Brevet FR2642845A1 — publié le 19900810

PROCEDE ET APPAREIL DE MESURE DE CAPACITES DE FAIBLE VALEUR La présente invention concerne la mesure de capacités, ces capacités étant considérées ci-après comme constituées d'une capacité pure de valeur C en parallèle sur une résistance de forte valeur, de conductance G, ces capacités et résistances étant variables en fonction de la tension et de la fréquence qui leur sont appliquées. La présente invention vise plus particulièrement la mesure de capacités de l'ordre de quelques picofarads ou inférieu- res au picofarad à des fréquences pouvant varier dans un très lar- ge domaine, depuis des valeurs très faibles de l'ordre de quelques dixièmes de Hz jusqu'à des valeurs élevées de l'ordre de quelques liégaHlertz. Le problème de la mesure de telles capacités dans un tel spectre de fréquence se pose notamment pour la caractérisation des structures m&tal/isolant/semiconducteur (MOS et MIS). En parti- culier pour les circuits intégrés on peut déduire de la valeur des capacités grille-source, grille-drain ou grille-substrat d'un tranaistor MOS la qualité des -interfaces silicium/oxyde de sili- cium. A l'heure actuelle, étant donné que l'on n'arrive pas à mesurer rapidement et avec précision des capacités de valeurs aussi faibles que celles mentionnées ci-dessus et correspondant à des capacités de grtlle de transistors MOS, on est amené à prévoir sur des circuits intégrés des zones de test o des capacités de beaucoup plus grande valeur que celles d'un transistor réel sont formées et mesurées. Ensuite, on est obligé d'agir par extrapola- tion en utilisant un facteur d'échelle pour déterminer les capaci- tés de transistors réels. Ceci présente l'inconvénient que les valeurs obtenues pour les transistors réels ne sont pas nécessai- rement exactes, les facteurs d'échelle n'étant pas simples à dé- terminer. Un autre inconvénient est que cela exige de prévoir sur une plaquette de circuit intégré une zone de condensateur test de relativement grande surface pour atteindre des valeurs mesurables ce qui nuit aux exigences de miniaturisation des circuits intégrés. A l'heure actuelle, pour mesurer des capacités de très petites valeurs, on emploie généralement l'un ou l'autre de deux procédés. Le premier procédé consiste à insérer l'impédance incon- nue dans un pont de mesure et à déterminer sa valeur par équili- brage du- pont. Ce procédé, relativement précis, souffre de l'inconvénient d'être relativement long à mettre en oeuvre mrme avec des méthodes automatisées et, dans la gamme des appareils actuellement connus, il ne permet pas de mesurer avec une préci- sion et une rapidite suffisantes des capacités de valeur inférieu- re à la dizaine de picofarads. Un autre procédé de l'art antérieur, permettant des mesures beaucoup plus rapides consiste à appliquer au condensateur à mesurer une tension constituée de la somme d'une tension conti- nue et d'une tension sinusdidale de faible amplitude devant celle de la tension continue. Le courant dans la capacité (comprenant en fait, en parallèle, une capacité pure et une résistance de forte valeur) est détecté par un convertisseur tension-courant dont la sortie est reliée à un détecteur synchrone qui permet d'une façon bien connue de déterminer la variation d'amplitude et le déphasage du courant sinusdidal détecté par rapport à la tension appliquée. On peut en déduire directement la valeur de la capacité et de la résistance. Un inconvénient de ce procédé est que, en pratique, il s'avère peu précis à basse fréquence, notamment à des fréquences inférieures à la diza;ne de Hz et qu'un détecteur synchrone n'est en fait pas un dispositif très large bande mais un dispositif qui doit être largement modifié pour fonctionner à de très faibles (quelques dixièmes de Hz) ou de très fortes (quelques MHz) fré- quences. On arrive donc à des appareils couteux et peu précis. En outre, on notera qu'un système à détecteur synchrone ne fonctionne pas convenablement pour certaines valeurs particulières du dépha- sage. Ces limitations sont particulièrement gênantes dans le cas de la mesure de structures MOS quand Cw est très inférieur ou très supérieur à G (w étant 2n fois la fréquence d'analyse) et ceci en raison de la résolution insuffisante du déphasage (au mieux 0,10). Dans les procédés susmentionnés la tension continue appliquée se présente parfois sous la forme d'une tension len- tement variable, par exemple une tension triangulaire de grande amplitude. Pour toutes ces raisons, on recherche un nouvel appareil permettant de mesurer avec précision et rapideté la valeur de faibles capacités dans une large plage de fréquence. