затвор-сток и затвор-исток, что невозможно выполнить по способу прототипа. Также необходимо отметить, что при выполнении измерений не потребовалось проведение подготовительных процедур, связанных с определением каких-либо опорных величин.

Источники информации:

1. Патент США № US 6624640 В2.

2. Международный патент № WO 2015/030686 А1.

3. Патент США №US 7548067 В2 - прототип.

Claims

Способ измерения емкости МДП структуры, включающий смещение МДП структуры постоянным напряжением, определение формы отраженного сигнала для вычисления емкости МДП структуры, отличающийся тем, что используются две линии передачи, между которыми подключается МДП структура, линии смещаются постоянными напряжениями, в том числе близкими к нулю, на линии подаются импульсы с длительностью фронта не более 20 пс, определяются формы отраженного и проходного сигналов для вычисления емкости МДП структуры.