Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в интегральных микросхемах и дискретных приборах микроэлектроники, приборостроении используются различные полупроводниковые структуры, в том числе пла-нарные структуры «диэлектрик-полупроводник», «металл-диэлектрик—полупроводник» или еще более сложные многослойные системы, в том числе «металл-сегаетоэлектрик- полупроводник -металл» и «металл-нитрид кремния-окисел-полупроводник». Свойства и параметры таких структур обусловливают основные характеристики и параметры приборов, схем и устройств на их основе. Значительный вклад в развитие физических основ и метрологии полупроводниковых структур внесли представители как зарубежных так и отечественных научных коллективов У. Шокли, Ф. Стем, Г. И. Роберте, С. Зи, Ж. И. Алфёров, Р. С. На-хмансон, Б. В. Цыпин, Л. С. Берман, В. И. Зубков, Е. Н. Бормонтов, К. Н. Чернецов. С помощью вольт-фарадных методов производят косвенные измерения концентрации основных носителей заряда у полупроводниковых материалов, измерения ёмкости переходов, концентрации основных носителей заряда в полупроводниковых областях, толщины диэлектрического слоя и спектра поверхностных состояний в МДП-струкгурах. Принципы измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ) получили значительное развитие с совершенствованием средств измерения параметров электрических цепей. Значительный вклад в развитие этой области внесли Л. И. Волгин, В. С. Гутников, В. Ю. Кнеллер, К. Л. Куликовский, Е. А. Ломтев, А. И. Мартяшин, П. П. Орнатский, В. М. Шляндин, В. М. Сапельников, П. П. Чураков, Э. К. Шахов и др. Измерения зависимости импеданса полупроводниковой структуры от напряжения смещения находят применение при контроле изделий в процессе производства интегральных микросхем, полупроводниковых приборов, при исследовании полупроводниковых структур и материалов микро- и наноэлектроники с целью получения заданных параметров, а также при уровневой подготовке специалистов в области микро- и наноэлектроники в высших учебных заведениях страны.
В настоящее время для измерения импеданса полупроводниковых материалов и структур часто используют такие средства измерения параметров электрических цепей, такие как ЛР4191Л, НР4294А, НР8753В фирмы Hewlett Packard или Е7-20, Е7-21, Е7-23, Е7-24 ОАО «МНИЛИ». Однако подобные средства измерения недостаточно адаптированы под
задачу измерений импеданса полупроводниковых материалов и структур. Во-первых, они не обеспечивают требуемые диапазоны и дискретность значений напряжения смещения: для вольт-фарадных измерений современных диодов может требоваться напряжение смещения до 1000 В. Во-вторых, схемы и методы измерения у таких средств не учитывают как специфики процессов в полупроводниковых структурах, так и взаимного влияния импедансов отдельных переходов и структур в измеряемых сложных полупроводниковых структурах, включая биполярные или МДП-транзисторы, что приводит к возникновению методических погрешностей и погрешностей согласования таких структур. В связи с этим для измерения параметров полупроводниковых структур, в том числе вольт-фарадными методами, существуют специализированные средства измерения. Одними из первых средств измерения ВФХ полупроводниковых структур были АМЦ1597, АМЦ1598, АМЦ1530 разработки Пензенского НИИ «Контрольприбор». В настоящее время находят применение такие средства измерения, как Keitheley 4200-SCS или CSM-Win фирмы MDC. Однако последние обладают относительной инструментальной погрешностью измерения напряжения смещения ±0,1 % и компонент импеданса до ± 3 % при подключении объекта измерения кабелями длиной до 3 м. Это порождает погрешность косвенного измерения параметров полупроводниковых структур до десятков процентов. Кроме того, частота переменной составляющей тестового напряжения принимает 4-5 дискретных значений в диапазоне 1кГц-10 МГц, что ограничивает возможности построения точной эквивалентной электрической схемы объекта измерения, а нижняя граничная частота не достаточна для реализации метода низкочастотных ВФХ, при котором измерения производятся на частотах порядка 1 Гц. Поэтому задача совершенствования средств измерения ВФХ полупроводниковых структур с целью повышения их научно-технических, технико-экономических, оперативных (временных) показателей является актуальной.
Цель диссертационного исследования - разработка методик для уменьшения погрешностей измерения ВФХ полупроводниковых структур и совершенствование существующих схемотехнических решений.
В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертации являются:
1. Анализ моделей полупроводниковых структур и методов измерения их электрофизических параметров, анализ характеристик су-
шествующих средств измерения и определение требований к метрологическим характеристикам средств измерения ВФХ.
