Development of a low-noise CV measurement module for defect-spectroscopy of MOS transistors

Abstract

Der MOS Transistor zählt zu einem der wichtigsten Bestandteile in modernen elektronischen Schaltungen. Aufgrund der anhaltenden Miniaturisierung können mittlerweile selbst einzelne Defekte im Oxid bzw. Oxid-Halbleiter-Übergang, die Eigenschaften eines Bauteiles deutlich verändern. Es ist daher von großer Bedeutung diese Bauteile möglichst exakt charakterisieren zu können. Eine weitverbreitete Methode um MOSFETs charakterisieren zu können ist die Kapazitäts-Spannungs-Messung (engl.capacitance-voltage (CV) measurement). Das Ergebnis einer CV-Messung ist die Kapazität dargestellt in Abhängigkeit zu der Spannung. Diese Daten können verwendet werden um auf physikalische Eigenschaften des MOSFET, wie etwa Oxiddicke, Substratdotierungsprofil und Oxidladung, rückzuschließen. Je kleiner die physikalischen Strukturen der Transistoren werden desto kleiner wird auch die Kapazität, die gemessen werden muss. Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung der Hard- und Software für eine rauscharme CV-Messeinheit. Diese muss selbst kleinste Kapazitäten mit einer Auflösung im Femtofaradbereich (fF) messen können. Die Hauptkomponenten bilden ein ADA4530-1, der als Transimpedanzverstärker beschalten ist, gefolgt von einem ADA2200 als Lock-in Verstärker. Die Ausgangsspannung des Lock-in Verstärkers wird von einem 24-bit Delta-Sigma Analog-Digital-Wandler (ADS1247) digitalisiert und kann in eine entsprechende Kapazität umgerechnet werden. Nach erfolgter Kalibrierung kann mit der in dieser Arbeit entwickelten Hardware die Kapazität von Transistoren sehr präzise gemessen und ausgewertet werden.

The metal oxide semiconductor (MOS) transistor is one of the essential devices in modern electronic applications. In recent years, the performance and geometry of MOS transistors have been continuously improved. For instance, modern devices are only a few tens of nanometer small. Due to the miniaturization of electronic devices, even single defects in the physical structure can significantly influence the stable operation of individual devices. One widely used method for the characterization of MOS transistors is performing capacitance-voltage (CV) measurements. The resulting CV characteristics can be used to estimate fundamental physical properties of MOS field-effect transistors (MOSFETs), like oxide thickness, substrate doping, and oxide charge at given gate bias [1]. With decreasing device geometry, the capacitances are also reduced. Therefore, this thesis aims to develop the hard- and software for a low-noise CV measurement unit that can measure the small capacitance at high resolution in the femto-farad (fF) range. The main parts of the developed CV module are an ADA4530-1 that is used in a trans-impedance amplifier (TIA) configuration followed by an ADA2200 used as a lock-in amplifier. The output voltage of the lock-in stage is sampled by a 24-bit Delta-Sigma analog-to-digital converter (ADC) (ADS1247). After calibration, this voltage can be used for calculating the measured capacitance, as demonstrated in this work.