高頻cv特性測試儀的制作方法
【專利摘要】高頻CV特性測試儀，屬于半導體器件特性測量領域，本發明為解決目前市面上C-V特性測試儀低分辨率、低線性度的問題。本發明包括電源模塊、人機交互模塊、USB通訊模塊、單片機控制模塊、高頻信號產生模塊、平方率檢波模塊和電容檢測放大模塊；待測電容Cx兩端信號被電容檢測放大模塊放大處理后，輸出含有正弦波的信號，待測電容Cx的電容值的大小耦合到信號的幅值之中，正弦波的幅值代表了待測電容Cx的電容值的大小，電容檢測放大模塊輸出的信號送至平方率檢波模塊中，平方率檢波模塊留下直流分量，并轉換為數字信號作為待測電容Cx的電容值的取值結果送到單片機控制模塊中，該值可在人機交互模塊上顯示，也可以通過USB通訊模塊上傳至電腦中。
【專利說明】高頻CV特性測試儀
【技術領域】
[0001]本發明適用于半導體器件特性測量領域。
【背景技術】
[0002]在半導體元器件領域，電容-電壓(C-V)特性被廣泛地應用在測試半導體參數領域之中，高校的實驗室和半導體制造廠商利用這類測試結果來評估新材料、新工藝以及新電路的性能。對于半導體工藝工程師，C-V測試手段也極其重要，他們通過其測試結果來改善工藝和器件性能。C-V測試對于可靠性工程師同樣重要，他們通過測試來檢測工藝參數，分析導致失效的原因。此外，通過其特性還可推導得到多種半導體器件的參數。這些參數在整個生產鏈中都會被用到，比如摻雜分布、平均摻雜濃度和載流子壽命等參數。在晶圓工藝中，C-V測試主要用來分析柵氧化層厚度、柵氧化層中的電荷數和界面阱密度。另外如金屬化、刻蝕、多晶硅淀積、清洗等工藝中同樣會利用到類似的測試。在測試器件可靠性時，可以利用C-V測量對一些基本參數來進行特征分析，比如說閾值電壓，以此對器件進行建模。
[0003]目前高頻C-V特性測試儀正在向高分辨率和大量程的方向發展。傳統C-V特性測量方法采用將電容信號轉換成頻率信號后進行數字化，其數字化對A/D的要求較高，很難達到理想的線性度。在其它的C-V特性測量方法中，將電容信號耦合至交流信號的幅值之中，由于各個器件所引入的非線性，系統整體的線性度將不可控。所以一個結構簡單，又具有高分辨率、高線性度以及大量程的半導體C-V電容測量系統能夠大大提高儀器的性能。
【發明內容】
[0004]本發明為了解決目前市面上C-V特性測試儀低分辨率、低線性度的問題，提出了一種新的檢測技術，將疊加直流分量和正弦信號，并且將電容耦合入正弦信號的幅值之中，再經過平方率檢波，留下直流分量，經過適當的放大送至單片機A/D采樣端口進行采樣。
[0005]本發明所述高頻CV特性測試儀，它包括電源模塊、人機交互模塊、USB通訊模塊、單片機控制模塊、高頻信號產生模塊、平方率檢波模塊和電容檢測放大模塊；
[0006]單片機控制模塊的高頻信號指令輸出端與高頻信號產生模塊的高頻信號指令輸入端相連，高頻信號產生模塊的高頻信號輸出端與電容檢測放大模塊的高頻信號輸入端相連；單片機控制模塊的實驗加載電壓輸出端與電容檢測放大模塊的實驗加載電壓輸入端相連；待測電容匕的待測電容模擬電壓信號輸出端與電容檢測放大模塊的待測電容模擬電壓信號輸入端相連；
[0007]電容檢測放大模塊的輸出端與平方率檢波模塊的輸入端相連，平方率檢波模塊的待測電容數字電壓信號輸出端與單片機控制模塊的待測電容數字電壓信號輸入端相連；
[0008]單片機控制模塊的待測電容值顯示指令輸出端與人機交互模塊的待測電容值顯示指令輸入端相連；
[0009]單片機控制模塊的待測電容電壓數字信號數據輸出端與USB通訊模塊的待測電容電壓數字信號數據輸入端相連；[0010]電源模塊為人機交互模塊、USB通訊模塊、單片機控制模塊、高頻信號產生模塊、平方率檢波模塊和電容檢測放大模塊提供工作電源。
[0011]本發明的優點:本發明采用了容抗放大器電路將電容大小耦合到信號的幅值之中，再通過平方率檢波留下直流分量，最后將直流分量轉換為數字信號，簡單、準確、高精度的將電容值轉變為數字信號。由于本發明采用了阻抗比例檢測的電容放大檢測模塊和平方率檢波模塊，使整個系統在lpF-lOOOpF的量程內有較高的線性度和分辨率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明所述高頻CV特性測試儀的原理框圖；
[0013]圖2是電容檢測放大模塊的具體電路圖；
[0014]圖3是平方率檢波模塊的具體電路圖。
【具體實施方式】
[0015]【具體實施方式】一:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述高頻CV特性測試儀，它包括電源模塊100、人機交互模塊101、USB通訊模塊102、單片機控制模塊103、高頻信號產生模塊104、平方率檢波模塊105和電容檢測放大模塊106 ；
