JP2504134B2 - 多結晶粒界のトラップ準位濃度の測定方法 - Google Patents

多結晶粒界のトラップ準位濃度の測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は絶縁ゲート電界効果型トランジスタにおける
多結晶粒界のトラップ準位濃度の測定方法に関する。
〔従来の技術〕
多結晶半導体、特にポリシリコンを用いた薄膜MOSト
ランジスタは、ガラス等の非単結晶基板上に作成でき、
大面積化が可能である。このためこの薄膜MOSトランジ
スタは、薄型ディスプレイ装置の画素スイッチ回路や駆
動回路等に利用できるものとして注目されている。
しかしポリシリコンの多結晶粒界には多数のトラップ
準位が存在しポリシリコンの電気伝導に大きな影響を及
ぼす。
このようなポリシリコンの電気伝導を説明するものと
して、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックスに
バカラニ等やレビンソン等(G.Baccarani et al.,Journ
al of Applied Physics,49(11),November 1978,pp556
5-70やJ.Levinson et al,.Journal of Applied Physic
s,53(2),February 1982,pp1193-1202)が報告してい
るサーモアイオニック・エミッション・モデル(Thermi
onic Emission Model 1)がある。この理論によると、
ポリシリコンの多結晶粒界にトラップ準位がモデル関数
的に存在すると仮定している。この結果、多結晶粒界が
キャリアに対してポテンシャルの高いエネルギー壁とし
て取り扱われ、このエネルギー壁を熱的に乗り越えるこ
とができるキャリアのみが多結晶粒界を通過できるとし
ている。このモデルによって多結晶中における実効的な
キャリアの移動度を求めている。またトランジスタモデ
ルとしては、バルクシリコンMOSトランジスタのSi-SiO2
界面に多数のトラップ準位が存在するというモデルが用
いられてきた。すなわち、ポリシリコンをバルクシリコ
ンと同様に基板中で均一な性質を持った材料として取り
扱ってきた。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述したサーモアイオニック・エミッション・モデル
は以下のような欠点がある。
(イ) モデルの本質上、ポリシリコンの多数キャリア
の動きしか取り扱えない。従ってこのモデルを通常の反
転型MOSトランジスタに適用するのは適当ではない。
(ロ) マテリアル・リサーチ・ソサイアティでフライ
等が発表しているポリシリコン薄膜トランジスタの反転
電子移動度のチャンネル長依存性と温度特性を説明する
ことができない。
(ハ) 多結晶粒界にあっては、トラップ準位がSi-SiO
2界面にのみ存在すると考えるよりも、多結晶粒界中に
体積的に存在すると考える方が合理的である。
本発明の目的は、上記課題を解決し、高性能な絶縁ゲ
ート電界効果型トランジスタの開発と製造を可能にする
多結晶粒界のトラップ準位濃度の測定方法を提供するこ
とにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の多結晶粒界のトラップ準位濃度の測定方法
は、 誘電率がεs(F/cm)の多結晶半導体を基板材料とす
る絶縁ゲート電界効果型トランジスタにおいて、 絶縁膜の単位面積当りの静電容量Ci(F/cm2)と、温
度T(K)と、サブスレッショルド領域のドレイン電流
に対するゲート電圧特性の傾きS(V/桁)とを求め、 前記物理量Ci,T,Sに基づいて (但し、qは電子の電荷量(C)、kはボルツマン定数
(J/K)、ln10は10の自然対数値である。)を計算する
ことにより、多結晶粒界領域のトラップ準位濃度K(個
/V/cm3)を測定することを特徴とする。
〔作用〕
第1図は本発明に用いられるポリシリコン薄膜トラン
ジスタのモデルを説明した断面図である。
このポリシリコン薄膜トランジスタは、基板1上に薄
膜トランジスタ2を形成した構成となっている。薄膜ト
ランジスタ2は、一組のソース・ドレイン領域3と、ソ
ース・ドレイン領域3間に設けられた多結晶領域6と、
ゲート酸化膜5を介して多結晶領域6上に設けられたゲ
ート電極4とよりなっている。また多結晶領域6は、図
示のように、単結晶領域7と粒界領域8とに分けられ
る。すなわちこのモデルは,単結晶領域7と粒界領域8
との2種類のトランジスタからなるハイブリッドトラン
ジスタである。
単結晶領域7では、従来のバルクMOSトランジスタモ
デルを適用することができる。この従来モデルについて
は、ジーの文献(S.M.Sze,“Physical of Semiconducto
r Devices SECOND EDITION",JOHN WILEY&SON's,1981)
に詳細に説明されている。
粒界領域8では、上記従来モデルを適用することはで
きない。この領域では、トラップ準位が領域全体に体積
的に存在するからである。従って、従来モデルが適用可
