JP2001085484A - Method of evaluating trap of semiconductor - Google Patents

Method of evaluating trap of semiconductor

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JP2001085484A
JP2001085484A JP26433499A JP26433499A JP2001085484A JP 2001085484 A JP2001085484 A JP 2001085484A JP 26433499 A JP26433499 A JP 26433499A JP 26433499 A JP26433499 A JP 26433499A JP 2001085484 A JP2001085484 A JP 2001085484A
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Japan
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semiconductor
light
measurement
trap
voltage
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Japanese (ja)
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Hidekazu Okuno
英一 奥野
Shinji Amano
伸治 天野
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Denso Corp
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Denso Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To evaluate, at room temperature, the level of a deep trap existing in a wide band gap semiconductor. SOLUTION: C-V measurement is performed using a C-V measuring apparatus 10, while irradiating a semiconductor sample 15 with a single-wavelength light 18 produced by spectral diffraction of the light from a white light source, and the level of a deep trap is evaluated from the measurement result. According to this method, the level of a deep trap can be evaluated even at room temperature, and this can also be utilized for the evaluation aiming at performance improvement of the semiconductor device, using a wide band gap.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体のトラップ
準位を評価する方法に関し、特に2.0eV以上の禁制
帯を有するワイドバンドギャップ半導体における深い準
位に存在するトラップ準位密度を評価するのに適したト
ラップ評価方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for evaluating a trap level of a semiconductor, and more particularly to a method for evaluating a trap level density existing at a deep level in a wide band gap semiconductor having a forbidden band of 2.0 eV or more. The present invention relates to a trap evaluation method suitable for the above.

【0002】[0002]

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】炭化
珪素(SiC)を用いたMOSFETにおいて、MOS
構造(以下、炭化珪素MOS構造という)を形成するに
あたり、熱酸化により酸化膜の形成を行なった場合に
は、酸化膜の内部及び酸化膜と炭化珪素との界面に炭素
が残留する。Reoxidation Annealing, L.A. Lipkin et
al., Material Science Forum Vols.264−268には、再
酸化熱処理により、p型炭化珪素MOS構造の固定電荷
密度及び界面準位密度を低減する効果を有することが示
されている。この再酸化熱処理の効果は、本発明者らの
研究によれば、酸化膜の内部及び酸化膜と炭化珪素の界
面に存在する残留炭素を大幅に低減させたことによるこ
とがわかった。また、p型炭化珪素MOS構造に有効で
あった再酸化熱処理は、n型炭化珪素MOS構造では効
果が現れず、電子トラップを増加させる処理となってお
り、その現象は、n型炭化珪素のドーパントである窒素
と珪素との結合状態であるSiNxが原因であることが
わかった。
2. Description of the Related Art MOSFETs using silicon carbide (SiC)
In forming a structure (hereinafter, referred to as a silicon carbide MOS structure), if an oxide film is formed by thermal oxidation, carbon remains inside the oxide film and at the interface between the oxide film and silicon carbide. Reoxidation Annealing, LA Lipkin et
al., Material Science Forum Vols. 264-268 shows that the reoxidation heat treatment has the effect of reducing the fixed charge density and the interface state density of the p-type silicon carbide MOS structure. According to the study of the present inventors, the effect of this re-oxidation heat treatment was found to be due to the fact that the residual carbon existing inside the oxide film and at the interface between the oxide film and silicon carbide was significantly reduced. Also, the re-oxidation heat treatment that was effective for the p-type silicon carbide MOS structure has no effect in the n-type silicon carbide MOS structure, and is a treatment for increasing the number of electron traps. It has been found that the cause is SiNx, which is a bonding state between nitrogen as a dopant and silicon.

【0003】そこで、本出願人は、炭化珪素を用いたM
OSFETにおいて、MOS界面のトラップ準位の低減
およびゲート酸化膜の高信頼性を実現するものを、特願
平11−140681号で出願している。すなわち、上
記したSiNx構造は、O2雰囲気に対して極めて不安
定であるため、再酸化熱処理後にO2雰囲気での熱処理
を行なうことにより、電子トラップとしてのSiNx構
造を除去するものである。この処理により、界面準位密
度は1010cm-2eV-1台となり、酸化膜寿命も大幅に
長くなった。
[0003] Accordingly, the present applicant has proposed an M
Japanese Patent Application No. 11-140681 filed an OSFET that realizes a reduction in the trap level at the MOS interface and a high reliability of the gate oxide film. That, SiNx structure described above, since with respect to an O 2 atmosphere is extremely unstable, by after reoxidation heat treatment heat treatment is performed in an O 2 atmosphere to remove the SiNx structure as an electron trap. As a result of this treatment, the interface state density was on the order of 10 10 cm -2 eV -1 , and the life of the oxide film was greatly extended.

