JP2886176B2 - 埋め込みチャネルの物性特性測定法 - Google Patents

埋め込みチャネルの物性特性測定法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体基板の表面下に形成された埋め込
みチャネルのチャネルポテンシャル及び表面ポテンシャ
ルや半導体基板中の発生電流、基板表面の発生電流等を
測定する埋め込みチャネルの物性特性測定法に関する。
〔従来の技術〕
第5図に埋め込みチャネルMOSトランジスタを構成す
る半導体装置(10)の構造を示す。p型半導体基板
(1)の表面下にn−層からなる埋め込みチャネル
(2)が形成され、この埋め込みチャネル(2)の両端
部にそれぞれn+層からなるコンタクト部(3)及び
(4)が形成されている。また、埋め込みチャネル
(2)の上部は絶縁膜(5)により被覆されており、こ
の絶縁膜(5)の上にゲート電極(6)が形成されてい
る。このMOSトランジスタは、各コンタクト部(3)及
び(4)にそれぞれ接続されたソース端子(7)及びド
レイン端子(8)を共通にしてこれらに逆バイアスVR
印加することにより、ゲートコントロールダイオード構
造となる。このようなゲートコントロールダイオード構
造の半導体装置(10)を用いて、埋め込みチャネル
(2)の特性測定を行う従来の測定システムのブロック
図を第6A図及び第6B図に示す。
第6A図のシステムは半導体基板(1)中の発生電流及
び表面の発生電流を測定するためのものであり、微少電
流測定装置(11)とCPU(12)とから構成されている。
一方、第6B図のシステムは埋め込みチャネル(2)のポ
テンシャル及び不純物濃度分布等を測定するためのもの
であり、低周波CV測定装置(13)、電源(14)及びCPU
(15)から構成されている。
まず、第6A図のシステムの微少電流測定装置(11)に
より、第5図の半導体装置(10)の各コンタクト部
(3)及び(4)にバイアス電圧VRを印加した状態で、
ゲート電極(6)に印加するゲート電圧VGを掃引して逆
バイアスIRの変化を測定すると、第7A図のような結果が
得られる。A.S.Grove and D.J.Fitzgerald:Solid−St.E
lectron.vol.9,1996,pp783−806に示されているよう
に、この第7A図の結果から、半導体基板(1)中の発生
電流Igen,MJ及び半導体基板(1)表面の発生電流I
gen,Sを知ることができる。
一方、第6B図のシステムの電源(14)により第5図の
半導体装置(10)の各コンタクト部(3)及び(4)に
逆バイアス電圧VRを印加すると共に低周波CV測定装置
(13)からゲート電極(6)に低周波のゲート電圧VG
印加することにより低周波CV特性を測定すれば、第7B図
のような結果が得られる。尚、第7B図において、COX
絶縁膜(5)の容量を示している。A.M.Mohsen and F.
J.Morris:Solid−St.Electron,vol.18,1975,pp407−416
によれば、第7B図の結果から第8図に示されるような埋
め込みチャネルのポテンシャル分布図におけるチャネル
ポテンシャルφCH、表面ポテンシャルφ、表面からチ
ャネル位置までの深さXCHを算出することができる。さ
らに、第7B図において、ゲート電圧VGがVR+VFBからパ
ンチスルー電圧VPTまでの空乏層領域の低周波CV特性を
用いれば、表面からチャネル位置深さXCHまでの不純物
濃度分布を求めることができる。ただし、VFBはフラッ
トバンド電圧を示す。
ここで、上述したA.M.Mohsen and F.J.Morrisの方法
によりチャネルポテンシャルφCH及び表面ポテンシャル
φを求める計算法を第9図のフローチャートを参照し
て説明する。まず、ステップ91で、第6B図の測定システ
ムにより得られた第7B図のような測定結果を、CPU(1
5)に接続されたCRT(図示せず)上に表示する。次に、
ステップ92でパンチスルー電圧VPTを入力する。さら
に、ステップ93で、次の[1]式に基づいてチャネルポ
テンシャルφCHを算出する。
φCH=VR−Vbi …[1] ただし、Vbiは埋め込みチャネル(2)とコンタクト
部(3)あるいは(4)のビルトインポテンシャルを示
している。
その後、ステップ94で表面ポテンシャルφを求め
る。この表面ポテンシャルφは第7B図の斜線部Aの面
積SAにより表示され、次の[2]式に基づいて算出され
る。
ただし、VINVは反転側の電圧を示している。
〔発明が解決しようとする課題〕
以上のようにして埋め込みチャネル(2)の各特性を
求めることができるが、従来は第6A図及び第6B図に示す
ように、半導体基板(1)中の発生電流Igen,MJ及び半
導体基板(1)表面の発生電流Igen,Sを測定する測定
システムと、チャネルポテンシャルφCH、表面ポテンシ