能な単結晶領域7のトランジスタモデルと以下に述べる
新モデルが適用される粒界領域8のトランジスタモデル
とを組み合わせたハイブリッドモデルとして図のポリシ
リコン薄膜トランジスタを考察する。
先ず粒界領域8のトランジスタモデルについて考察す
る。
粒界領域8においては、バルクトラップ準位数がイン
トリンジックフェルミ準位Eiからのポテンシャルの差ψ
に比例した値をもつと仮定して空乏層近似のポアゾン式
をたてる。すなわち、トラップ準位が禁制帯中に一様の
濃度K(個/V/cm3)で分布していると仮定してポアゾン
式をたてると、 である。但し、xはSi/SiO2界面に垂直な方向の座標で
あり、NAはアクセプタ濃度である。
式の解は、境界条件、「x=0でψ=0かつdψ/d
x=0」を満足しなければならないから、 である。
ここでしきい値電圧VTを求める。
Niのイントリンジックキャリア濃度下でビルトイン電
圧ψBを、 とおくと、ゲート電極4に印加するゲート電圧VGがしき
い値電圧VTのとき式のψはψ=2ψBであるから、こ
のときの空乏層幅をWとすると、 である。
故に、 従って、このときの空乏層内の電荷量(イオン化したア
クセプタとトラップされた電子の量)QBは、 である。
上記式を用いてしきい値電圧VTを求めると、しきい
値電圧VTが表面ポテンシャル2ψBとゲート酸化膜5に
印加されている電圧QB/Ci(但し、Ciはゲート酸化膜5
の単位面積当りの静電容量である。)の和であることか
らしきい値電圧VTは、 である。この式から、トラップ準位濃度Kがアクセプ
タ濃度NAよりも大きくなるとしきい値電圧VTが急激に増
加することが認識できる。
以上の如く導出した式と式により、粒界領域8の
トランジスタモデルにおけるポテンシャルψとしきい値
電圧VTの内容が明確になった。
さらに、粒界領域8のトランジスタが示すサブスレッ
ショルド特性を解析する。
ポアソン式の一般式は、 である。但し、NDはドナー濃度、ppおよびnpはp型半導
体中のホール濃度および電子濃度、pp0およびnp0はp型
半導体中の熱平衡時におけるホール濃度および電子濃
度、βはq/kTである。
上記式を電界Eについて解くと、 である。
また、粒界領域8のシリコンの表面電界をESとし、こ
のシリコン中の電荷をQSとすると、 QS=εSES …… である。
従って、粒界領域8のシリコンの表面ポテンシャルψ
Sとフラットバンド電圧VFBとゲート酸化膜5に印加され
ている電圧QS/Ciの和がゲート電極4のゲート電圧VG
あるから、上記式と式とを用いるとこのゲート電圧
VGは次式になる。
ここで、βψS>4程度(すなわち、ψS>100mV程
度)、np0/pp0《1として近似すると上記式は、 となる。
上式をψsについて解くと、 である。
ところでサブスレッショルド特性は、電子の拡散過程
によって支配される。従って電子の拡散係数をDnとする
と、サブスレッショルド領域におけるドレイン電流I
Dは、 である。但し、Lはチャンネル長、zはチャンネル幅、
yはチャンネル方向の座標、n(y)は電子濃度、Aは
実効的チャンネル面積である。ここで表面電界をEs、電
子の移動度をμnとすると、 が成立する。従って上記式は、 となる。
一方、サブスレッショルド領域におけるドレイン電流
に対するゲート電圧特性の傾きS(V/桁)は、 で定義される。ここでβψs>4,np0/pn0《1,VFB=0の
条件下で、上記式,式,式を用いて式を計算す
ると、式は次式になる。
前記式においてK/NA=K/Pp0《1,ψs>100mVの場合を
考えると、式は、 に近似される。従ってこの式からKを逆算すると、 を得る。
以上の如く求めた式〜式により粒界領域8のトラ
ンジスタモデルが内容的に明らかになった。
次に、サブスレッショルド領域にあっては、粒界領域
8のトランジスタの特性だけでなく、単結晶領域7のト
ランジスタを含めたハイブリッドトランジスタの特性を
上記式で表すことができることについて説明する。
第2図は前記ハイブリッドトランジスタの特性を説明
するための回路図である。
ハイブリッドトランジスタは、図示のように、単結晶
領域7に対応するトランジスタ7aと粒界領域8に対応す
るトランジスタ8aを直列に接続し、これらにドレイン電
圧VDとゲート電圧VGを印加したものとして考えることが
できる。
トランジスタ8aに流れる電流と印加される電圧をi1
VD1、トランジスタ7aに流れる電流と印加される電圧をi
2,VD2とすると、上記式より、 を得る。但し、a,bは定数でかつ、a>0,b>0,b>aで
ある。exp(−βVD)=0と仮定すると上記式から、 を得る。この式を考察すると、トランジスタに印加し
た電圧の大部分がトランジスタ8aに印加されることがわ
かる。また、第2図中のトランジスタ7aとトランジスタ
8aとの位置を換えても式の結果である式の値は変化
しない。このことは、複数の単結晶領域7を寄せ集めた
厚さをL7、複数の粒界領域8を寄せ集めた厚さをL8とす
ると、第1図に示したハイブリッドトランジスタを、チ
ャンネル長L7のトランジスタ7Aとチャンネル長L8のトラ
