Brevet FR2674636A1 — publié le 19921002

I PROCEDE ET DISPOSITIF DE QUALIFICATION D'UN SYSTEME CAPACITIF. Description La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de qualification d'un système capacitif: simple composant, circuit électrique, circuit électronique semi-conducteur ou non Elle s'applique notamment à des mesures de "durée de vie" ou bien à des mesures de qualification spectroscopique dans le cadre d'un système capacitif semi-conducteur. Un procédé et un dispositif pour la qualification d'un système capacitif sont décrits dans un article rédigé par R F Pierret et W Small, paru dans la revue IEEE Transactions on electrons Devices,en Novembre 1975, vol 3, pp 1051-1052 On applique au système à tester une première tension de polarisation V 1 de manière à mettre le système capacitif en régime d'accumulation Puis on applique une seconde tension de polarisation V 2 de manière à mettre le système capacitif en régime de désertion (ou déplétion) Le changement de tension de polarisation provoque une variation de la valeur capacitive du système testé; celle-ci passe de C 1 à C 2. Si la tension de polarisation, après son passage de V 1 à V 2 est maintenue constante, la capacité évolue progressivement vers une valeur d'équilibre C 3. Conformément au procédé décrit dans cet article, on asservit la tension de polarisation de manière à maintenir la valeur de la capacité constante à la valeur C 2 La mesure de la variation de la tension de polarisation permet de caractériser le système capacitif en déduisant la "durée de vie", par exemple. Un capacimètre permet la mesure de la capacité du système capacitif Préalablement au test de qualification, un opérateur mesure la valeur C 2 de la capacité en régime de déplétion qui va servir ensuite de consigne pour l'asservissement. Pour effectuer le test, la valeur de consigne est réglée manuellement La mesure effectuée par le capacimètre au cours du temps est comparée à la valeur de consigne pour régler l'asservissement de la tension de polarisation. Ce procédé est peu précis sur le début du cycle de mesure; il ne permet pas d'effectuer des tests dans le cas o la variation de la tension d'aservissement en fonction du temps est rapide (supérieure ou égale à 5 V/s). En effet, dans ce cas, le système capacitif demeure très peu en régime de désertion (pendant une durée très inférieure à une seconde) La valeur de la capacité servant de consigne est relevée visuellement après un premier passage de la capacité en régime de désertion, d'o l'imprécision. L'invention remédie à cet inconvénient: la mesure de la valeur de la capacité en régime de déplétion, qui sert de valeur de consigne, est effectuée automatiquement pendant le cycle de test Cela permet une mesure de la valeur C 2 d'autant plus précise qu'elle est rapide, ce qui autorise la réalisation des tests de qualification même en cas de variation rapide. L'invention concerne donc un procédé de qualification d'un système capacitif consistant à: a) pendant une première période, appliquer une première tension V 1 de polarisation au système capacitif à qualifier, cette tension V 1 mettant le système capacitif dans un régime initial avec une valeur capacitive donnée C 1, b) pendant une seconde période, appliquer une seconde tension V 2 de polarisation au système capacitif à qualifier, cette tension V 2 mettant le système capacitif en régime de désertion avec une valeur capacitive donnée C 2, c) pendant une troisième période, appliquer au système capacitif une tension d'asservissement additionnée à la tension V 2 de manière à maintenir le système capacitif en régime de désertion avec la valeur capacitive C 2, d) mesurer la tension d'asservissement dont la variation temporelle permet la qualification désirée du système capacitif, caractérisé en ce que: e) au moins à partir de la seconde période, on mesure continuement une tension correspondant à une valeur capacitive du système à qualifier, f) à partir d'un instant prédéterminé durant la seconde période, on enregistre la tension correspondant à la valeur capacitive C 2, cette tension servant de tension de consigne, la tension d'asservissement étant proportionnelle à une différence entre la tension de consigne et la tension correspondant à la valeur capacitive mesurée pendant la troisième période. L'étape e) peut aussi démarrer au cours de la première période pour avoir la valeur de C 1. Le