一种电介质薄膜电学性质测量系统的制作方法

本发明涉及纳米材料测量技术领域，尤其涉及一种电介质薄膜电学性质测量系统。

背景技术：

在半导体工艺中经常需要用到电介质薄膜。在电介质薄膜的研究与应用中，经常需要测试和掌握电介质薄膜的漏电流特性，即电压-电流特性曲线。然而，在通常的电介质薄膜电压-电流中，由于其高绝缘特性，大多数电介质薄膜的漏电流极其微弱，一般为数十fa(10^-15a)至数十pa(10^-12a)，对于杂质含量高、绝缘性很差的电介质薄膜，其漏电流一般也仅仅为na(10^-9a)量级。

对于这样的微弱电流信号，测量电流无法直接进行测量，必须首先将微弱电流信号转换、放大为nv(10^-9v)至μv(10^-6v)量级的微弱电压信号，然后再对该微弱电压信号进一步放大、测量。在各种测量电路中，运算放大器往往是放大电路的核心。实际的运算放大器具有多种技术指标。

在理想的运算放大器中，当运放输入的电压的为0时，输出的电压也应该为0，但实际中往往不是这样的，所以输入失调电压(vos)的含义是为了让运放输出端达到0v，需要在两个输入端之间所加的补偿电压。vos的极性是随机的，vos的典型值低于10mv。失调电压与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入失调电压在±1～10mv之间；采用场效应管做输入级的，输入失调电压会更大一些。输入失调电压对于小信号的处理是非常紧要的。

理想的运放输入阻抗无穷大，因此不会有电流流入输入端，一般情况下，cmos和jfet的偏置电流比双极性的都要小，输入偏置电流一般无需考虑。但在极微弱信号的放大电路中，其输入偏置电流的值往往远大于待测信号本身的值。

此外，运算放大器还有输入失调电流，这个电流流到外面电阻，即使是kω量级的，也会产生几十μv的失调电压，再经放大，很容易就会使输出的电压误差到mv级。

此外，各种电噪声和干扰也无法回避。实际运算放大器的输入失调电压、输入偏置电流、各种电噪声和干扰往往远大于电介质薄膜中的漏电流，电介质薄膜中的漏电流被淹没在这些非正常的信号中，在各级放大电路中，待测电流被放大的同时，各种干扰、噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，这些因素使得电介质薄膜的漏电流的测量困难重重。即使采用性能优异的商业的运算放大器搭建信号放大电路，想要准确测量电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线，常规结构的放大电路也是无能为力。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种电介质薄膜电学性质测量系统，可准确测量电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种电介质薄膜电学性质测量系统，包括探针台、电学测试装置和计算机；

探针台包括样品台、光学显微镜、两个xyz三向探针移动台、两根导电测试探针，所述xyz三向探针移动台包括有探针夹持器和xyz三向精密移动机构，所述探针夹持器用于夹持和固定探针，所述xyz三向探针移动台用于实现在x、y、z三个方向调节探针的位置；所述样品台用于放置电介质薄膜样品；两根导电测试探针用于电性连接至电介质薄膜样品上的两个电极；所述光学显微镜用于观察导电测试探针针尖的位置并准确移动和可靠接触至电介质薄膜样品上的两个电极；

电学测试装置包括：程序控制电压信号源、跨阻放大器、电流测量装置、计算机接口电路、a/d转换器、同轴电缆，所述程序控制电压信号源由计算机通过计算机接口电路控制生成和输出测试电压信号，跨阻放大器用于放大经过电介质薄膜样品的微弱电流，跨阻放大器前端依次通过同轴电缆、探针电性连接至电介质薄膜样品上的电极，跨阻放大器后端电性连接至电流测量装置；电流测量装置用于测量经过电介质薄膜样品的微弱电流，通过a/d转换器将模拟测量结果转换为数字测量结果，并将数字测量结果通过电学测试装置的计算机接口电路反馈至计算机；

所述计算机用于控制电学测试装置，并接收和记录电学测试装置回传的测量数据。

所述跨阻放大器，包括有：前置跨阻放大器、中间电压放大器、后端电压放大器，所述前置跨阻放大器，其特征在于：包括有两个cmos运算放大器、四个mos场效应管、四个cmos反相器、六个电阻、两个电容；