ンジスタ8aでなる第2図の回路で表現できることを意味
する。すなわち、第1図のハイブリッドトランジスタの
サブスレッショルド特性は、第2図の回路におけるサブ
スレッショルド特性と同値である。
なお、単結晶領域7のトランジスタ7aを従来モデルに
よって求めたしきい値電圧VT7とチャンネル長L7とを有
するトランジスタとし、粒界領域8のトランジスタ8aを
上記式で求めたVT8とチャンネル長L8とを有するトラ
ンジスタとすることにより、強反転時のリニア特性領域
における特性を第2図に示す回路で表現することができ
る。
以上のように、上記式によってサブスレッショルド
領域におけるハイブリッドトランジスタの特性を表すこ
とができる。
〔実施例〕
本発明の実施例について説明する。
誘電率εS(F/cm)の多結晶半導体を基板材料とする
絶縁ゲート電界効果型トランジスタにおいて、絶縁膜の
単位面積当りの静電容量Ci(F/cm2)と、温度T(K)
と、サブスレッショルド領域のドレイン電流に対するゲ
ート電圧特性の傾きS(V/桁)とを具体的に求め、前記
物理的Ci,T,Sに基づいて上記式の (但し、qは電子の電荷量(C)、kはボルツマン定数
(J/K)、ln10は10の自然対数値である。)を計算し粒
界領域のトラップ準位濃度(個/V/cm3)を測定する。
本例においては、上式に代入する物理量として、オー
チズコンデ等がアイイーイーイー・トランザクション・
オン・エレクトロン・ディバイセズ(A.Ortiz-Conde an
d J.G.Fossum,IEEE Transaction on Electron Devices,
vol.ED-33,No:10,October 1986,pp1563-71)等で報告し
た測定データを用いた。すなわち、ゲート酸化膜厚500
ÅのPMOSトランジスタとゲート酸化膜厚400ÅのNMOSト
ランジスタを測定して得たサブスレッショルド領域のド
レイン電流に対するゲート電圧特性の傾きSの値である
1(V/桁)と0.4(V/桁)とを各々上記の式に代入し
た。
計算の結果、S=1(V/桁)のとき、K=7.21×1018
(個/V/cm3)、S=0.4(V/桁)のときK=1.48×1018
(個/V/cm3)となった。
このことから、前記PMOSトランジスタのポリシリコン
粒界領域には、7.21×1018(個/V/cm3)の濃度のトラッ
プ準位があり、NMOSトランジスタのポリシリコン粒界領
域には1.48×1018(個/V/cm3)の濃度のトラップ準位が
あることが判明した。
なお、本実施例では基板材料としてポリシリコンを用
いたがこれに限る趣旨ではない。ゲート容量が既知の反
転型多結晶半導体薄膜MOSトランジスタにも本発明の測
定方法を適用できることは明らかである。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、 を求めることにより多結晶粒界領域のトラップ準位濃度
を測定する多結晶粒界のトラップ準位濃度の測定方法と
したため、以下の効果がある。
(イ) 多結晶半導体材料やトランジスタ製造工程等が
及ぼすトランジスタ特性への影響を容易に認識評価する
ことができる。
(ロ) 前記認識評価ができるため、高性能の絶縁ゲー
ト電界効果型トランジスタの開発と製造が実現される。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明に用いられるポリシリコン薄膜トランジ
スタのモデルを説明した断面図、 第2図は第1図のポリシリコン薄膜トランジスタの特性
を説明するための回路図である。 4……ゲート電極 5……ゲート酸化膜 6……多結晶領域 7……単結晶領域 8……粒界領域

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】誘電率がεs(F/cm)の多結晶半導体を基
    板材料とする絶縁ゲート電界効果型トランジスタにおい
    て、 絶縁膜の単位面積当りの静電容量Ci(F/cm2)と,温度
    T(K)と、サブスレッショルド領域のドレイン電流に
    対するゲート電圧特性の傾きS(V/桁)とを求め、 前記物理量Ci,T,Sに基づいて (但し、qは電子の電荷量(C)、kはボルツマン定数
    (J/K)、ln10は10の自然対数値である。)を計算する
    ことにより、多結晶粒界領域のトラップ準位濃度K(個
    /V/cm3)を測定することを特徴とする多結晶粒界のトラ
    ップ準位濃度の測定方法。
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DE10310225A1 (de) * 2003-03-08 2004-09-16 Ina-Schaeffler Kg Freilaufkupplung
KR100938675B1 (ko) * 2007-12-17 2010-01-25 한국전자통신연구원 박막 트랜지스터의 소스-드레인 전류 모델링 방법 및 장치
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