facteur de proportionalité de la tension d'asservissement est liée aux moyens électroniques utilisés pour mettre en oeuvre le procédé Le régime initial peut être un régime d'accumulation ou un régime d'inversion par exemple dans le cadre d'un dispositif semi-conducteur MIS. Selon une variante du procédé, l'enregistrement de la tension de consigne est effectué après une détection d'une variation brutale de la valeur capacitive allant des valeurs C 1 à C 2. Selon une autre variante du procédé, l'enregistrement de la tension de consigne est effectué à partir d'un instant prédéterminé compté à partir du début de la seconde période. Que ce soit dans l'une ou l'autre des variantes précédentes, la temporisation introduite permet d'enregistrer une tension correspondant à une va Leur stabilisée de la capacité en régime de désertion et de ne pas tenir compte des comportements intermédiaires. De manière avantageuse, l'enregistrement de La tension de consigne consiste en un échantillonnage pendant une durée déterminée de la tension correspondant à La valeur capacitive et en une mémorisation sous forme numérique de la tension échantillonnée. L'enregistrement de la tension de consigne sous forme numérique permet de minimiser les fluctuations apparaissant éventuellement sur la valeur de cette tension et de conserver une valeur fiable tout au long du test. La présente invention concerne aussi un dispositif automatique de qualification d'un système capacitif comprenant: un capacimètre apte à délivrer une tension de polarisation entre des bornes reliées au système capacitif et sur une sortie un signal continu proportionnel à une valeur capacitive mesurée entre ses bornes, un générateur de tension commandable et asservi, connecté par une entrée à La sortie du capacimètre, ce générateur de tension étant apte à délivrer: sur une première sortie connectée à une entrée du capacimètre: pendant une première période, une tension Vl de valeur prédéterminée, pendant une seconde période, une tension V 2 de valeur prédéterminée, pendant une troisième période, une tension d'asservissement additionnée à la tension V 2, cette tension d'asservissement étant proportionnelle à une différence entre une tension de consigne et une tension correspondant à une valeur capacitive mesurée par le capacimètre pendant cette troisième période, sur une seconde sortie, la tension d'asservissement seule, des moyens d'enregistrement commandab Les reliés à la sortie du capacimètre et aptes à enregistrer et délivrer sur une sortie connectée à une entrée du générateur de tension, La tension de consigne correspondant à une valeur capacitive mesurée pendant la seconde période, des moyens de mesure de tension commandables connectés en entrée à la sortie du capacimètre d'une part et à la seconde sortie du générateur de tension d'autre part et aptes à délivrer, à volonté, une tension correspondant à une valeur capacitive mesurée au moins à partir de la seconde période et la tension d'asservissement, des moyens de commande comprenant une horloge et connectés au générateur de tension aux moyens d'enregistrement et aux moyens de mesure de tension. On entend par mesure de tension correspondant à une valeur capacitive non pas une lecture de cette valeur mais l'envoi de cette tension aux moyens de mesure de tension, aux moyens d'enregistrement et au générateur de tension. Selon une variante du procédé et du dispositif de l'invention, pour s'assurer que la capacité du système à qualifier demeure bien en régime de désertion pendant la troisième période, on saisit la tension correspondant à cette valeur capacitive par Les moyens de commande via Les moyens de mesure de tension et Le capacimètre. De manière avantageuse, les moyens d'enregistrement comprennent: des moyens d'échantil Lonnage commandables connectés en sortie du capacimètre et aptes à effectuer un échantillonnage de la tension correspondant à une valeur capacitive déLivrée en sortie du capacimètre, un convertisseur analogique/numérique commandable relié en entrée à une sortie des moyens d'échantillonnage, des moyens de mémorisation commandables connectés en entrée à une sortie du convertisseur analogique/numérique, un convertisseur numérique/analogique connecté par une entrée à une sortie des moyens de mémorisation. Le convertisseur numérique/analogique peut être commandable ou non suivant les moyens utilisés pour réaliser ce