Pomiary pojemności i napięcia (C-V) są powszechnie stosowane do badania jakości struktury bramka-tlenek. Pomiary te są wykonywane na urządzeniu z dwoma elektrodami zwanym kondensatorem MOS, który jest w zasadzie tranzystorem MOSFET bez źródła i drenu. Dane testowe C-V uzyskane z kondensatorów MOS zawierają bogactwo informacji o urządzeniu i procesie, w tym informacje o ładunkach podłoża i interfejsów. Wiele parametrów kondensatora MOS, takich jak grubość tlenku, napięcie płaskiego pasma, napięcie progowe itp. można wyodrębnić z danych C-V uzyskanych przy wysokiej częstotliwości.

Jednak jeden parametr, gęstość pułapek granicznych (DIT), jest zwykle uzyskiwany zarówno z pomiarów C-V przy wysokiej, jak i przy niskiej częstotliwości. Zazwyczaj przemiatanie częstotliwości w obydwu zakresach dla wyznaczania charakterystyk C-V wymaga dwóch różnych przyrządów pomiarowych z dwoma różnymi zestawami kabli, co wymaga od użytkownika fizycznej zmiany połączeń sondy między pomiarami. Jednak użycie analizatora parametrów Keithley 4200A-SCS z odpowiednimi modułami umożliwia wykonywanie pomiarów zarówno dla wysokich, jak i dla niskich częstotliwości bez ponownego okablowania układu pomiarowego.

W konfiguracji z dwiema jednostkami pomiarowymi źródła (SMU) z przedwzmacniaczami i kondensatorową jednostką napięciową (CVU), analizator parametrów 4200A-SCS może wykonywać pomiary C-V zarówno dla wysokiej, jak i niskiej częstotliwości. Wielotorowy przełącznik 4200A-CVIV umożliwia automatyczne przełączanie pomiędzy pomiarami przy wysokiej i przy niskiej częstotliwości bez konieczności zmiany kabli lub podnoszenia końcówek sondy. Oprogramowanie Clarius dołączone do 4200A-SCS ma obszerną bibliotekę z wbudowanymi testami do obsługi pomiarów C-V na kondensatorach MOS. Między innymi zawiera ono projekt, łączący pomiary w obydwu zakresach częstotliwości. Ten projekt pozwala na wyznaczenie wielu typowych parametrów C-V, w tym gęstości pułapek granicznych (DIT).

W niniejszej nocie aplikacyjnej omówiono sposób wykorzystania analizatora parametrów 4200A-SCS do pomiaru kondensatorów MOS i automatycznego przełączania między pomiarami C-V przy wysokiej i niskiej częstotliwości. Omówiono również podstawowe informacje o kondensatorach MOS i wyznaczaniu podstawowych parametrów.

Kondensator MOS

Rysunek 1 ilustruje budowę kondensatora MOS. Zasadniczo kondensator MOS to po prostu struktura składająca się z tlenku umieszczonego między półprzewodnikiem a metalową bramką. Półprzewodnik i metalowa bramka to dwie okładziny kondensatora. Tlenek działa jako dielektryk. Powierzchnia metalowej bramki definiuje obszar kondensatora.

Rysunek 1. Kondensator MOS

Ważną właściwością kondensatora MOS jest to, że jego pojemność zmienia się wraz z przyłożonym napięciem stałym. W rezultacie tryby pracy kondensatora MOS zmieniają się w funkcji przyłożonego napięcia. Więcej informacji na temat kondensatorów MOS i wykonywania ich pomiarów C-V można znaleźć w nocie aplikacyjnej Keithley „C-V Characterization of MOS Capacitors Using the 4200A-SCS Parameter Analyzer”.

Wymagania dla automatyzacji pomiarów C-V dla wysokiej i niskiej częstotliwości

Aby zautomatyzować pomiary C-V dla wysokiej i niskiej częstotliwości, analizator parametrów 4200A-SCS musi być skonfigurowany co najmniej z opcjami wymienionymi w Tabeli 1.

Tabela 1. Wymagane moduły

Do połączenia wyjścia 4200A-CVIV ze stacją sond jest niezbędne dodatkowe okablowanie. Zaleca się użycie kabli trójosiowych 4200-TRX-.75 na wyjściu CVIV. Te ekranowane kable zapewniają, że pomiary zarówno bardzo małych prądów, jak i wysokich częstotliwości mogą być wykonywane z dużą dokładnością.

Instalowanie i konfigurowanie 4200A-CVIV

Instalacja i konfiguracja 4200A-CVIV polega na wykonaniu połączeń do jego zacisków wejściowych i wyjściowych oraz aktualizacji konfiguracji 4200A-CVIV w aplikacji KCON.