其中，第一mos场效应管、第一反馈电阻、第二mos场效应管、第一电阻、第二反馈电阻依次串联，第一mos场效应管的漏极电性连接至输入信号源，第一mos场效应管与第一反馈电阻的共同连接端电连接至第一运算放大器的反相输入端，第一反馈电阻与第二mos场效应管的共同连接端电连接至第一运算放大器的输出端，第二mos场效应管与第一电阻的共同连接端与地端之间电连接有第一电容，第一电阻与第二反馈电阻的共同连接端电连接至第二运算放大器的反相输入端，第二反馈电阻的另一端电连接至第二运算放大器的输出端；第三mos场效应管的源极电性连接至输入信号源、漏极电性连接至地端；第三电阻电性连接在第一运算放大器的同相输入端与地端之间；第四mos场效应管、第二电阻、第三反馈电阻依次串联，第四mos场效应管的源极电性连接至第一运算放大器的输出端，第三反馈电阻的另一端电性连接至地端；第四mos场效应管与第二电阻的共同连接端与地端之间电连接有第二电容；第二电阻与第三反馈电阻的共同连接端电连接至第二运算放大器的同相输入端；第三mos场效应管的栅极电性连接至外部时钟信号输入端，外部时钟信号输入端还电性连接有第一cmos反相器，第一cmos反相器的输出端电性连接至第一mos场效应管的栅极和第二cmos反相器的输入端，第二cmos反相器的输出端电性连接至第三cmos反相器的输入端，第三cmos反相器的输出端电性连接至第四cmos反相器的输入端和第二mos场效应管的栅极，第四cmos反相器的输出端电性连接至第四mos场效应管的栅极；第二运算放大器的输出端电性连接至中间电压放大器的输入端；

所述外部时钟信号的频率为mhz量级，优选地，外部时钟信号的频率为1-100mhz，更优选地，外部时钟信号的频率为10-100mhz；依据我们的电路仿真结果发现，外部时钟信号的频率过低时，难以有效消除各种失调信号和噪声信号；外部时钟信号的频率过高时，会给后面的电路带来额外的数字化噪声，并且各个mos管在超高频下开关特性变差，过渡效应明显，信号输出开始明显偏离理想状态；采用超高频的mos管可以在一定程度上克服上述问题，但会明显增加成本。综合、地考虑，更优选的外部时钟信号的频率为10-100mhz。

四个mos场效应管工作于开关状态，其开关状态受控于外部时钟信号；其中，在不考虑各反相器传输时延的情况下，第一mos场效应管和第二mos场效应管同时开或关，第三mos场效应管和第四mos场效应管同时关或开，并且，第一mos场效应管和第二mos场效应管的开关状态，与第三mos场效应管和第四mos场效应管的开关状态总是相反，即第一mos场效应管和第二mos场效应管处于导通低阻状态时，第三mos场效应管和第四mos场效应管则均处于截止状态，反之亦然。

从理想状态而言，第二cmos反相器、第三cmos反相器、第四cmos反相器不是必需的、可以省略的，然而，在本发明中，为了更好地实现信号放大的保真性，特意引入了第二cmos反相器、第三cmos反相器、第四cmos反相器。由于实际的运算放大器在工作时，电信号通过其内部放大电路后，运算放大器的输出端和输入端之间总会存在微小的相位差。本发明中利用了实际的cmos反相器的工作时的过渡特性，即实际的cmos反相器的输出端与输入端也会存在微小的相位差，本发明中通过额外插入冗余的cmos反相器以此来实现与运输放大器的输入输出端之间的微小相位差的匹配，从而避免第二mos场效应管和第四场效应管的开关动作不完全匹配第一运算放大器响应速度的问题。可选地，第二cmos反相器、第三cmos反相器之间还可以增加2n个串联的cmos反相器，n为正整数，n的取值由第一运算放大器的实际响应速度来决定。

可选地，所述电学测试装置的计算机接口电路为gpib(general-purposeinterfacebus，gpib)接口电路，或bnc(bayonetnutconnector，bnc)接口电路，或usb(universalserialbus，usb)接口电路。