【0004】このように、熱酸化後の再酸化熱処理及び
2雰囲気での熱処理を行うことにより、n型炭化珪素
MOS構造の界面状態は極めて良質化できる。この場
合、その評価方法としては、C−V測定やコンダクタン
ス法等を用いることができる。しかし、これらの測定方
法では、熱励起が可能なエネルギーに存在するトラップ
を評価しているため、室温測定では伝導帯または価電子
帯から約0.6eVまでの浅い準位のトラップのみ評価
が可能である。
As described above, by performing the re-oxidation heat treatment after the thermal oxidation and the heat treatment in the O 2 atmosphere, the interface state of the n-type silicon carbide MOS structure can be extremely improved. In this case, as the evaluation method, CV measurement, conductance method, or the like can be used. However, in these measurement methods, since traps existing at energy that can be thermally excited are evaluated, only traps at a shallow level from the conduction band or valence band to about 0.6 eV can be evaluated in room temperature measurement. It is.

【0005】深い準位のトラップを評価するためには、
深い準位のトラップを熱励起可能な状態とするために、
MOS構造を有する試料を高温状態に保持する必要があ
る。例えば、炭化珪素の場合には、試料温度を200℃
以上にする必要がある。
In order to evaluate a deep level trap,
In order to make deep-level traps capable of being thermally excited,
It is necessary to keep a sample having a MOS structure in a high temperature state. For example, in the case of silicon carbide, the sample temperature is set to 200 ° C.
It is necessary to do above.

【0006】しかし、この場合には熱放出による電流や
酸化膜をトンネルするトンネル電流が大きくなり、電気
的な特性を利用した上述の測定方法では正確な評価がで
きなくなる。
However, in this case, a current due to heat release and a tunnel current for tunneling through an oxide film become large, and accurate evaluation cannot be performed by the above-described measuring method using electrical characteristics.

【0007】本発明は上記問題に鑑みたもので、室温に
おいて深い準位のトラップを評価することができる評価
方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an evaluation method capable of evaluating deep-level traps at room temperature.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明では、トラップされたキャリ
アを光照射により励起させて半導体のトラップ準位を評
価することを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is characterized in that trapped carriers are excited by light irradiation to evaluate a trap level of a semiconductor.

【0009】光を照射することにより、深い準位のトラ
ップのキャリアを励起させることができるため、室温に
おいても深い準位のトラップを評価することが可能にな
る。
By irradiating light, carriers of deep level traps can be excited, so that deep level traps can be evaluated even at room temperature.

【0010】請求項2に記載の発明では、内部容量を有
する半導体に光を照射しつつC−V測定を行い、その測
定結果に基づいてトラップ準位を評価することを特徴と
している。
The invention according to claim 2 is characterized in that CV measurement is performed while irradiating a semiconductor having an internal capacitance with light, and the trap level is evaluated based on the measurement result.

【0011】この発明においては、光を照射することに
より、深い準位のトラップのキャリアを励起させ、C−
V測定を行うことによってトラップ準位を評価すること
を特徴としている。
In the present invention, irradiation of light excites the carriers of the traps at a deep level, thereby causing C-
It is characterized in that the trap level is evaluated by performing V measurement.

【0012】この場合、具体的には、請求項3に記載の
発明のように、C−V測定の測定結果に基づき深い準位
にトラップされたキャリアを仮に固定電荷密度として求
め、光照射による変化量を深い準位によるトラップ密度
として評価することができる。
In this case, specifically, the carrier trapped at a deep level is temporarily determined as a fixed charge density based on the measurement result of the CV measurement as in the invention according to the third aspect, and is determined by light irradiation. The amount of change can be evaluated as a trap density due to a deep level.

【0013】また、C−V測定においては、請求項4に
記載の発明のように、半導体に光を照射した状態で、半
導体に形成された一方側の電極に直流電圧を印加し、そ
の直流電圧を変化させて行うことができ、その際、請求
項5に記載の発明のように、半導体に形成された他方側
の電極に交流電圧を印加するのが好ましい。
In the CV measurement, a DC voltage is applied to one electrode formed on the semiconductor in a state where the semiconductor is irradiated with light, and the DC voltage is applied to the semiconductor. It can be performed by changing the voltage. In this case, it is preferable to apply an AC voltage to the other electrode formed on the semiconductor as in the invention described in claim 5.

【0014】上記した光は、請求項6に記載の発明のよ
うに、単一波長の光であることが好ましく、その光は、
請求項7に記載の発明のように、白色光を光源とし分光
器を用いた後の光を用いることができる。
It is preferable that the above-mentioned light is light of a single wavelength, and the light is as follows.
As in the invention according to claim 7, light after using a white light as a light source and using a spectroscope can be used.

【0015】また、上記した光の光子エネルギーは、請
求項8に記載の発明のように、半導体の禁制帯よりも小
さいことが望ましい。
Further, it is desirable that the photon energy of the light be smaller than the forbidden band of the semiconductor as in the invention described in claim 8.

【0016】上記した各請求項にかかるトラップ評価方
法は、請求項9に記載した発明のように、半導体として
2.0eV以上の禁制帯を有するものに適用した場合
に、特に効果を奏する。
The trap evaluation method according to each of the above-mentioned claims is particularly effective when applied to a semiconductor having a forbidden band of 2.0 eV or more as in the ninth invention.