ャルφ、表面からチャネル位置までの深さXCH及び不
純物濃度分布を測定する測定システムの構成が互いに異
なっていた。このため、これらの各特性を一度に測定す
ることができず、各システムにより別々に測定を行う必
要であった。従って、システム全体が複雑になると共に
評価に時間と手間がかかるという問題があった。
このような問題点を解消するために第6A図のシステム
と第6B図のシステムとを組み合わせて一度に各特性の測
定を行おうとすると、低周波CV測定装置(13)における
低周波電圧の振動によって微少電流測定装置(11)で測
定される微少な逆バイアス電流IRに雑音が重畳してしま
い、発生電流を正確に測定することが困難になるという
問題が生ずる。
また、完全空乏時にはコンタクト層(3)及び(4)
の空乏層が埋め込みチャネル(2)の空乏層と接触する
ために、CV特性を測定すると、一般に例えば第10図の斜
線部Dに示されるような埋め込みチャネル周辺部の容量
の影響が特性曲線に現れてしまう。このため、低周波CV
測定装置(13)により測定されたCV測定曲線を用いて上
記の[2]式に基づいて表面ポテンシャルφを算出す
ると、第10図の斜線部Dの面積の分だけ誤差を生じ、正
確なポテンシャル測定が困難になるという問題もあっ
た。
この発明はこのような問題点を解消するためになされ
たもので、埋め込みチャネルの各特性を正確に且つ容易
に測定することができる埋め込みチャネルの物性特性測
定頬を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る埋め込みチャネルの物性特性測定法
は、第1導電型の半導体基板の表面下に形成されると共
にその上部に絶縁膜を介してゲート電極が形成され且つ
第1導電型とは異なる第2導電型の埋め込みチャネルの
物性特性を測定する方法であって、ゲート電極にゲート
電圧を印加すると共にゲート電圧をランプ法により変化
させ、このときの埋め込みチャネルの空乏層内から発生
した電流及びゲート電極を流れる電流を測定し、測定さ
れた各電流から埋め込みチャネルの物性特性を求める方
法である。
〔作用〕
この発明においては、ゲート電圧をランプ法により変
化させて、埋め込みチャネルの空乏層内から発生した電
流及びゲート電極を流れる電流を測定する。
〔実施例〕
以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。
第1図は本発明の埋め込みチャネルの物性特性測定法
を実施するための測定システムの構成例を示すブロック
図である。CPU(16)に微少電流/準静的CV測定装置
(以下、測定装置と称する)(17)が接続されている。
この測定装置(17)としては例えば、ヒューレット・パ
ッカート社のHP4140B型微少電流/準静的CV測定装置を
用いることができる。測定装置(17)に、第5図に示し
たような半導体装置(10)が接続されている。第1図に
おいて測定装置(17)と半導体装置(10)とを接続する
3本の接続線L1、L2及びL3は、それぞれ第5図における
逆バイアス電圧VR供給線L1、ゲート電圧VG供給線L2及び
接地線L3を示している。また、CPU(16)には図示しな
いCRTが接続されている。
次に、このような測定システムにより半導体装置(1
0)の埋め込みチャネル(2)の物性特性を測定する方
法を説明する。まず、測定装置(17)は、供給線L1を介
して半導体装置(10)のコンタクト部(3)及び(4)
に所定の逆バイアス電圧VRを印加する一方、供給線L2
介してゲート電極(6)にゲート電圧VGを印加する。こ
のゲート電圧VGは、ランプ法により一定の時間的変化率
ΔVG/Δtで掃引される。このとき、埋め込みチャネル
(2)の空乏層内から発生した逆バイアス電流IRとして
ソース端子(7)及びドレイン端子(8)に流れ、供給
線L1を介して測定装置(17)で測定される。これと同時
に、ゲート電極(6)を流れるゲート電流IGが供給線L2
を介して測定装置(17)で測定される。
CPU(16)は、測定装置(17)で測定された逆バイア
ス電流IRから、第2A図に示すようなIR−VG特性を求め、
これを図示しないCRTに表示する。また、CRT(16)は、
測定装置(17)で測定されたゲート電流IGから、次式
[3]に基づいて埋め込みチャネル(2)の基静的容量
Cを算出し、第2B図に示すような準静的CV特性を求めて
これを図示しないCRTに表示する。
C=IG/(ΔVG/Δt) …[3] その後、CPU(16)は、第7A図の場合と同様にして第2
A図のIR−VG特性から、半導体基板(1)中の発生電流
gen,MJ及び半導体基板(1)表面の発生電流Igen,S
を求めてこれらを出力する一方、第2B図の準静的CV特性
から、チャネルポンシャルφCH、表面ポテンシャル
φ、表面からチャネル位置までの深さXCH及び不純物