convertisseur On entend par ailleurs par moyens commandables, des moyens commandés par les moyens de commande et donc reliés à ces derniers. Selon une variante de réalisation, les moyens d'enregistrement comprennent des moyens de déclenchement connectés en sortie du capacimètre et aptes à détecter une variation brutale de la valeur capacitive mesurée par le capacimètre, à délivrer à la suite de cette détection un signal de déclenchement sur une sortie reliée à une entrée des moyens de commande. Selon une variante de réalisation, les moyens de déclenchement comprennent un dérivateur. De manière avantageuse, le générateur de tension comprend: une source de tension commandable apte à délivrer successivement les tensions V 1 et V 2 sur une sortie, un amplificateur différentiel relié par une première entrée à la sortie du capacimètre et par une seconde entrée à la sortie des moyens d'enregistrement, un interrupteur commandable relié à une sortie de l'amplificateur différentiel, un sommateur connecté par une première entrée à L'interrupteur et par une seconde entrée à la source de tension. Les moyens de commande peuvent être soit intégrés avec les autres éléments du dispositif dans un ensemble, soit faire partie d'un ensemble annexe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention, la figure 2 représente schématiquement des moyens d'enregistrement conformes à l'invention, la figure 3 représente schématiquement un générateur de tension conforme à l'invention, la figure 4 représente schématiquement le chronogramme des différentes tensions intervenant dans la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'invention. En référence à la figure 1, on décrit maintenant un dispositif conforme à l'invention Un capacimètre 10, par exemple du type de ceux commercialisés par la Société Boonton sous la référence 72 B, est connecté par des bornes A et B au système capacitif 12 à tester Le capacimètre 10 applique une tension de polarisation réglable entre ses bornes. Il délivre sur une sortie une tension correspondant à la valeur capacitive mesurée. Un générateur de tension 14, commandable et asservi, connecté par une entrée à la sortie du capacimètre 10 délivre sur une première sortie connectée à une entrée du capacimètre 10 la tension de polarisation qui est recopiée entre les bornes du capacimètre 10. Comme on peut le voir sur la figure 4, partie a, la tension de polarisation V(t) varie au cours du temps. Pendant une première période allant de tl à t 2, la tension de polarisation prend une valeur V 1 apte à mettre le système capacitif 12 en régime initial qui peut être par exemple un régime d'accumulation représenté sur la figure 4 ou un régime d'inversion. Pendant une seconde période allant de t 2 à t 7, la tension de polarisation prend une valeur V 2 apte à mettre le système capacitif 12 en régime de désertion. Pendant une troisième période allant de t 7 à t 8, la tension de polarisation prend une valeur qui varie au cours du temps de manière à conserver le système capacitif 12 en régime de désertion Cette dernière tension de polarisation est constituée d'une tension d'asservissement VA(t) additionnée à V 2. Le générateur de tension 14 délivre sur une seconde sortie la tension d'asservissement seule. Les variations de cette dernière sont représentées sur la figure 4, partie g. La figure 4, partie b, représente schématiquement les variations de la capacité du système capacitif 12 au cours des trois périodes précédentes. Entre tl et t 2, la capacité prend la valeur C 1 représentative du régime initial qui peut être par exemple l'accumulation ou l'inversion dans le cas d'un système capacitif semi-conducteur MIS. A partir de t 2, instant marquant le passage de la tension de polarisation de V 1 à V 2, et jusqu'à un temps t 4, la capacité est en régime transitoire. De t 4 à t 7, elle prend la valeur C 2 représentative d'un état du régime de désertion. Après t 7, grâce à l'asservissement de la tension de polarisation, la capacité est maintenue constante à la valeur C 2 avec une précision inférieur ou égale à 0,1 %. Des moyens d'enregistrement commandables 16 sont reliés d'une part, par une entrée à la sortie du capacimètre 10 et d'autre part, par une sortie à une entrée du génénérateur de tension 14 Ils enregistrent à partir d'un instant prédéterminé de la seconde période la tension correspondant à la valeur capacitive pendant