【0017】なお、上記した半導体としては、請求項9
〜16に記載の発明のように、MOS構造のもの、pn
接合を有するもの、ショットキー接合を有するもの、ヘ
テロ接合を有するもの、炭化珪素よりなる半導体基板を
有するもの、窒化ガリウムよりなる半導体基板を有する
もの、結晶系の異なる炭化珪素のへテロ接合を有するも
の、窒化ガリウムと窒化アルミニウムとのへテロ接合を
有するものとすることができる。
It is to be noted that, as the above-mentioned semiconductor, claim 9
, Pn, pn
Having a junction, having a Schottky junction, having a hetero junction, having a semiconductor substrate made of silicon carbide, having a semiconductor substrate made of gallium nitride, having a heterojunction of silicon carbide having different crystal systems And a material having a heterojunction between gallium nitride and aluminum nitride.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.

【0019】図1に、ワイドバンドギャップ半導体のト
ラップ評価を行うためのトラップ評価装置を示す。半導
体試料(以下、単に試料という)15に対し、C−V測
定器10を用いて印加電圧に対する容量(キヤパシタン
ス)を測定する。容量測定には、直流電源12のみを利
用したQuasi-Staticな容量(以下CQという)ならびに
交流電源13を併用したHi-Frequency容量(以下CHと
いう)がある。
FIG. 1 shows a trap evaluation apparatus for evaluating traps of a wide band gap semiconductor. A capacitance (capacitance) with respect to an applied voltage of a semiconductor sample (hereinafter, simply referred to as a sample) 15 is measured using a CV measuring device 10. The capacity measurement includes a quasi-static capacity (hereinafter referred to as CQ) using only the DC power supply 12 and a Hi-Frequency capacity (hereinafter referred to as CH) using the AC power supply 13 together.

【0020】この実施形態における測定方法では、主に
CQの測定を行なう。CQ、CHの検出には、交流電源
13から参照信号14が入力される積分器11を用い、
直流電流および交流電流の積分値から容量を検出する。
CQ、CHの測定時に、単一波長光18を試料15へ照
射する。単一波長光18としては、タングステンランプ
に代表される白色光源を分光器により分光したものを用
いることができる。
In the measuring method according to this embodiment, CQ is mainly measured. For detection of CQ and CH, an integrator 11 to which a reference signal 14 is input from an AC power supply 13 is used.
The capacity is detected from the integrated value of the direct current and the alternating current.
At the time of measuring CQ and CH, the sample 15 is irradiated with the single-wavelength light 18. As the single-wavelength light 18, a white light source represented by a tungsten lamp, which is separated by a spectroscope, can be used.

【0021】以下、この測定によりトラップ評価ができ
る試料15として図2に示す炭化珪素MOS構造を用い
た場合の、その評価原理を説明する。なお、この図2に
示す炭化珪素MOS構造は、n型4H−SiC基板20
上に熱酸化により酸化膜21が形成され、その上にゲー
ト電極24が形成されるとともに、基板20の裏面にオ
ーミック電極23が形成されたものである。
Hereinafter, the principle of evaluation when the silicon carbide MOS structure shown in FIG. 2 is used as sample 15 for which trap evaluation can be performed by this measurement will be described. The silicon carbide MOS structure shown in FIG. 2 has an n-type 4H-SiC substrate 20.
An oxide film 21 is formed thereon by thermal oxidation, a gate electrode 24 is formed thereon, and an ohmic electrode 23 is formed on the back surface of the substrate 20.

【0022】図3に、炭化珪素MOS構造に波長λの単
一波長光を照射した場合における、トラップされたキャ
リアの挙動を示す。波長λの単一波長光は、E(λ)=
1239.9/λ(eV)のエネルギーを有しているた
め、MOS横造において、酸化膜21側から単一波長光
18を照射することにより、伝導帯ならびに価電子帯か
らバンドギャップ内部方向に、E(λ)の深さまでのキ
ャリアが励起される。当然ながら、E(λ)がバンドギ
ャップのエネルギーよりも小さい場合には、励起可能な
エネルギー帯がバンドギャップ内に存在するため、理想
的な試料では実際に励起されるキャリアは存在しない
(励起子等、ある種の励起状態は存在する可能性がある
が、これらの励起状態では、電子−正孔が対で存在し、
電流として寄与しないため、本発明による評価には現れ
ない)。
FIG. 3 shows the behavior of the trapped carriers when the silicon carbide MOS structure is irradiated with single-wavelength light of wavelength λ. A single-wavelength light having a wavelength λ has E (λ) =
Since it has the energy of 1239.9 / λ (eV), the single-wavelength light 18 is irradiated from the oxide film 21 side in the MOS lateral structure, so that the conduction band and the valence band move inward from the conduction band and the valence band. , E (λ) are excited. Naturally, when E (λ) is smaller than the energy of the band gap, an excitable energy band exists in the band gap, and therefore, in an ideal sample, there is no carrier actually excited (exciton). Some excited states may exist, such as, but in these excited states, electron-hole pairs exist,
Since it does not contribute as a current, it does not appear in the evaluation according to the present invention).