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de mesure d'une impedance comprenant l'association en parallèle d'une capacité de faible valeur et d'une résistance de faiDle conductance consistant à appliquer à cette impédance une tension continue et un petit signal de forme triangulaire, et à mesurer le courant en au moins deux points déterminés de chaque alternance du triangle pour déterminer la pente et la valeur à l'origine d'un segment de courant correspondant à cette alternan- ce, la pente correspondant à la conductance et la valeur à l'ori- gine correspondant à la capacité parallèle de l'impédance. Un appareil de mise en oeuvre de ce procédé comprend se- lon l'invention: - une source de tension continue réglable en amplitude, - une source de signal triangulaire de faible valeur de- vant le signal continu et réglable en fréquence, - un échantillon à mesurer recevant la soTnne des signaux des deus sources, - un convert[sseuiir courant-tension recevant le courant dans l'échantillon, un échantillonneur-bloqueur pour détecter et mémoriser des valeurs du signal de sortie du convertisseur, et - un circuit de commande pour commander l'échantil- lonneur-bloquetur en relation avec le passage du signal triansu- laire par deux valeurs déterminées lors de chaque alternance. Un avantage du procédé selon la présente invention est qu'il se prête à être mis en oeuvre par un appareillage parti- culièrement simple et fonctionnant sans difficulté dans une très large plage de fréquence. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposes plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure IA représente l'allure d'une tension appliquée selon la présente invention; la figure lB représente l'allure du courant correspon- dant à ladite tension; la figure 2 représente un schéma général sous forme de blocs d'un appareil selon un mode de réal[sation de la présente invention; et les figures 3A et 3B représentent l'allure des impédan- ces équivalentes à une capacité MOS et les capacité et conductance mesurées selon la présente invention. Coume l'illustre la figure 1A, la présente invention prévoit d'appliquer à un circuit élémentaire dont le schéma équivalent comprend en parallèle une capacité de valeur C et une résistance de conductance G une tension constituée de la super- position d'une tension continue et d'un signal triangulaire. Il en résulte que le courant a l'allure représentée en figure 13. Ce courant total a une valeur i(t) = C(dv/lt) + Gv. Si l'on pose v(t) = at (tanis que le signal triargu]a're est cro[ssant), on a i(t) = aC + Gat. Ainsi, la variation de i(t) pendant l'alternance considérée est repr6sentée par une ligne droite dont la pente fournit la conductance G et dont l'ordonnée à l'origine donne la capacité C. Dans l'autre moitié de la période, o v(t) = -at, on obtient une autre droite de pente négative, i(t) = - aC - Gat. Ainsi, à chaque alternance du courant, en mesurant deux points de cette alternance ayant une distance connue par rapport au début de l'alter;.ance, on peut détermIner la pente et l'ordon- née à l'origine à partir du début de l'alternance. L'expérience montre que l'on obtient des résultats particulièrement satis- faisants en combinant les résultats obtenus pour des alternances positives et négatives. Ce procédé conduit à des calculs très simples et l'appareillage pour le réaliser peut également être très simple commroe le montre l'exemple de la figure 2. Dans cette figure, la capacité à mesurer est illustrée dans un bloc 10. Ce bloc 10 reçoit sur l'une de ses bornes la sortie d'un additionneur ll recevant lui-même, d'une part, la sortie d'une source de tension continue 12, d'autre part, la sortie d'une source de signal trian- gulaire 13. La deuxième borne de l'échantellon 10 est connectée à l'entrée d'un convertisseur courant-tension 15 comprenant par exemple an amplificateur opérationnel 16 et une résistance de réaction 17. La première entrée de cet amplificateur opérationnel est connectée à la sortie de l'échantillon 10, la deuxième entrée est reliée à la masse et la sortie est reliée à la prenière entrée par la résistance'17. Ainsi, la première entrée 18 de l'amplifica- teur opérationnel constituera une masse virtuelle et l'on peut ef- fectivement considérer que l'échantillon 10 est relié entre la source de tension souhaitée et la masse. - La tension de sortie du convertisseur 15 est envoyée à un échant[Ilonneur bloqueur 20 qui mémorise et accumule les infor- mations de sortie du convertisseur recueillies à des instants donnés par une entrée de conoanle 21. Un contr81eur 3n assure, sous la commande d'un ordinateur 31 la synchronisation et la com--1 mande de l'ensemble du système. L'ordinataur 31 peut lui-même être par exemple relié à une imprimante 32 et à un traceur de courbe 33. TLe contrôleur 30 est relié à la source de tension triangulaire 13 par un bus bidirectionnel 35 pour permettre la détection du passage de la tension par deux valeurs déterminéas, par exemple les valeurs S1 et S2 correspondant aux instants T1 et T2 illustras en figures 1A et 13. En outre, le contrôleur 30 est relié à l'entrée de commande 21 de l'échantillonneur bloqueur 20 par une ligne 36 pour déterminer la prise d'échantillon aux instants T1 et T2 de chaque alternance du signal triangulaire. On a également représenté d'autres connexions du contrôleur 30 à savoir: une ligne 37 vers la source de tension continue 12 pour fixer son amplitude; une liaison 38 vers le convertisseur courant-tension 15 pour fixer son gain (par exemple en réglant la résistance 17); et une liaison 39 vers un convertisseur analo- gique/numérique 40 permettant de numériser les signaux de sortie de l'échantillonneur