-
Исследование влияния погрешностей средств измерения ВФХ на точность измерения электрофизических параметров полупроводниковых структур и границ разделов в них.
-
Анализ принципов измерения ВФХ элементов сложных полупроводниковых структур: биполярных и МДП-транзисторов.
-
Разработка методики и технических решений для снижения инструментальной погрешности формирования напряжения смещения.
-
Совершенствование аппаратной части средств измерения ВФХ для снижения инструментальной погрешности измерения.
-
Развитие методики коррекции инструментальной погрешности измерения импеданса полупроводниковой структуры при удалённом подключении объекта измерения.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы теории математического анализа, физики полупроводниковых структур, теории электрических цепей, теории погрешностей. Основные теоретические результаты проверены и подтверждены математическим, имитационным моделированием и результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна:
-
Разработана методика снижения инструментальной погрешности формирования напряжения смещения на объекте измерения, основанная на калибровке формирователя по образцовому напряжению при помощи калибрующего измерительного канала с двухтактным преобразованием. Предложен соответствующий формирователь напряжения смещения.
-
Усовершенствован способ формирования тестового воздействия, позволяющий снизить влияние паразитных параметров объекта измерения и устройства его подключения на погрешность измерения ВФХ, а также снижающий требования к частотным характеристикам источника тестового напряжения.
-
Развита методика коррекции погрешности измерения ВФХ при удалённом подключении объекта измерения, основанная на получении функции, корректирующей инструментальную погрешность измерения импеданса методом интерполяции Лагранжа по ряду измерений образцовых импедансов.
4. Предложены варианты калибрующих устройств на основе дискретных компонентов и оригинального микромеханического магазина образцовых комплексных сопротивлений, позволяющих калибровать по импедансу средство измерения ВФХ.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты развивают основы проектирования средств измерения параметров полупроводниковых струїстур вольт-фарадными методами. Повышение точности измерения ВФХ при использовании разработанных методик и решений даёт возможность построения более точных моделей полупроводниковых нано- и микроструктур при их исследовании, а также повышения качества и надежности производимых изделий микроэлектроники за счет повьшіения точности измерения на стадиях их операционного и межоперационного технологического контроля. Разработанные методики, технические решения и усовершенствованные способы могут также быть использованы для проектирования средств измерения параметров многоэлементных электрических цепей различных конфигураций.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в следующих НИР: «Исследование основных закономерностей формирования микро-, наносистем с контролируемыми свойствами» по заданию Федерального агентства по образованию РФ на проведение научных исследований (регистрационный номер 1.3.09); госконтракт № 10/57У от 21.04.2010 г. на поставку автоматизированных лабораторных стендов по заказу УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»; госконтракт № 10/142У от 25.10.2010 г. на поставку автоматизированных лабораторных стендов для исследования полупроводниковых струїстур методами вольт-фарадных характеристик по заказу ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (технический университет)».
На защиту выносятся:
-
Методика уменьшения инструментальной погрешности формирования напряжения смещения, позволяющая снизить инструментальную относительную погрешность напряжения смещения до ±0,012 %, и результаты ее апробации.
-
Усовершенствованный способ формирования тестового воздействия, позволяющий снизить влияние паразитных параметров объекта измерения и устройства его подключения на погрешность измерения импеданса.
-
Методика коррекции инструментальной погрешности измерения мнимой компоненты импеданса полупроводниковой структуры до предельного относительного значения ±0,5 % и действительной части до ±1 % при значениях ёмкости объекта от 10 пФ до 10 нФ и параллельного сопротивления от 1 МОм до 1 ГОм в диапазоне частот переменной составляющей тестового напряжения до 10 МГц при подключении объекта измерения кабелями до 3 м.
-
Оригинальные варианты магазинов образцовых комплексных сопротивлений, размещаемых в ограниченном пространстве зондового устройства, для калибровки средств измерения ВФХ по импедансу.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации опубликованы в периодических изданиях и представлены для обсуждения на таких научно-технических конференциях, как XV Туполевские чтения (Казань, 2007 г.), XI и XII Международные научно-методические конференции «Университетское образование» (Пенза, 2007 г., 2008 г.), «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2008 г.), «Методы создания, исследования микро-, наносистем и экономические аспекты микро-, наноэлектроники» (Пенза, 2009 г.), «Информатизация образования. По-волжье-2010» (Пенза, 2010 г.), Ш Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них одна - в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 120 наименований и четырёх приложений. Объём работы - 153 страницы основного машинописного текста, включающего 4 таблицы и 85 рисунков.
Похожие диссертации на Средства измерения вольт-фарадных характеристик полупроводниковых структур