【0023】以上のことから、図3に示すバンド図にお
いて、波長λの単一波長光18の照射により励起される
キャリアはトラップ準位(構造的なトラップや結晶欠陥
によるトラップ等)に捕獲されたキャリア(電子、正
孔)であると考えられる。単一波長光18の波長をλに
固定することにより、E(λ)のエネルギーが自動的に
固定され、図3における励起可能領域にトラップされて
いる電子または正孔のみが励起される。
As described above, in the band diagram shown in FIG. 3, carriers excited by irradiation with the single-wavelength light 18 having the wavelength λ are trapped by trap levels (such as structural traps and traps due to crystal defects). Carriers (electrons, holes). By fixing the wavelength of the single-wavelength light 18 to λ, the energy of E (λ) is automatically fixed, and only electrons or holes trapped in the excitable region in FIG. 3 are excited.

【0024】この実施形態では、単一波長光18を照射
しつつ、C−V測定を行う。具体的には、試料15の一
方の電極23に直流電源12から直流電圧を印加し、他
方の電極24に交流電源13から交流電圧を印加する。
そして、酸化膜21側から内部容量を有する部位に単一
波長光18を照射しつづけた状態で、直流電圧の大きさ
を変化させ、その直流電圧の変化に応じて流れる直流電
流ならびに交流電流を積分器11を用いて検知し、その
検知した電流値から試料15の内部容量を検出する。
In this embodiment, CV measurement is performed while irradiating the single wavelength light 18. Specifically, a DC voltage is applied from the DC power supply 12 to one electrode 23 of the sample 15, and an AC voltage is applied from the AC power supply 13 to the other electrode 24.
Then, while the portion having the internal capacitance is continuously irradiated from the oxide film 21 side to the single-wavelength light 18, the magnitude of the DC voltage is changed, and the DC current and the AC current flowing according to the change in the DC voltage are changed. Detection is performed using the integrator 11, and the internal capacity of the sample 15 is detected from the detected current value.

【0025】ここで、単一波長光18を照射しつづける
ことにより、試料15が直流電源12による、いかなる
バイアス下にあっても、E(λ)に相当する領域の電子
・正孔は、励起されつづける。すなわち、通常の熱励起
状態と同様の効果を発揮することができ、しかも試料の
温度を高温とする場合と異なり、特定波長の光による励
起であるため、極めて正確に励起するトラップのエネル
ギーを特定することができる。なぜならば、熱励起の場
合には励起されるエネルギーにkT(kはボルツマン定
数、Tはケルビンで表した温度)程度の不確定さが生ず
るからである。
Here, by continuously irradiating the single-wavelength light 18, even if the sample 15 is under any bias by the DC power supply 12, electrons and holes in a region corresponding to E (λ) are excited. Continue to be. In other words, the same effect as in the normal thermally excited state can be achieved, and unlike the case where the temperature of the sample is high, the energy of the trap to be excited is specified very accurately because the excitation is performed by light of a specific wavelength. can do. This is because in the case of thermal excitation, the energy to be excited has an uncertainty of about kT (k is Boltzmann's constant, T is temperature expressed in Kelvin).

【0026】図4に、炭化珪素MOS構造における界面
準位密度と固定電荷密度の表記の定義を示す。MOS構
造において、正、負電荷の固定電荷密度を、各々N
(+)、N(−)とする。また、正、負電荷の深い準位
(伝導帯及び価電子帯から約0.5eV以上)の界面準
位密度を、各々n(+)、n(−)とする。この場合、
単一波長光18を照射する前の見かけ上の固定電荷は、
数式1となり、また空乏領域、蓄積領域に保持した状態
での見かけ上の固定電荷は、数式2、数式3となる。
FIG. 4 shows the definition of the notation of the interface state density and the fixed charge density in the silicon carbide MOS structure. In the MOS structure, the fixed charge densities of the positive and negative charges are N
(+) And N (-). The interface state densities of deep levels of positive and negative charges (about 0.5 eV or more from the conduction band and the valence band) are defined as n (+) and n (−), respectively. in this case,
The apparent fixed charge before irradiating the single-wavelength light 18 is
Expression 1 is obtained, and apparent fixed charges held in the depletion region and the accumulation region are expressed by Expressions 2 and 3.

【0027】[0027]

【数1】初期状態における見かけ上の固定電荷=N
(+)+n(+)−N(−)−n(−)
## EQU1 ## Apparent fixed charge in initial state = N
(+) + N (+)-N (-)-n (-)

【0028】[0028]

【数2】空乏領域における見かけ上の固定電荷=N
(+)+n(+)−N(−)−n(−)(λ)
## EQU2 ## Apparent fixed charge in depletion region = N
(+) + N (+)-N (-)-n (-) (λ)

【0029】[0029]

【数3】蓄積領域における見かけ上の固定電荷=N
(+)+n(+)(λ)−N(−)−n(−) ここで、n(−)(λ)、n(+)(λ)は、各々波長
λの単一波長光18を照射した場合に、界面に残ってい
る界面準位密度を表している。
## EQU3 ## Apparent fixed charge in the accumulation region = N
(+) + N (+) (λ) −N (−) − n (−) Here, n (−) (λ) and n (+) (λ) represent the single wavelength light 18 having the wavelength λ, respectively. It indicates the interface state density remaining at the interface when the irradiation is performed.