bloqueur 20 pour traitement par le contrôl8eur et l'ordinateur 31, la liaison entre le convertisseur analogi- que/nanmrique 40 et le contr81eur 30 étant assurée par un bus 41. On notera qu'un avantage du procédé selon la présente invention et d'un dispositif de mise en oeuvre tel qu'illustré en figure 2 est que ce dispositif se prête tout particulièrement à fonctionner sur une large plage de fréquences. En effet, un con- vertisseur courant-tension du type illustre ne présente pas avec les composants électroniques actuellement disponibles de problèmes particuliers de fonctionnement à des fréquences basses de l'ordre de 0,1 iz pas plus qu'à des fréquences élevées de l'ordre de quel- ques!'Hz. Il sera toutefois souhaitable de prévoir un réglage du gain qui varie avec la fréquence. De même, un échantillonneur blo- queur 20 est un dispositif qui fonctionne sans difficulté à haute et basse fréquence. C'est là un avantage important de la présente invention par rapport à la structure de l'art antérieur utilisant un détecteur synchrone qui, s'il est adapté à fonctionner à haute fréquence, fonctionnera difficilement à basse fréquence. Bien entendu, le dispositif de la figure 2 ne constitue qu'un exemple de dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention dont diverses variantes apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, au lieu de réaliser une mesure absolue de la valeur de la capacité et de la conductance de l'échantillon 10, on pourra placer en parallèle avec cet échantillon 10 un échantillon de référence dont les valeurs de capacité et de conductance sont connues et opérer par comparaison. La figure 3A représente un exemple d'échantillon que la présente invention permet de mesurer, à savoir la capacité grille- substrat (G-Sub) d'un transistor MOS. Cette capacité se présente physiquement sous la forme illustrée en figure 3A, et comprend une capacité série Co, reliée au montage en parallèle de deux capaci- tés CD et Cp et d'une conductance Gp, o: Cox: capacité de l'oxyde de grille CD: capacité de la zone déserte C: capacité relative aux états d'interface Gp: conductance relative aux états d'interface Selon l'invention, on mesure la capacité C et la conduc- tance G d'un échantillon correspondant au schéma équivalent illustré en figure 3B. C'est également ce type de mesure que l'on effectue quand on utilise une mesure par des signaux sinusodidaux et une détection synchrone. Il importe, à partir des valeurs de G et C de remonter en particulier aux valeurs de Gp et Cp dont la variation avec la tension de grille du transistor et la fréquence caractérisent des paramètres d'un transistor 1{OS. On notera que les règles mathématiques permettant de passer de G et C à Gp et Cp diffèrent dans le cas o on utilise des signaux sinusdidaux et dans le cas o on utilise des signaux de forne triangulaire selon l'invention. En d'autres termes, les valeurs de G et de C que l'on mesure selon l'invention ne sont pas identiques à celles que l'on mesure dans le cas d'application de signaux harmoniques mais on pourra néanmoins de façon équivalente remonter aux mêmes valeurs de Gp et Cp en utilisant bien entendu des équations différentes. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'une impédance comprenant l'asso- ciation en parallèle d'une capacité de faible valeur et d'une ré- sistance de faible conductance consistant à appliquer à cette impédance une tension continue et un petit signal d'amplitude va- riable, caractérisé en ce que: le petit signal est de forme triangulaire, le courant en au moins deux points déterminés de chaque alternance du triangle est mesuré pour déterminer la pente et la valeur à l'origine d'un segment de courant correspondant à cette alternance, ladite pente correspondant à la conductance et ladite valeur à l'origine correspondant à la capacité parallèle de l'impédance. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures de courant sont répétées sur un grand nombre de périodes du signal triangulaire et moyennées. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est alternativement appliqué à une impédance inconnue et à une impédance de référence. 4. Appareil de mesure d'une Impédance comprenant: - une source de tension continue (12) réglable en ampli- tude, - une source de signal alternatif (13) de faible valeur devant le signal continu et réglable en fréquence, - un échantillon à mesurer (10) recevant la sonnmme des signaux des deux sources, - un convertisseur courant-tension (15) recevant le courant traversant l'échantillon, caractérisé en ce que la source du signal alternatif est une source de signal triangulaire et en ce qu'il comprend en outre: - un échantillonneur-bloqueur (20) pour détecter et mémoriser des valeurs du signal de sortie du convertisseur, - un circuit de commande (30) pour comnander l'échantil- lonneur-bloqueur en relation avec le passage du signal triangu- laire par deux valeurs déterminées lors de chaque alternance. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contrôleur comprend en outre des moyens (35, 38) pour modifier la fréquence du signal triangulaire et pour modifier corrélativement le gain du convertisseur.