在现有技术中，尚未见到任何证据表明存在与本发明相同或相似的设计，即采用冗余的cmos反相器来匹配运算放大器响应速度。由于现有技术中并未有采用类似本发明的前置跨阻放大器，因此本领域技术人员也就不存在在这样的前置跨阻放大器中采用冗余的cmos反相器来匹配运算放大器响应速度的改进动机。

此外，额外增加的cmos反相器还进一步增强了外部时钟脉冲的驱动能力，确保第二mos场效应管和第四场效应管可靠、迅速地开与关。

采用本发明的前置放大电路，通过高频开关电路将放大电路按时间片轮切为两路，再通过减法电路复而为一，利用这种方式有效地从信号源中过滤掉了干扰信号，尽可能地提取、放大有用的待测信号，提高了信噪比(snr)，有效地抑制了噪声，准确地测量得到了电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线。

附图说明：

图1：本发明的电介质薄膜电学性质测量系统示意图；

图2：本发明的电学测试装置2中的前置跨阻放大器。

具体实施方式

为便于理解本发明，下面结合实例来具体介绍本发明的技术方案。

如图1所示，一种电介质薄膜电学性质测量系统，包括探针台1、电学测试装置2和计算机3；

探针台包括样品台、光学显微镜、两个xyz三向探针移动台、两根导电测试探针，所述xyz三向探针移动台包括有探针夹持器和xyz三向精密移动机构，所述探针夹持器用于夹持和固定探针，所述xyz三向探针移动台用于实现在x、y、z三个方向调节探针的位置；所述样品台用于放置电介质薄膜样品；两根导电测试探针用于电性连接至薄膜样品的两个电极；所述电介质薄膜，例如：al2o3、zro2、tio2薄膜；

电学测试装置包括：程序控制电压信号源、跨阻放大器、电流测量装置、计算机接口电路、a/d转换器、同轴电缆，所述程序控制电压信号源由计算机通过计算机接口电路控制生成和输出测试电压信号，跨阻放大器用于放大经过薄膜样品的微弱电流，跨阻放大器前端依次通过同轴电缆、探针电性连接至薄膜样品的电极，跨阻放大器后端电性连接至电流测量装置；电流测量装置用于测量经过薄膜样品的微弱电流，通过a/d转换器将模拟测量结果转换为数字测量结果，并将数字测量结果通过计算机接口电路反馈至计算机；

所述跨阻放大器，包括有：前置跨阻放大器、中间电压放大器、后端电压放大器。

如图2所示，所述前置跨阻放大器，包括有两个cmos运算放大器、四个mos场效应管、四个cmos反相器、六个电阻、两个电容；

其中，第一mos场效应管t1、第一反馈电阻rf1、第二mos场效应管t2、第一电阻r1、第二反馈电阻rf2依次串联，第一mos场效应管t1的漏极电性连接至输入信号源，第一mos场效应管t1与第一反馈电阻rf1的共同连接端电连接至第一运算放大器a1的反相输入端，第一反馈电阻rf1与第二mos场效应管t2的共同连接端电连接至第一运算放大器a1的输出端，第二mos场效应管t2与第一电阻r1的共同连接端与地端之间电连接有第一电容c1，第一电阻r1与第二反馈电阻rf2的共同连接端电连接至第二运算放大器a2的反相输入端，第二反馈电阻rf2的另一端电性连接至第二运算放大器a2的输出端；第三mos场效应管t3的源极电性连接至输入信号源、漏极电性连接至地端；第三电阻r3电性连接在第一运算放大器a1的同相输入端与地端之间；第四mos场效应管t4、第二电阻r2、第三反馈电阻rf3依次串联，第四mos场效应管t4的源极电性连接至第一运算放大器a1的输出端，第三反馈电阻rf3的另一端电性连接至地端；第四mos场效应管t4与第二电阻r2的共同连接端与地端之间电连接有第二电容c2；第二电阻r2与第三反馈电阻r3的共同连接端电连接至第二运算放大器a2的同相输入端；第三mos场效应管t3的栅极电性连接至外部时钟信号输入端，外部时钟信号输入端还电性连接有第一cmos反相器pi1，第一cmos反相器pi1的输出端电性连接至第一mos场效应管t1的栅极和第二cmos反相器pi2的输入端，第二cmos反相器pi2的输出端电性连接至第三cmos反相器pi3的输入端，第三cmos反相器pi3的输出端电性连接至第四cmos反相器pi4的输入端和第二mos场效应管t2的栅极，第四cmos反相器pi4的输出端电性连接至第四mos场效应管t4的栅极；第二运算放大器a2的输出端电性连接至中间电压放大器的输入端；