【0030】図5に、一定のゲート電圧を印加した状態
において単一波長光18を照射した場合の、トラップさ
れた電子および正孔の挙動を示す。単一波長光18を照
射した場合には、電子・正孔共に励起される。
FIG. 5 shows the behavior of trapped electrons and holes when the single-wavelength light 18 is irradiated with a constant gate voltage applied. When the single-wavelength light 18 is irradiated, both electrons and holes are excited.

【0031】ここで、空乏領域において励起された電子
は、空乏層の電界により基板20側に排出されるが、励
起された正孔は空乏層の電界により再度SiO2/Si
C界面に引き寄せられて界面にトラップされる。また、
蓄積領域にゲート電圧を印加した場合に、界面に蓄積し
た電子により電子を排出したトラップは再度電子をトラ
ップする。
Here, the electrons excited in the depletion region are discharged to the substrate 20 side by the electric field of the depletion layer, but the excited holes are regenerated by the electric field of the depletion layer to SiO 2 / Si.
It is attracted to the C interface and is trapped at the interface. Also,
When a gate voltage is applied to the accumulation region, the trap that has discharged electrons due to the electrons accumulated at the interface traps the electrons again.

【0032】一方、正孔の場合には、電子とは異なる挙
動を示す。蓄積領域での単一波長光照射により励起され
た正孔が基板20側に排出され、電子は界面にトラップ
された状態を保持することまでは同一であるが、空乏領
域にゲート電圧を印加した場合には、正孔を排出したト
ラップが再び正孔を捕獲することはほとんど無視でき
る。なぜならば、n型基板であるが故に(また、ソース
・ドレイン電極を設けていないために)正孔の生成確率
は極めて小さく、キャリア濃度はSiに比して(熱平衡
状態において)、
On the other hand, holes exhibit different behavior from electrons. Holes excited by single-wavelength light irradiation in the accumulation region are discharged to the substrate 20 side, and electrons remain the same until the state of being trapped at the interface is maintained, but a gate voltage is applied to the depletion region. In such a case, it is almost negligible that the trap that has discharged holes recaptures holes. This is because the n-type substrate has a very low probability of generating holes (and has no source / drain electrodes), and the carrier concentration is higher than that of Si (in a thermal equilibrium state).

【0033】[0033]

【数4】4HSiCでの正孔濃度=Siの正孔濃度×
{exp(−Eg4HSiC/kT)/exp(−Eg
Si/kT)}2 となり(すなわち、室温での熱平衡状態におけるn型4
H−SiC中の正孔濃度はSiの約1/10−1/75
倍)、空乏領域に保持しても正孔は誘起されないからで
ある。ここで、数式4において、Eg4HSiCは4H
−SiCのバンドギャップ(3.25eV)、EgSi
はSiのバンドギャップ(1.12eV)であり、近似
的に正孔の有効質量はSiCとSiとで同じとした。従
って、単一波長光18の照射により正孔が励起され且つ
排出されると、そのトラップは空となった状態を保持す
る。すなわち、メモリー効果となる。但し、バンドギャ
ップよりも大きなエネルギーを有する光を照射した場合
には、数式4の熱平衡状態から外れて正孔濃度が大幅に
増加するため、正孔はトラップに捕獲されてメモリー効
果を消去する。
## EQU4 ## Hole concentration in 4HSiC = hole concentration of Si ×
{Exp (-Eg4HSiC / kT) / exp (-Eg
Si / kT)} 2 (ie, n-type 4 in a thermal equilibrium state at room temperature)
The hole concentration in H-SiC is about 1 / 10-1 / 75 of that of Si.
This is because holes are not induced even in the depletion region. Here, in Equation 4, Eg4HSiC is 4H
-SiC band gap (3.25 eV), EgSi
Is the band gap of Si (1.12 eV), and the effective mass of holes is approximately the same for SiC and Si. Thus, when holes are excited and ejected by irradiation of the single wavelength light 18, the trap remains empty. That is, a memory effect is obtained. However, when light having an energy larger than the band gap is irradiated, the hole concentration deviates from the thermal equilibrium state of Expression 4 and the hole concentration is greatly increased, so that the holes are trapped by the trap to erase the memory effect.

【0034】以上の検討事項を考慮に入れた、照射光波
長としきい値電圧(空乏化状態から初期状態に変化する
ときの直流電源12の電圧)の変化の概念図を図6及び
図7に示す。
FIGS. 6 and 7 are conceptual diagrams showing changes in the irradiation light wavelength and the threshold voltage (the voltage of the DC power supply 12 when the state changes from the depleted state to the initial state) in consideration of the above considerations. Show.

