Brevet FR2333248A1 — publié le 19770624

La présente invention concerne un circuit de usure automatique de caracteristiques électriques de structures MOS et plus particulièrement un circuit de usure de la tension de seuil de telles structures. Le ddveloppevent des dispositifs à semiconducteurs de structure M0S (metal-oxide semiconductor) rend de plus en plus utile un dispositif permettant la mesure de certaines caractéristiques comme la valeur du seuil. On connatt une méthode pour mesurer la valeur du seuil d'une structure NOS, cette wXthode utilisant la mesure de la capacite existant entre une électrode métallique de dimensions étalonnées et la structure oxyde-semiconducteur. Cette méthode présente des inconvénients parmi lesquels un manque de précision de la mesure et surtout une mise en oeuvre difficile. Aussi un objet de Il'invention est un circuit de mesure du seuil de structures NOS ne présentant pas les inconvénients précites. Un autre objet de l'invention est un circuit de mesure du seuil de structures NOS permettant la détermination précise et rapide de la valeur de seuil cherchée. Un autre objet de l'invention est un circuit de mesure du seuil de structures NOS permettant la visualisation de la courbe de variation dudit seuil en fonction de la tension de polarisation. Selon une carsetéristique de l'invention, un circuit de sesure auto ontique de la tension de seuil d'une structure NOS 'a fonction de la polarisation du substrat comprend - des premiers soyons pour maintenir ladite structure NOS dans un état de sa turation et telle que le courant drain soit constant ; - des seconds moyens pour mesurer la différence de tension existant entre l'électrode de grille et l'électrode de source, cette différence de tension représentant la valeur mesurée de la tension de seuil de ladite struc ture NOS. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits premiers moyens comprennent un premier amplificateur opérationnel dont l'entrée non ia- versée est reliée d'une part à l'électrode de drain de ladite structure NOS et d'autre part à un premier générateur de courant constant, l'entrée inversée est reliée d'une part à l'électrode de source par l'intermédiaire d'une résistance et d'autre part à un second générateur de courant constant, et la sortie dudit premier amplificateur opérationnel est reliée à l'électrode de grille, l'électrode reliée au substrat de ladite structure étant à la sasse Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits seconds troyens comprennent un second amplificateur opérationnel ponté en soustracteur et effectuant la différence des tensions sur les électrodes de grille et de source de ladite structure NOS. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement A la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation préféré de l'invention, ladite description étant faite en relation avec la planche unique jointe dans laquelle - la figure 1 montre le schéma du circuit de mesure de seuil d'une structureMOS X canal P selon l'invention ; - la figure 2 montre les modifications A apporter au circuit de la figure 1 lorsque la mesure est effectuée sur une structure S a canal 1. Dans le schéma de la figure 1, un transistor NOS 1 A canal Piété représenté. Ses électrodes sont repérées par les lettres S, D et G désignant respectivement la source, le drain et la grille. La quatrième électrode non ré férencée est reliée au substrat et portée au potentiel zéro. La source S est connectée par l'intermédiaire d'une résistance 5 a un générateur de courant 4 luiOe connecté A une source de tension -30 volts.Le drain'D est connecté d'une part A l'entrée non inversée + d'un amplificateur opérationnel 2 et d'autre part A un générateur de courant 3 luiSmême connecte ladite source de tension -30 volts. L'entrée inversée - dudit amplificateur opérationnel 2 est reliée A la borne A coizune A ladite résistance 5 et audit générateur de courant 4.L'amplificateur opérationnel 2 est polarisé par les tensions -30volts et +5volts, sa sortie est reliée à la grille du transistor MOS 1 et, par 1'in- termédiaire d'une capacité 6, A la-borne d'annulation de la tension d'erreur d'entrée (ou tension "d'offset") dudit amplificateur 2. L'amplificateur opérationnel 7 réalise, de manière classique, la différence des tensions VG et VS obtenues respectivexent en sortie de l'amplificateur opérationnel 2 et sur la source du transistor 1. La tension VG est appliquée sur l'entre + de l'amplificateur opérationnel 7 par l'intermédiaire de la résistance 8 et la tension VS est appliquée sur l'entrée - par ltinter- médiaire delàrésistance 10. L'entrée + de l'amplificateur opérationnel 7 est reliée B.la masse par l'intermédiaire de la résistance 9 tandis que entrée est reliée A la sortie dudit amplificateur opérationnel 7 par l'intermédiaire d'une résistance 11.La tension de sortie VT de l'amplificateur opérationnel 7 est alors telle que VT - VG - VS. Dans une forme préférée de l'invention, les différentes valeurs des composants du circuit de la figure i sont résistance 5 160 O résistances 8, 9, 10 et 11 3 kO capacité 6 10 nF générateur de courant 3 1 uA générateur de courant 4 1 mb amplificateurs opérationnels 2, 7 SN72741. Le principe de fonctionnement du circuit de la figure 1 est le suivant. Une tension VS est appliquée à la borne commune à la source du transistor 1 et à la résistance 5. Pour chaque tension