le régime de désertion et délivrent cette valeur à volonté sur la sortie (cette tension servant de tension de consigne, comme on le verra ultérieurement). Des moyens de mesure de tension tels qu'un voltmètre 18 sont reliés par une première entrée à la sortie du capacimètre 10 et par une seconde entrée à la seconde sortie du générateur de tension 14 Il délivre à volonté sur une sortie la valeur de la tension d'enregistrement et celle délivrée par le capacimètre Ces valeurs permettent de qualifier le système capacitif 12, par exemple en déduisant la durée de vie ou toute autre caractéristique Des moyens de commande 20 comprenant une horloge 20 a gèrent et commandent le fonctionnement du générateur de tension 14, les moyens d'asservissement 16 et le voltmètre 18 Ils peuvent être constitués par un processeur. Ce dernier peut être relié à un terminal 22 permettant un contrôle extérieur ainsi qu'à une imprimante 24. Les moyens de commande 20 sont aussi reliés à une mémoire 26 o est enregistré le résultat des diférentes mesures. La figure 2 représente schématiquement un exemple de moyens d'enregistrement 16 conformes à l'invention Ceux-ci comprennent un échantillonneur-bloqueur 160 échantillonnant, sous la commande du processeur 20 et pendant une durée déterminée par exemple de l'ordre de quelques ms, la tension correspondant à la valeur capacitive mesurée par le capacimètre 10. La tension échantillonnée, analogique, est convertie en une valeur numérique par un convertisseur analogique/numérique 162 commandé par le processeur 20 La valeur numérique est enregistrée sous la commande du processeur 20 dans une mémoire 26 a qui peut être un plan-mémoire de la mémoire 26 ou une mémoire annexe. L'enregistrement en mémoire de la valeur numérique correspondant à la tension échantillonnée, garantit la fiabilité de cette valeur et permet d'éviter les dérives intervenant lors d'un enregistrement analogique. La tension enregistrée sert de tension de consigne pour l'asservissement Elle est délivrée (par l'intermédiaire du processeur 20) à l'entrée d'un convertisseur numérique/analogique 164 La valeur analogique est délivrée en sortie des moyens d'enregistrement sur une entrée du générateur de tension asservi 14. Selon une première variante de réalisation, la commande de l'échantillonnage est déclenchée par un signal de déclenchement délivré par des moyens de déclenchement Ces derniers sont réalisés par un dérivateur 166 connecté en entrée à la sortie du capacimètre 10 et en sortie au processeur 20 Ce 1 1 dérivateur détecte une variation brutale de la tension correspondant à la valeur capacitive et déLivre une impulsion de tension servant de signal de déclenchement. La figure 4, partie c, représente schématiquement l'impulsion de tension Det(t) qui apparait à l'instant t 3 pendant le régime transitoire (entre les instants t 2 et t 4) du système capacitif. Comme on peut le voir sur la figure 4, partie d, représentant la commande d'échantillonnage Ech(t) déLivrée par le processeur 20, l'échantillonnage débute à l'instant t 4 après une durée prédéterminée (prenant en compte le temps de réponse du capacimètre) suivant l'instant t 3 d'apparition du signal de déclenchement. Cette temporisation est telle que L'échantillonnage est effectué entre les instants t 4 et t 5 durant la période o le système capacitif est en régime de désertion et hors du régime transitoire, ce qui garantit la valeur de la tension servant de consigne pour l'asservissement. Selon une autre variante de réalisation des moyens d'enregistrement, le processeur 20 commande L'échantillonnage à un instant déterminé après la commande du changement de tension de polarisation faisant passer le système capacitif du régime initial d'accumulation au régime de désertion De même que précédemment, la temporisation permet de déclencher l'échantillonnage lorsque le régime de désertion est stabilisé. L'échantillonnage terminé, le processeur 20 commande (signal Con(t), fig 4, partie e) les conversions analogique/numérique et numérique/analogique. La figure 3 représente schématiquement un générateur de tension 14 Ce dernier comporte une source de tension commandab Le 140 connectée au processeur 20 Cette source de tension 140 est apte à délivrer successivement (sous La commande du processeur 20) la tension V 1 permettant de mettre le système capacitif 12 en régime initial d'accumulation et la tension