[0016]單片機控制模塊103的高頻信號指令輸出端與高頻信號產生模塊104的高頻信號指令輸入端相連，高頻信號產生模塊104的高頻信號輸出端與電容檢測放大模塊106的高頻信號輸入端相連；單片機控制模塊103的實驗加載電壓輸出端與電容檢測放大模塊106的實驗加載電壓輸入端相連；待測電容(^的待測電容模擬電壓信號輸出端與電容檢測放大模塊106的待測電容模擬電壓信號輸入端相連；
[0017]電容檢測放大模塊106的輸出端與平方率檢波模塊105的輸入端相連，平方率檢波模塊105的待測電容數字電壓信號輸出端與單片機控制模塊103的待測電容數字電壓信號輸入端相連；
[0018]單片機控制模塊103的待測電容值顯示指令輸出端與人機交互模塊101的待測電容值顯示指令輸入端相連；
[0019]單片機控制模塊103的待測電容電壓數字信號數據輸出端與USB通訊模塊102的待測電容電壓數字信號數據輸入端相連；
[0020]電源模塊100為人機交互模塊101、USB通訊模塊102、單片機控制模塊103、高頻信號產生模塊104、平方率檢波模塊105和電容檢測放大模塊106提供工作電源。
[0021]電源模塊100為人機交互模塊101、USB通訊模塊102、單片機控制模塊103和高頻信號產生模塊104提供+5V電源；電源模塊100為平方率檢波模塊105提供±5V電源和±15V電源；電源模塊100為電容檢測放大模塊106提供±15V電源。
[0022]單片機控制模塊103控制高頻信號產生模塊104產生IMHz正弦負載波給電容檢測放大模塊106，單片機控制模塊103給電容檢測放大模塊106提供實驗加載電壓，變換不同值獲取其電容，以便于得到C-V特性曲線；
[0023] 米集待測電容Cx兩端信號被電容檢測放大模塊106放大處理后,輸出含有正弦波的信號，待測電容Cx的電容值的大小耦合到信號的幅值之中，正弦波的幅值代表了待測電容Cx的電容值的大小，電容檢測放大模塊106輸出的信號送至平方率檢波模塊105中，平方率檢波模塊105留下直流分量，最后將直流分量轉換為數字信號，并作為待測電容Cx的電容值的取值結果送到單片機控制模塊103中，該值可在人機交互模塊101上顯示，也可以通過USB通訊模塊102上傳至電腦中。
[0024]【具體實施方式】二:下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，電容檢測放大模塊106包括運放U1、運放U2、運放U3、運放U4、滑動變阻器Rl、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、滑動變阻器R7、電阻R8、電阻R9、電容Cl和電容C2 ；
[0025]滑動變阻器Rl的一端連接高頻信號產生模塊104的高頻信號輸出端Vim ；電阻R2的一端連接單片機控制模塊103的實驗加載電壓輸出端VD。，滑動變阻器Rl的另一端和電阻R2的另一端同時連接運放Ul的反相輸入端；運放Ul的同相輸入端通過電阻R3接地，運放Ul的反相輸入端和輸出端之間并聯電阻R4，運放Ul的輸出端連接同軸線端子Pl并接地；運放U2的反相輸入端同時連接電容C2的一端、電阻R6的一端和同軸線端子P2，并接地；運放U2的同相輸入端同時連接電容Cl的一端和電阻R5的一端，電阻R5的另一端和電容Cl的另一端同時接地；運放U5的輸出端同時連接電阻R6的另一端、電容C2的另一端和滑動變阻器R7的一端，滑動變阻器R7的另一端連接運放U3的反相輸入端，運放U3的同相輸入端通過電阻R8接地，運放U3的輸出端連接運放U4的同相輸入端，電阻R9并聯在運放U3的反相輸入端和輸出端之間；運放U4的反相輸入端和輸出端之間短接，且運放U4的輸出端作為電容檢測放大模塊106的輸出端；
[0026]同軸線端子Pl和同軸線端子P2分別連接待測電容Cx的兩端。
[0027]給出一個電容放大檢測模塊106的具體取值選型實施例:滑動變阻器Rl取IOkQ ,電阻R2取3kQ，電阻R3取510Ω，電阻R4取5k Ω，運放Ul為0PA604，電容Cl取IOOpF,電阻R5取Ik Ω，電阻R6取IM Ω，電容C2取40pF，運放U2為0PA604，滑動變阻器R7取IOk Ω，電阻R8取510 Ω，電阻R9取2k Ω，運放U3為0PA604。
【權利要求】