濃度分布を求め、これらを出力する。
ここで、この実施例において実施したチャネルポンテ
ンシャルφCH及び表面ポテンシャルφの算出法を第3
図のフローチャートを参照して説明する。まず、ステッ
プ31でCPU(16)により第2B図のような準静的CV特性が
図示しないCRT上に表示された後、ステップ32でパンチ
スルー電圧VPTが入力される。さらに、ステップ33で、
上述した[1]式に基づいてチャネルポテンシャルφCH
が算出される。
その後、ステップ34で表面ポテンシャルφが求めら
れる。この表面ポテンシャルφは第4A図の斜線部Aの
面積SAにより表されるが、完全空乏時には半導体装置
(10)のコンタクト部(3)及び(4)の空乏層が埋め
込みチャネル(2)の空乏層と接触するために、準静的
CV特性においても、第10図の斜線部Dと同様に埋め込み
チャネル周辺部の容量の影響が特性曲線に現れている。
このため、上述した[2]式に基づいて積分法により第
4A図の斜線部Aの面積SAを算出すると、正確な表面ポテ
ンシャルφを求めることができない。
そこで、この実施例では以下のようにして表面ポテン
シャルφを算出する。まず、チャネルポテンシャルφ
CHは、準静的CV特性図においては第4B図の斜線部Bの面
積SBで表されるが、この面積SBを算出すると、完全空乏
時の誤差が含まれてしまう。これに対して、[1]式に
よりチャネルポテンシャルφCHを求めると、完全空乏状
態の容量の測定値を用いないので、正確な値が得られ
る。従って、[1]式により求められたチャネルポテン
シャルφCHから第4A図の斜線部Cの面積SCを差し引くこ
とによって、完全空乏状態の容量の測定値を用いずに正
確に表面ポテンシャルφを算出することができる。す
なわち、次の[4]式に基づいて計算する。
以上のように、準静的CV特性測定を行うと共に上記の
[4]式によって表面ポテンシャルφを算出すること
より、ゲート電圧VGの一回の掃引で埋め込みチャネルの
物性特性が正確に測定される。
〔発明の効果〕
以上説明したように、この発明においては、ゲート電
極にゲート電圧を印加すると共にこのゲート電圧をラン
プ法により変化させ、このときの埋め込みチャネルの空
乏層内から発生した電流及びゲート電極を流れる電流を
測定し、測定された各電流から埋め込みチャネルの物性
特性を求めるので、埋め込みチャネルの各特性を正確に
且つ容易に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の埋め込みチャネルの物性特性測定法を
実施するための測定システムの構成例を示すブロック
図、第2A図及び第2B図はそれぞれ実施例で得られたIR
VG特性図及び準静的CV特性図、第3図は実施例における
チャネルポテンシャルφCH及び表面ポテンシャルφ
算出法を示すフローチャート、第4A図及び第4B図はそれ
ぞれ実施例における表面ポテンシャルφの算出法を説
明するための準静的CV特性図、第5図は埋め込みチャネ
ルを有する半導体装置の断面図、第6A図及び第6B図はそ
れぞれ従来の測定システムのブロック図、第7A図及び第
7B図はそれぞれ第6A図及び第6B図のシステムにより得ら
れたIR−VG特性図及びCV特性図、第8図は埋め込みチャ
ネルのポテンシャル分布図、第9図は従来の方法におけ
るチャネルポテンシャルφCH及び表面ポテンシャルφ
の算出法を示すフローチャート、第10図は従来の問題点
を示すCV特性図である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の半導体基板の表面下に形成さ
    れると共にその上部に絶縁膜を介してゲート電極が形成
    され且つ前記第1導電型とは異なる第2導電型の埋め込
    みチャネルの物性特性を測定する方法であって、 前記ゲート電極にゲート電圧を印加すると共に前記ゲー
    ト電圧をランプ法により変化させ、 このときの前記埋め込みチャネルの空乏層内から発生し
    た電流及び前記ゲート電極を流れる電流を測定し、 前記測定された各電流から前記埋め込みチャネルの物性
    特性を求める ことを特徴とする埋め込みチャネルの物性特性測定法。
  2. 【請求項2】前記埋め込みチャネルの表面ポテンシャル
    φが次式に基づいて算出されることを特徴とする請求
    項(1)に記載の埋め込みチャネルの物性特性測定法。 ただし、VR:埋め込みチャネルに印加する逆バイアス電
    圧、Vbi:埋め込みチャネルとそのコンタクト部のビルト
    インポテンシャル、VFB:フラットバンド電圧、VPT:パン
    チスルー電圧、C:埋め込みチャネルの容量、COX:絶縁膜
    の容量、VG:ゲート電圧である。
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