所述外部时钟信号的频率为mhz量级，优选地，外部时钟信号的频率为1-100mhz，更优选地，外部时钟信号的频率为10-100mhz。

从理想状态而言，第二cmos反相器pi2、第三cmos反相器pi3、第四cmos反相器pi4不是必需的、可以省略的，然而，在本发明中，为了更好地实现信号放大的保真性，特意引入了第二cmos反相器pi2、第三cmos反相器pi3、第四cmos反相器pi4。

可选地，第二cmos反相器、第三cmos反相器之间还可以增加2n个串联的cmos反相器，n为正整数，n的取值由第一运算放大器a1的实际响应时延来决定。

四个mos场效应管工作于开关状态，其开关状态受控于外部时钟信号；其中，在不考虑各反相器传输时延的情况下，第一mos场效应管t1和第二mos场效应管t2同时开或关，第三mos场效应管t3和第四mos场效应管t4同时关或开，并且，第一mos场效应管t1和第二mos场效应管t2的开关状态，与第三mos场效应管t3和第四mos场效应管t4的开关状态总是相反，即第一mos场效应管t1和第二mos场效应管t2处于导通低阻状态时，第三mos场效应管t3和第四mos场效应管t4则均处于截止状态，反之亦然。

如图2所示，虚线大方框中为第一运算放大器a1的实际等效模型，虚线小方框中为理想的运算放大器a1’，在该等效模型中展示出了实际的第一运算放大器的等效的运放等效失调电压ui0、运放等效输入偏置电流ib-、ib+，另外，图中ifilm为电介质薄膜中待测漏电流，inoise(t)为电路外部环境引入的电噪声、干扰信号的等效电流，该电流为一随时间变化的值。

当第一mos场效应管t1和第二mos场效应管t2同时处于导通低阻状态、第三mos场效应管t3和第四mos场效应管t4则均处于截止状态时，第一电容c1上的电压为：

uc1＝-ifilmrf1+ui0+ib+r3+ib-rf1(1)

当第一mos场效应管t1和第二mos场效应管t2同时处于截止状态、第三mos场效应管t3和第四mos场效应管t4则均处于导通低阻状态时，第二电容c2上的电压为：

uc2＝-ui0+ib+r3+ib-rf1(2)

合理选择第一电容c1和第二电容c2的值、第一电阻r1、第二反馈电阻rf2、第二电阻r2和第三反馈电阻r3的值，使得(r1+rf2)c1、(r2+rf3)c2、这两个乘积远大于外部时钟信号的周期，优选地，(r1+rf2)c1、(r2+rf3)c2、这两个乘积均为外部时钟信号的周期的100倍以上。在这样的条件下，在一个外部时钟信号的周期内，第一电容c1和第二电容c2的电压值可视为不变，因此，第二运算放大器的输出电压值为：

通常取将式(1)(2)代入(3)，化简，得

由此可见，通过利用本发明的前置跨阻放大器，运算放大器本身的各种输入失调电压、输入偏置电流都被消除。在给定的电路下，前置跨阻放大器的输出电压信号值正比于电介质薄膜的漏电流大小。电介质薄膜的漏电流大小通常介于数十fa(10^-15a)至数十pa(10^-12a)，通过合理选择第一电阻r1、第二反馈电阻rf2、第二电阻r2和第三反馈电阻r3的值，前置跨阻放大器的输出电压可达到数μv至几十μv量级，该输出电压信号再经过中间电压放大器、后端电压放大器逐次放大，可被电流测量装置准确地测量出来，最终回送至计算机进行处理、显示。

计算机通过软件控制所述程序控制电压信号源，产生一系列的电压信号，施加在薄膜样品上，电学测试装置测量薄膜样品在这一系列的电压信号下的漏电流值，并回传至计算机，由计算机存储这些测量值，并在屏幕上显示电介质薄膜的漏电流特性即电压-电流特性曲线。

本发明的说明书中未作具体说明的相关内容，均属于本领域技术人员的常规技能，无需进一步披露。

以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。