1.高頻CV特性測試儀，其特征在于，它包括電源模塊(100)、人機交互模塊(101)、USB通訊模塊(102)、單片機控制模塊(103)、高頻信號產生模塊(104)、平方率檢波模塊(105)和電容檢測放大模塊(106)； 單片機控制模塊(103)的高頻信號指令輸出端與高頻信號產生模塊(104)的高頻信號指令輸入端相連，高頻信號產生模塊(104)的高頻信號輸出端與電容檢測放大模塊(106)的高頻信號輸入端相連；單片機控制模塊(103)的實驗加載電壓輸出端與電容檢測放大模塊(106)的實驗加載電壓輸入端相連；待測電容(^的待測電容模擬電壓信號輸出端與電容檢測放大模塊(106)的待測電容模擬電壓信號輸入端相連； 電容檢測放大模塊(106)的輸出端與平方率檢波模塊(105)的輸入端相連,平方率檢波模塊(105)的待測電容數字電壓信號輸出端與單片機控制模塊(103)的待測電容數字電壓信號輸入端相連； 單片機控制模塊(103)的待測電容值顯示指令輸出端與人機交互模塊(101)的待測電容值顯示指令輸入端相連； 單片機控制模塊(103)的待測電容電壓數字信號數據輸出端與USB通訊模塊(102)的待測電容電壓數字信號數據輸入端相連； 電源模塊(100)為 人機交互模塊(101)、USB通訊模塊(102)、單片機控制模塊(103)、高頻信號產生模塊(104)、平方率檢波模塊(105)和電容檢測放大模塊(106)提供工作電源。
2.根據權利要求1所述高頻CV特性測試儀，其特征在于，電源模塊(100)為人機交互模塊(101)、USB通訊模塊(102)、單片機控制模塊(103)和高頻信號產生模塊(104)提供+5V電源；電源模塊(100)為平方率檢波模塊(105)提供±5V電源和±15V電源；電源模塊(100)為電容檢測放大模塊(106)提供±15V電源。
3.根據權利要求1所述高頻CV特性測試儀，其特征在于，電容檢測放大模塊(106)包括運放U1、運放U2、運放U3、運放U4、滑動變阻器R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、滑動變阻器R7、電阻R8、電阻R9、電容Cl和電容C2 ； 滑動變阻器Rl的一端連接高頻信號產生模塊(104)的高頻信號輸出端VIM;電阻R2的一端連接單片機控制模塊(103)的實驗加載電壓輸出端Vdc，滑動變阻器Rl的另一端和電阻R2的另一端同時連接運放Ul的反相輸入端；運放Ul的同相輸入端通過電阻R3接地，運放Ul的反相輸入端和輸出端之間并聯電阻R4，運放Ul的輸出端連接同軸線端子Pl并接地；運放U2的反相輸入端同時連接電容C2的一端、電阻R6的一端和同軸線端子P2，并接地；運放U2的同相輸入端同時連接電容Cl的一端和電阻R5的一端，電阻R5的另一端和電容Cl的另一端同時接地；運放U5的輸出端同時連接電阻R6的另一端、電容C2的另一端和滑動變阻器R7的一端，滑動變阻器R7的另一端連接運放U3的反相輸入端，運放U3的同相輸入端通過電阻R8接地，運放U3的輸出端連接運放U4的同相輸入端，電阻R9并聯在運放U3的反相輸入端和輸出端之間；運放U4的反相輸入端和輸出端之間短接，且運放U4的輸出端作為電容檢測放大模塊(106)的輸出端； 同軸線端子Pl和同軸線端子P2分別連接待測電容Cx的兩端。
4.根據權利要求1所述高頻CV特性測試儀，其特征在于，平方率檢波模塊(105)包括模擬乘法器U5、運放U6、運放U7、穩壓二極管D1、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電阻R13、電阻R14、電阻R15、電阻R16、滑動變阻器R17、電阻R18、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6、電容C7和電容C8 ； 模擬乘法器U5的兩個輸入端同時作為平方率檢波模塊(105)的輸入端，模擬乘法器U5的輸出端連接電阻RlO的一端，電阻RlO的另一端同時連接電容C3的一端和電阻Rll的一端，電容C3的另一端接地；電阻Rll的另一端同時連接電容C4的一端和電阻R12的一端，電容C4的另一端接地；電阻R12的另一端同時連接電阻R13的一端、電容C5的一端和電容C6的一端，電容C5的另一端接地；電阻R13的另一端同時連接電容C7的一端和運放U6的同相輸入端，電容C7的另一端接地；電容C6的另一端同時連接電阻R14的一端、運放U6的輸出端和電阻R15的一端，電阻R14的另一端連接運放U6的反相輸入端；電阻R15的另一端連接運放U7的同相輸入端，運放U7的反相輸入端同時連接電阻R16的一端和滑動變阻器R17的一端，電阻R16的另一端接地；滑動變阻器R17的另一端同時連接運放U7的輸出端和電阻R18的一端，電阻R18的另一端同時連接穩壓二極管Dl的陰極和電容CS的一端，穩壓二極管Dl的陽極和電容CS的另一端同時接地，電阻R18、穩壓二極管Dl和電容CS的公共節點作為平 方率檢波模塊(105)的輸出端。
【文檔編號】G01R31/26GK103983910SQ201410244665
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】付強, 周宇峰, 馬震, 劉曉為, 王蔚, 張宇峰, 王喜蓮 申請人:哈爾濱工業大學