【0035】図6では、C−V測定時のゲート電圧の走
査方向に対するしきい値電圧の変化を示す。空乏側から
走査した場合、すなわちオーミック電極23に印加する
直流電圧を下げていき相対的にゲート電圧を上げていっ
た場合には、図6(a)に示すように、直前に行なった
蓄積側からの測定により生じた正孔の放出がメモリー効
果として内在する。
FIG. 6 shows the change of the threshold voltage in the scanning direction of the gate voltage during the CV measurement. When scanning is performed from the depletion side, that is, when the DC voltage applied to the ohmic electrode 23 is reduced and the gate voltage is relatively increased, as shown in FIG. The emission of holes generated by the measurement from the device is inherent as a memory effect.

【0036】一方、蓄積側から走査した場合、すなわち
オーミック電極23に印加する直流電圧を上げていき相
対的にゲート電圧を下げていった場合には、図6(b)
に示すように、n(+)(λ)のみの関数として表され
る。
On the other hand, when scanning is performed from the storage side, that is, when the DC voltage applied to the ohmic electrode 23 is increased and the gate voltage is relatively decreased, FIG.
, It is represented as a function of only n (+) (λ).

【0037】また、図7に、空乏領域から蓄積領域に走
査したときにおける、照射光波長としきい値電圧の変化
の詳細を示す。n(−)(λ)>n(+)(λ)で、界
面準位密度が奥行き方向(基板厚方向)に単調に分布し
ている場合の変化を左上に示し、奥行き方向における界
面準位密度の分布に変曲点が存在している場合の変化を
左下に示す。また、n(−)(λ)<n(+)(λ)
で、界面準位密度が奥行き方向に単調に分布している場
合の変化を右上に示し、奥行き方向における界面準位密
度の分布に変曲点が存在している場合の変化を右下に示
す。
FIG. 7 shows the details of changes in the wavelength of irradiation light and the threshold voltage when scanning is performed from the depletion region to the accumulation region. When n (−) (λ)> n (+) (λ) and the interface state density is monotonically distributed in the depth direction (substrate thickness direction), the change is shown in the upper left, and the interface state in the depth direction is shown. The change when the inflection point exists in the density distribution is shown in the lower left. Also, n (−) (λ) <n (+) (λ)
The upper right shows the change when the interface state density is monotonically distributed in the depth direction, and the lower right shows the change when the inflection point exists in the interface state density distribution in the depth direction. .

【0038】実際の測定結果に対して、図6および図7
の考察を考慮することにより、N(+)、n(+)、N
(−)、n(−)を全て決定することができる。
FIGS. 6 and 7 show actual measurement results.
N (+), n (+), N
(−) And n (−) can all be determined.

【0039】次に、具体的に測定した結果について説明
する。試料15におけるSiC基板20として、窒素ド
ープされたn型4H−SiC(n−層/n+層構造のも
の)を用いた。酸化膜21を形成する際の酸化条件とし
て、1080℃での熱酸化のみ、熱酸化+低温再酸
化熱処理の2通りとした。熱酸化は、H2+O2の混合ガ
ス(H2:O2=4:3)を原料とするパイロジェニツク
法により5時間行なった。低温再酸化熱処理は、熱酸化
と同一雰囲気中にて950℃3時間行なった。なお、す
べての試料において、酸化膜21の膜厚は約40nmで
ある。また、ゲート電極24には、Al(膜厚0.5μ
m)を、裏面のオーミック電極23には、ni(0.5
μm)蒸着後に1000℃にて30分の熱処理を行い、
ステージとの接触抵抗を低下させるためにAu(約50
nm)蒸着した。
Next, the results of specific measurements will be described. As the SiC substrate 20 in the sample 15, an n-type 4H—SiC doped with nitrogen (having an n− layer / n + layer structure) was used. As the oxidation conditions for forming the oxide film 21, only two types of thermal oxidation at 1080 ° C., thermal oxidation and low-temperature reoxidation heat treatment were used. The thermal oxidation was performed for 5 hours by a pyrogenetic method using a mixed gas of H 2 + O 2 (H 2 : O 2 = 4: 3) as a raw material. The low-temperature reoxidation heat treatment was performed at 950 ° C. for 3 hours in the same atmosphere as the thermal oxidation. In all samples, the thickness of the oxide film 21 is about 40 nm. The gate electrode 24 is made of Al (0.5 μm thick).
m) is applied to ni (0.5
μm) heat treatment at 1000 ° C. for 30 minutes after deposition,
In order to reduce the contact resistance with the stage, Au (about 50
nm) evaporated.

【0040】図1に示すトラップ評価装置を用い、試料
15に単一波長光18を照射しつづけた状態で、C−V
測定器10を用いてしきい値電圧Vと容量Cを測定し、
Q=C・Vの計算式により固定電荷密度を求めた。
Using the trap evaluation apparatus shown in FIG. 1, the C-V
The threshold voltage V and the capacitance C are measured using the measuring device 10,
The fixed charge density was determined by the formula of Q = C · V.