appliquée, le circuit de l'amplificateur opérationnel 2 se stabilise lorsque, à la tension "d'offset" de l'amplificateur opérationnel 2 près, on a la relation V9 = VA. Dans ce cas, le transistor 1 est nécessairement conducteur et le courant-drain Id est alors égal au courant du générateur de courant 3 soit Id = 1 pA. Cette valeur ne tient pas compte du courant d'entrée de l'amplificateur opérationnel 2 qui reste faible (inférieur à 0,5 VA dans le cas du circuit de la figure 1).La différence de tension entre le drain et la source, soit VD - VS, est égale à la chute de tension produite par le courant du générateur de courant 4 dans la résistance 5 Avec un courant de 1 mA et une résistance 5 de 160 n, cette différence de tension est,à la tension "d'offset" près, égale à 160 niP, A l'équi- libre, c'est-à-dire lorsque le transistor est saturé, la tension de grille VG est alors telle aue la relation suivante est vérifiée : où VG et VS sont les tensions définies ci-dessus, VTh désigne la tension de seuil et K est un coefficient dépendant des caractéristiques physiques et géométriques de la structure t1OS utilisée.Une justification de la relation (1) peut étre trouvée à la page 69 du livre intitulé "MOS Integrated Circuits", publié par VAN NOSTRAND REINHOLD Company en 1972. Le montage de l'amplificateur opérationnel 7 donne une tension de sortie vT = VG - VS. Cette tension de sortie n'est pas strictement égale à la valeur de seuil réel puisque d'après la relation (1) on a La valeur du deuxième membre de l'égalité (2) reste faible dans la majorité des cas. Si les mesures de seuil SORt effectuées sur des structures MOS dont la valeur minimum du coefficient K est de l'ordre de 80 llmhostr, la différence entre VG - VS et la valeur de seuil réel VTh est alors de l'ordre de 160 mV. Cette différence correspond donc à l'erreur maximum faite sur la mesure du seuil par le circuit selon l'invention. Le ralle de la capacité 6 branchée entre la sortie de l'amplificateur opérationnel 2 et l'entrée d'annulation "d'offset" ("offset null input" dans la littérature anglo-saxonne) est d'empecher-le circuit d'osciller. La capacité 6 a pour effet d'augmenter le temps de réponse de l'amplificateur opérationnel 2; sa valeur n'est cependant pas. critique. Le schéma de la figure 1 permet d'obtenir une valeur de seuil VT pour chaque tension appliquée VS. On conçoit dès lors qu'il est avantageux de pouvoir obtenir la courbe de variation du seuil en fonction de la tension appliquée. Une solution possible consiste alors à appliquer une tension en dent de scie sur l'entrée S ; cette tension en dent de scie est également appliquée, sur l'entrée horizontale d'un oscilloscope tandis que l'entrée verticale reçoit la tension de sortie VT. La tension en dent de scie constitue la base de temps du balayage de l'oscilloscope et la courbe qui apparait alors représente la variation de la tension de seuil en fonction de la tension de polarisation du substrat du transistor MOS mesuré. La figure 2 montre comment le circuit de la figure 1 doit être modifié lorsque la mesure à effectuer concerne une structure MOS à canal N. Les polarités sont alors inversées et les sources de tensions +30 volts et -5 volts remplacent respectivement les sources de tensions -30 volts et +5 volts. Les générateurs de courant 3 et 4 sont connectés de manière à respecter les nouvelles polarités. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'un exemple particulier de réalisation, il est clair qu'elle n'est pas limitée audit exemple et qu'elle est susceptible de modifications ou variantes sans sortir de son domaine. REVENDICATIONS 1. Circuit de mesure automatique de la tension de seuil d'une struc ture MOS en fonction de la polarisation de substrat caractérisé en ce qu'il comprend - des premiers moyens pour maintenir ladite structure MOS dans un état de sa turation et telle que le courant drain soit constant. - des seconds moyens pour mesurer la différence de tension existant entre l'électrode de grille et llélectrode de source cette différence de tension représentant la valeur mesurée de la tension de seuil de ladite structure MOS. 2. Circuit de mesure automatique selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits premiers moyens comprennent un premier amplificateur opéra tionnel dont l'entrée non inversée est reliée d'une part à l'électrode de drain de ladite structure NOS et d 'autre part A un premier générateur de courant constant, L'entrée inversée est reliée d'une part A l'électrode de source par l'intermédiaire d'une résistance et d'autre part A un second générateur de courant constant, et la sortie dudit premier amplificateur opérationnel est reliée A l'électrode de grille, l'électrodereliée au substrat de ladite structure étant A la masse. 3. Circuit de mesure automatique selon la revendication 1 ou la re vendication 2 caractérisé en ce que lesdits seconds 8oyes comprennent un second amplificateur opérationnel monté en soustracteur et effectuant la différence des tensions sur les électrodes de grille et de source de ladite structure NOS. 4. Circuit de mesure automatique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que ladite élect-rode de source est connectée A l'entrée horizontale d'un oscilloscope et reçoit une tension en dent de scie et en ce que la tension de sortie desdits seconds moyens est appliquée A I'entrée verticale dudit oscilloscope.