Połączenia wejściowe i wyjściowe

Jednostka napięciowa CVU i przedwzmacniacze SMU są podłączone do zacisków wejściowych modułu 4200A-CVIV, jak pokazano na rysunku 2. Jednostki SMU1 i SMU2 są podłączone do wejść CH1 i CH2. Do wejść CH3 i CH4 są podłączane albo dwie dodatkowe jednostki SMU lub bloki kanałowe (dołączone do CVIV).

Rysunek 2. Połączenia wejściowe w module 4200A-CVIV

Zaciski wyjściowe CVIV są podłączone do stacji sond. Kanał CH1 jest podłączony do bramki kondensatora MOS i służy do pomiaru pojemności. Kanał CH2 jest podłączony do podłoża i służy do doprowadzenia napięcia stałego. Więcej informacji na temat wykonywania połączeń odpowiednich do optymalizacji pomiarów C-V można znaleźć w notach aplikacyjnych firmy Keithley wymienionych w Załączniku B.

Konfiguracja instalacji w KCON

Po podłączeniu SMU i CVU do CVIV należy upewnić się, że moduł CVIV jest podłączony do analizatora 4200A-SCS za pomocą dostarczonego kabla USB. Należy zamknąć aplikację Clarius i otworzyć aplikację KCON. Na górze okna aplikacji należy wybrać pozycję Update (Aktualizuj). Gdy urządzenie zakończy aktualizację, należy wybrać pozycję Save (Zapisz). Wtedy można uruchomić aplikację Clarius i rozpocząć jej konfigurację.

Wybór i konfiguracja projektu moscap-cv-dit-cviv do pomiarów C-V

Biblioteka wbudowana w aplikację Clarius zawiera kilka testów i projektów, za pomocą których można wykonać pomiary kondensatorów przy wysokich i niskich częstotliwościach. W wersji aplikacji Clarius V1.9 do biblioteki projektów dodano nowy projekt, moscap-cv-dit-cviv. Ten projekt umożliwia przełączanie między przemiataniami C-V przy wysokiej i przy niskiej częstotliwości oraz obejmuje obliczenie gęstości pułapek granicznych (DIT). Dostęp do projektu można uzyskać z poziomu menu Project w bibliotece, wpisując tekst „DIT” w polu wyszukiwania na widoku Select. Po wyborze i utworzeniu projektu w drzewie projektu pojawi się pozycja moscap-cv-dit-cviv, jak pokazano na rysunku 3. W kolejnych sekcjach opisano testy zawarte w drzewie projektu.

Rysunek 3. Drzewo projektu moscap-cv-dit-cviv

Gromadzenie danych kompensacyjnych CVU

Pierwszą pozycją wymienioną w drzewie projektu jest akcja cvu-cviv-comp-collect mająca na celu uzyskania danych do kompensacji jednostki napięciowej. Kompensacja CVU służy do korygowania błędów offsetu i wzmocnienia, powodowanych połączeniami między CVU a badanym urządzeniem (DUT). W omawianym przypadku występują połączenia od jednostki CVU do CH1 i CH2 modułu CVIV oraz kablami do sond. Ta czynność jest wykonywana przy podniesionych sondach. Zrzut ekranu widoku Select dla akcji cvu-cviv-comp-collect pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Okno konfiguracji akcji cvu-cviv-comp-collect służącej do uzyskania danych kompensacyjnych

Przełączanie między CVU i SMU

Akcje cviv-configure-hif-cv i cviv-configure lof-cv służą do automatycznego przełączania wyjść kanałów CH1 i CH2 modułu CVIV między jednostką CVU a dwiema jednostkami SMU. Zapobiega to zbędnym zmianom okablowania i połączeń z urządzeniem podczas testu.

Połączenia jednostki CVU przez moduł CVIV pokazano na rysunku 5. W tym przypadku zacisk CVH jest połączony przez CH1 z podłożem kondensatora MOS i wymusza napięcie polaryzacji DC. Zacisk CVL jest podłączony przez CH2 do bramki kondensatora MOS i mierzy prąd AC. Pomimo tego, że kanały CH3 i CH4 nie są używane, są one skonfigurowane dla funkcji CV Guard, aby minimalizować szum z niepożądanych torów sygnału. Wygląd ekranu akcji cvu-configure-hif-cv pokazano na rysunku 6.

Rysunek 5. Połączenia CVU przez 4200A-CVIV do kondensatora MOS

Rysunek 6. Widok konfiguracji akcji cviv-configure-hif-cv

Rysunek 7 przedstawia połączenia jednostki SMU przez moduł CVIV dla pomiarów C-V niskiej częstotliwości. Jednostka SMU1 jest podłączona przez kanał CH1 do podłoża, a jednostka SMU2 jest połączona przez kanał CH2 z bramką kondensatora MOS. Podobnie jak w przypadku pomiarów dla wysokiej częstotliwości, napięcie polaryzacyjne DC jest przykładane do podłoża, zatem napięcie bramki = (-1) * Vsubstrate.

Rysunek 7. Połączenia jednostek SMU przez moduł 4200A-CVIV w pomiarach kondensatorów MOS