V 2 permettant de mettre le système capacitif 12 en régime de désertion. La nature du système capacitif détermine la valeur et le signe des tensions V 1 et V 2. L'Homme du métier connait ou sait déterminer la valeur et le signe des tensions V 1 et V 2 V 1et V 2 sont déterminés, par exemple pour un système capacitif semi-conducteur MIS, à partir d'une autre caractérisation appelée C(V) (variation de la capacité en fonction de la tension de polarisation qui est appliquée à ses bornes) Cette caractérisation permet de déterminer une tension V 1 qui place la capacité dans un régime initial, qui peut être par exemple l'accumulation ou l'inversion, et une tension V 2 qui place la capacité en régime de désertion A titre d'exemple, pour un dispositif semi-conducteur de type N, la tension V 1 correspondant au régime initial est positive si le régime est l'accumulation, et négative mais supérieure à V 2 si le régime est l'inversion; la tension V 2 est négative C'est l'inverse pour un dispositif de type P. Le générateur de tension 14 produit aussi la tension d'asservissement VA(t) (fig 4, partie g). Cette dernière est proportionnelle à la différence, effectuée par l'amplificateur différentiel 146, entre la tension déLivrée par le capacimètre 10 et la tension de consigne délivrée par les moyens d'enregistrement 16 Des moyens de commutation 148 permettent, sous la commande du processeur 20, de connecter les sorties du capacimètre 10 et des moyens d'enregistrement 16 aux entrées + et de l'amplificateur différentiel, suivant le signe de la polarisation V 2 du système capacitif 12. Un interrupteur 144, commandé par le processeur 20, est connecté en sortie de l'amplificateur différentiel 146 L'interrupteur 144 est par ailleurs relié à une première entrée d'un sommateur 142 Une seconde entrée du sommateur 142 est connectée à la sortie de la source de tension 140. La figure 4, partie f, représente schématiquement le signal Ass(t) de commande de l'interrupteur 144 délivré par le processeur 20. Jusqu'à l'instant t 7, l'interrupteur 144 est ouvert et le sommateur 142 délivre sur sa sortie les tensions V 1 et V 2 successivement. L'interrupteur 144 est fermé à partir de t 7 et le sommateur 142 délivre sur sa sortie la tension V 2 provenant de 140 additionnée à la tension d'asservissement VA provenant de 146. La sortie du sommateur 142 est connectée à l'entrée du capacimètre 10 et lui fournit les différentes tensions de polarisation. La tension d'asservissement est aussi délivrée sur une sortie du générateur de tension 14 connectée au voltmètre 18. Le voltmètre délivre le résultat de ces mesures au processeur 20 pour traitement Par exemple, la "durée de vie" d'un dispositif semi-conducteur peut être déterminée à partir de la pente de VA(t). La mesure est arrêtée par le processeur 20 lorsque la tension d'asservissement VA(t) prend une valeur V 3 déterminée ou bien à un instant t 8 déterminé La troisième période allant de t 7 à t 8 pendant laquelle la mesure est effectuée peut durer de quelques secondes à quelques heures alors que la seconde période allant de t 2 à t 7 dure de l'ordre de quelques millisecondes. Revendications 1 Procédé de qualification d'un système capacitif consistant à: a) pendant une première période, appliquer une première tension V 1 de polarisation au système capacitif ( 12) à qualifier, cette tension V 1 mettant le système capacitif ( 12) dans un régime initial avec une valeur capacitive C 1 donnée, b) pendant une seconde période, appliquer une seconde tension V 2 de polarisation au système capacitif ( 12) à qualifier, cette tension V 2 mettant le système capacitif ( 12) en régime de désertion avec une valeur capacitive donnée C 2, c) pendant une troisième période, appliquer au système capacitif ( 12) une tension d'asservissement additionnée à la tension V 2 de manière à maintenir le système capacitif ( 12) en régime de désertion avec la valeur C 2, d) mesurer la tension d'asservissement dont la variation temporelle permet la qualification désirée du système capacitif, caractérisé en ce que: e) au moins à partir de la seconde période, on mesure continûment une tension correspondant à une valeur capacitive du système à qualifier, f) à partir d'un instant prédéterminé durant la seconde période, on enregistre la tension correspondant à la valeur capacitive C 2, cette tension servant de tension de consigne, la tension d'asservissement étant proportionnelle à une différence entre la tension de consigne et la tension correspondant à la valeur capacitive mesurée pendant la troisième période. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enregistrement de la tension de consigne est effectué après une détection d'une variation brutale de la valeur capacitive allant des valeurs C 1 à C 2. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enregistrement de la tension de consigne est effectué à partir d'un instant prédéterminé compté à partir du début de la seconde période. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enregistrement de la tension de consigne consiste en un échantil Lonnage pendant une durée déterminée de la tension correspondant à la va Leur capacitive et en une mémorisation sous forme numérique de la tension échantillonnée. 5 Dispositif automatique de qualification d'un système capacitif, caractérisé en ce qu'il comprend: un capacimètre ( 10) apte à délivrer une tension de polarisation entre des bornes (A, B) et sur une sortie un signal continu proportionnel à une valeur capacitive mesurée entre ses bornes, un générateur de tension ( 14) commandable et asservi, connecté par une entrée à la sortie du capacimètre ( 10), ce générateur de tension ( 14) étant apte à déLivrer: sur une première sortie connectée à une entrée du capacimètre ( 10): pendant une première période, une tension V 1 de valeur prédéterminée, pendant une seconde période, une tension V 2 de valeur prédéterminée, pendant une troisième période, une tension d'asservissement additionnée à la tension V 2, cette tension d'asservissement étant proportionnelle à une différence entre une tension de consigne et une tension correspondant à une valeur capacitive mesurée par le capacimètre pendant la troisième période, sur une seconde sortie, la tension d'asservissement seule, des moyens d'enregistrement ( 16) commandables reliés à la sortie du capacimètre ( 10) et aptes à enregistrer et délivrer sur une sortie connectée à une entrée du générateur de tension ( 14), la tension de consigne correspondant à une valeur capacitive mesurée pendant la seconde période, des moyens de mesure de tension commandables ( 18) connectés en entrée à la sortie du capacimètre ( 10) d'une part et à la seconde sortie du générateur de tension ( 14) d'autre part et apte à délivrer, à volonté, une tension correspondant à une valeur capacitive mesurée au moins à partir de la seconde période et la tension d'asservissement, des moyens de commande ( 20) comprenant une horloge et connectés au générateur de tension, aux moyens d'enregistrement et aux moyens de mesure de tension. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'enregistrement ( 16) comprennent: des moyens d'échantillonnage ( 160) commandables connectés en sortie du capacimètre ( 10) et aptes à effectuer un échantillonnage de la tension correspondant à une valeur capacitive délivrée en sortie du capacimètre, un convertisseur analogique/numérique ( 162) commandable relié en entrée à une sortie des moyens d'échantillonnage, des moyens de mémorisation ( 26 a) connectés en entrée à une sortie du convertisseur analogique/numérique, un convertisseur numérique/analogique ( 164) connecté par une entrée à une sortie des moyens de mémorisation ( 26 a). 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'enregistrement ( 16) comprennent des moyens de déclenchement ( 166) connectés en sortie du capacimètre ( 10) et aptes à détecter une variation brutale de la valeur capacitive mesurée par le capacimètre ( 10), à délivrer à la suite de cette détection un signal de déclenchement sur une sortie reliée à une entrée des moyens de commande ( 20). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de déclenchement ( 166) comprennent un dérivateur. 9 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le générateur de tension ( 14) comprend: une source de tension ( 140) commandable apte à délivrer successivement les tensions V 1 et V 2 sur une sortie, un amplificateur différentiel ( 146) relié par une première entrée à la sortie du capacimètre ( 10) et par une seconde entrée à la sortie des moyens d'enregistrement ( 16), un interrupteur ( 144) commandable relié à une sortie de l'amplificateur différentiel ( 146), un sommateur ( 142) connecté par une première entrée à l'interrupteur ( 144) et par une seconde entrée à la source de tension ( 140).