【0041】図8に、照射光波長に対する固定電荷密度
の変化を示す。図において、Qassは蓄積側から走査した
場合、Qdssは空乏側から走査した場合の固定電荷密度を
示す。また、図中のdark1は、光照射前に暗状態で測定
した場合、dark2は、800nmから300nmまで波
長を変化させてC−V測定した後に再び暗状態として測
定した結果を示す。
FIG. 8 shows a change in the fixed charge density with respect to the wavelength of the irradiation light. In the figure, Qass indicates the fixed charge density when scanning from the accumulation side, and Qdss indicates the fixed charge density when scanning from the depletion side. Further, dark1 in the figure shows the results of measurement in the dark state before light irradiation, and dark2 shows the results of the CV measurement with the wavelength changed from 800 nm to 300 nm, followed by measurement in the dark state again.

【0042】熱酸化のみでは、図8(a)から、2〜7
×1011cm-2程度の正の固定電荷密度になっているこ
とがわかる。一方、再酸化熱処理後では、図8(b)か
ら、測定誤差内で1011cm-2以下の固定電荷密度にな
っていることが確認できる。この結果から、再酸化熱処
理により界面に偏析した残留炭素を大幅に低減でき、残
留炭素に起因する固定電荷を低減できていることがわか
る。
In the case of only thermal oxidation, as shown in FIG.
It can be seen that the positive fixed charge density is about × 10 11 cm −2 . On the other hand, after the re-oxidation heat treatment, it can be confirmed from FIG. 8B that the fixed charge density is 10 11 cm −2 or less within the measurement error. From this result, it can be seen that the residual carbon segregated at the interface by the re-oxidation heat treatment can be significantly reduced, and the fixed charge due to the residual carbon can be reduced.

【0043】n型SiCを用いたMOS構造では電子が
多数キャリアであるから、C−V測定から得られる界面
準位は電子トラップであると考えると、蓄積側から走査
した場合にしきい値電圧が負方向に移動する。従って、
蓄積側から走査した場合と空乏側から走査した場合との
しきい値電圧の差が界面準位密度に相当すると考えられ
る。図8から明らかに、熱酸化のみでは界面準位密度が
大きく、再酸化熱処理により界面準位密度が大幅に低減
できている。
Since electrons are majority carriers in a MOS structure using n-type SiC, if the interface state obtained from CV measurement is considered to be an electron trap, the threshold voltage becomes lower when scanning from the accumulation side. Move in the negative direction. Therefore,
It is considered that the difference in threshold voltage between when scanning from the accumulation side and when scanning from the depletion side corresponds to the interface state density. As is apparent from FIG. 8, the interface state density is large only by thermal oxidation, and the interface state density can be significantly reduced by the re-oxidation heat treatment.

【0044】以上の実験結果から、本評価方法は従来技
術では測定できなかったエネルギー領域のトラップ準位
を測定することができ、2.0eV以上の禁制帯を有す
るワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体装置の品
質向上における重要な評価手段となる。
From the above experimental results, this evaluation method can measure the trap level in the energy region, which cannot be measured by the conventional technique, and uses a wide band gap semiconductor having a forbidden band of 2.0 eV or more. This is an important evaluation tool in improving the quality of the equipment.

【0045】なお、上記した説明では、炭化珪素のMO
S構造に適用するものとしたが、半導体装置としては、
試料内部に容量を有する構造であれば全ての構造に適用
可能である。例えば、pn接合、ショットキー接合、ヘ
テロ接合、結晶系の異なる炭化珪素のへテロ接合、窒化
ガリウムと窒化アルミニウムとのへテロ接合等を有する
構造へも適用可能である。また、半導体としては、炭化
珪素以外に、窒化ガリウムなどの他の半導体に適用する
こともできる。
In the above description, the MO of silicon carbide
Although applied to the S structure, as a semiconductor device,
The present invention can be applied to any structure having a capacity inside the sample. For example, the present invention can be applied to a structure having a pn junction, a Schottky junction, a hetero junction, a hetero junction of silicon carbide having different crystal systems, a hetero junction of gallium nitride and aluminum nitride, and the like. Further, as a semiconductor, other semiconductors such as gallium nitride can be applied in addition to silicon carbide.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ワイドバンドギャップ半導体のトラップ測定装
置を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a trap measuring apparatus for a wide band gap semiconductor.

【図2】測定に用いる試料の断面構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of a sample used for measurement.

【図3】単一波長光照射によるMOS界面にトラップさ
れたキャリアの挙動を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the behavior of carriers trapped at a MOS interface by irradiation with single-wavelength light.

【図4】炭化珪素MOS構造における界面準位密度およ
び固定電荷密度の定義を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for describing definitions of an interface state density and a fixed charge density in a silicon carbide MOS structure.

【図5】単一波長光照射による電子および正孔の挙動を
示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the behavior of electrons and holes by single-wavelength light irradiation.

【図6】照射光波長としきい値電圧の変化を示す図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing changes in irradiation light wavelength and threshold voltage.

【図7】空乏領域から蓄積領域に走査したときにおけ
る、照射光波長としきい値電圧の変化の詳細を示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram illustrating details of changes in irradiation light wavelength and threshold voltage when scanning is performed from a depletion region to an accumulation region.

【図8】照射光波長に対する固定電荷密度の変化を示す
図である。
FIG. 8 is a diagram showing a change in fixed charge density with respect to irradiation light wavelength.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…C−V測定装置、11…積分器、12…直流電
源、13…交流電源、15…試料、18…単一波長光、
20…炭化珪素半導体基板、21…酸化膜、23…オー
ミック電極、24…ゲート電極。
10 CV measuring device, 11 integrator, 12 DC power supply, 13 AC power supply, 15 sample, 18 single wavelength light,
Reference numeral 20 denotes a silicon carbide semiconductor substrate, 21 denotes an oxide film, 23 denotes an ohmic electrode, and 24 denotes a gate electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G059 AA03 BB16 CC20 GG10 HH02 KK10 2G060 AA09 AE40 AF02 AF10 AG08 4M106 AA01 AB01 AB11 BA20 CA12 CB07  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G059 AA03 BB16 CC20 GG10 HH02 KK10 2G060 AA09 AE40 AF02 AF10 AG08 4M106 AA01 AB01 AB11 BA20 CA12 CB07

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 トラップされたキャリアを光照射により
励起させて半導体のトラップ準位を評価することを特徴
とする半導体のトラップ評価方法。
1. A method for evaluating a trap of a semiconductor, comprising: exciting trapped carriers by light irradiation to evaluate a trap level of the semiconductor.
【請求項2】 内部容量を有する半導体に光を照射しつ
つC−V測定を行い、その測定結果に基づいてトラップ
準位を評価することを特徴とする半導体のトラップ評価
方法。
2. A method for evaluating a trap of a semiconductor, comprising: performing CV measurement while irradiating a semiconductor having an internal capacitance with light; and evaluating a trap level based on the measurement result.
【請求項3】 前記C−V測定の測定結果に基づきトラ
ップされたキャリアの固定電荷密度を求めて前記トラッ
プ準位を評価することを特徴とする請求項2に記載の方
法。
3. The method according to claim 2, wherein the trap level is evaluated by obtaining a fixed charge density of the trapped carriers based on a measurement result of the CV measurement.
【請求項4】 前記半導体に光を照射した状態で、前記
半導体に形成された一方側の電極に直流電圧を印加し、
その直流電圧を変化させて前記C−V測定を行うことを
特徴とする請求項2又は3に記載の方法。
4. A DC voltage is applied to one electrode formed on the semiconductor while the semiconductor is irradiated with light,
The method according to claim 2, wherein the CV measurement is performed by changing the DC voltage.
【請求項5】 前記半導体に光を照射した状態で、前記
半導体に形成された他方側の電極に交流電圧を印加して
交流電圧に起因する前記C−V測定を行うことを特徴と
する請求項4に記載の方法。
5. The CV measurement caused by the AC voltage is performed by applying an AC voltage to the other electrode formed on the semiconductor while the semiconductor is irradiated with light. Item 5. The method according to Item 4.
【請求項6】 前記光は、単一波長の光であることを特
徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載の方法。
6. The method according to claim 1, wherein the light is light of a single wavelength.
【請求項7】 前記光は、白色光を光源とし分光器を用
いた後の光であることを特徴とする請求項6に記載の方
法。
7. The method according to claim 6, wherein the light is light after using a spectroscope with white light as a light source.
【請求項8】 前記光の光子エネルギーは、前記半導体
の禁制帯よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至7
のいずれか1つに記載の方法。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a photon energy of the light is smaller than a forbidden band of the semiconductor.
The method according to any one of the preceding claims.
【請求項9】 前記半導体は、2.0eV以上の禁制帯
を有するものであること特徴とする請求項1乃至8のい
ずれか1つに記載の方法。
9. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a forbidden band of 2.0 eV or more.
【請求項10】 前記半導体は、MOS構造のものであ
ること特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載
の方法。
10. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a MOS structure.
【請求項11】 前記半導体は、pn接合を有するもの
であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つ
に記載の方法。
11. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a pn junction.
【請求項12】 前記半導体は、ショットキー接合を有
するものであることを特徴とする請求項1乃至8のいず
れか1つに記載の方法。
12. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a Schottky junction.
【請求項13】 前記半導体は、ヘテロ接合を有するも
のであることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1
つに記載の方法。
13. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor has a heterojunction.
The method described in one.
【請求項14】 前記半導体は、炭化珪素よりなる半導
体基板を有するものであることを特徴とする請求項1乃
至8のいずれか1つに記載の方法。
14. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a semiconductor substrate made of silicon carbide.
【請求項15】 前記半導体は、窒化ガリウムよりなる
半導体基板を有するものであることを特徴とする請求項
1乃至8のいずれか1つに記載の方法。
15. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a semiconductor substrate made of gallium nitride.
【請求項16】 前記半導体は、結晶系の異なる炭化珪
素のへテロ接合を有するものであることを特徴とする請
求項1乃至8のいずれか1つに記載の方法。
16. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a heterojunction of silicon carbide having different crystal systems.
【請求項17】 前記半導体は、窒化ガリウムと窒化ア
ルミニウムとのへテロ接合を有するものであることを特
徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の方法。
17. The method according to claim 1, wherein the semiconductor has a heterojunction between gallium nitride and aluminum nitride.
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