JPS624333A - Evaluation of semiconductor element - Google Patents

Evaluation of semiconductor element

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JPS624333A
JPS624333A JP60142591A JP14259185A JPS624333A JP S624333 A JPS624333 A JP S624333A JP 60142591 A JP60142591 A JP 60142591A JP 14259185 A JP14259185 A JP 14259185A JP S624333 A JPS624333 A JP S624333A
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JP
Japan
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semiconductor
film
junction
voltage
depletion layer
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JP60142591A
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Japanese (ja)
Inventor
Eiji Uchida
英次 内田
Tsuneo Ajioka
味岡 恒夫
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To realize carrier injection by avalanche which is stable with a low pulse voltage by applying a forward bias to the P-N junction of an MIS capacitor. CONSTITUTION:An MIS capacitor is constituted by an N-type Si semiconductor 12, a P-type Si semiconductor 1, an SiO2 film 2, a gate electrode 3 and a facing electrode 13. Avalanche injection of electrons is carried out by connecting switches 4 and 16 to the terminal A side an applying a pulse voltage of the level of a breakdown voltage rapidly by a pulse generator 5. As for characteristic measurement after the injection, the switches 4 and 16 are connected to the terminal B side for measurement through the ohmic contact electrode 13 to form a closed circuit of an electrostatic capacitance meter and a voltage source 7. Then C-V characteristics of the MIS capacitor are measured and trap density in the bulk of the film 2 is evaluated.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体素子の評価方法に関し、特に絶縁体膜
中に電子または正孔(以後、キャリアと称する)を注入
し、絶縁体膜中のトラップ量を評価する方法に係る。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for evaluating semiconductor devices, and in particular, injects electrons or holes (hereinafter referred to as carriers) into an insulating film to This relates to a method for evaluating the amount of traps.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

MID(金属−絶縁体膜一半導体構造)ディバイスの電
気的特性の安定化、高信頼度化を図るには、構成要素の
ノ々ルク、及び界面状態の特性評価を行う事が重要であ
る。絶縁体膜としてはシリコン駿化膜(Siow)、窒
化シリコン膜(5lsN4)等が多用されているが、こ
れらの絶縁体膜において、そのノ々ルク中に存在するト
ラップの挙動は、MISディバイスの動作特性に大きく
影響を及ぼす。トラップ密度を電気的に評価するKはト
ラップをイオン化しなければならず、その為にはキャリ
アを絶縁体膜中に注入する必要がある。注入されたキャ
リアを捕獲してイオン化したトラップは、MIS構造を
とるキャノ臂シタの、周知のC−Vs性(静電容量の)
々イアスミ圧依存性)を基にその密度が評価される。
In order to stabilize the electrical characteristics and increase the reliability of MID (metal-insulator film-semiconductor structure) devices, it is important to evaluate the characteristics of the constituent elements and the interface state. Silicon nitride films (SiOW), silicon nitride films (5lsN4), etc. are often used as insulator films, but the behavior of traps existing in the holes in these insulator films is different from that of MIS devices. Significantly affects operating characteristics. K, which electrically evaluates the trap density, must ionize the traps, and for this purpose it is necessary to inject carriers into the insulator film. The trap that captures and ionizes the injected carriers is the well-known C-Vs property (capacitance) of the canopy that has an MIS structure.
The density is evaluated based on the insulator pressure dependence.

従来、絶縁体膜中にキャリアを注入する方法としては、
主にアバランシェ注入法がとられてきた。
Conventionally, the method of injecting carriers into an insulator film is as follows:
The avalanche injection method has mainly been used.

この注入法は、他の方法に比べて多くのキャリアを絶縁
体膜中に注入する事が出来ると共に、評価用試料の構造
、及び評価試験装置の構成が簡単である等の、多くの利
点を有する。
This injection method has many advantages, such as being able to inject more carriers into the insulator film than other methods, as well as simplifying the structure of the evaluation sample and the configuration of the evaluation test equipment. have

第3図は、従来方法による絶縁体膜中のトラップ密度評
価用のMISキャパシタ、及び評価試験装置の率底例を
示したものである。、MISキャノぞシタは同図(a)
に示す如く、lXl0” 〜lXl0’畠/−程度に不
純物をドーピングしたSi 基板(P鳳)1上に、酸化
膜形成技術を用いてSi0.膜から成るトラップを含ん
だ絶縁体膜2を通常の膜厚程度に成膜した後、この絶縁
体膜2にオーム接触となるようPVD技術によりAtか
ら成る金属ゲート電極3を所定の膜厚に形成して構成さ
れている。なお、本構成例において絶縁体膜2中に注入
される中ヤリアは少数キャリアの電子であり、注入する
キャリアを正孔とする場合には、同程度の不純物をドー
ピングしたn 盤S i 基板が使用される。
FIG. 3 shows an example of a MIS capacitor for evaluating trap density in an insulator film and an evaluation test apparatus according to a conventional method. , MIS canon is shown in the same figure (a)
As shown in FIG. 1, an insulating film 2 containing traps made of Si0. film is usually formed on a Si substrate (P-Otori) 1 doped with impurities to the extent of lXl0'' to lXl0'Hata/- using an oxide film formation technique. After forming a film to a thickness of about 100 psi, a metal gate electrode 3 made of At is formed to a predetermined thickness by PVD technology so as to be in ohmic contact with this insulating film 2. Note that this configuration example The intermediate carriers injected into the insulator film 2 are minority carrier electrons, and when the carriers to be injected are holes, an n-board Si substrate doped with impurities to the same extent is used.

そして、同図(b)に示す評価試験装置を用いて、電子
の注入、及びMISキャパシタのC−■特性の測定を行
う。以下、その方法を具体的に説明する。まず、MIS
キャパシタを所定位置に取付け、切換スイッチ4をA端
子側に接続し、パルスジェネレータ5と閉回路を構成す
る。次に、このノぞルスジエネレータ5により、正のノ
にルス電圧を急速に発生させ、これをMISキャパシタ
の金属ゲート電極3に印加し、pffisl 基板1か
ら少数キャリアの電子を7バランシエによp sto、
膜2中に注入する。
Then, electron injection and measurement of the C-■ characteristics of the MIS capacitor are performed using the evaluation test apparatus shown in FIG. The method will be specifically explained below. First, MIS
The capacitor is attached to a predetermined position, the changeover switch 4 is connected to the A terminal side, and a closed circuit is formed with the pulse generator 5. Next, a positive pulse voltage is rapidly generated by the nozzle generator 5, and this is applied to the metal gate electrode 3 of the MIS capacitor, and minority carrier electrons are transferred from the pffisl substrate 1 to the psto 7 balancier. ,
Inject into membrane 2.

ここで第4図を基に、電子のアバランシエ注入のプロセ
スを説明する。パルス電圧を印加する前は、同図−)に
示す如く、MIS系は熱的平衡状態にありALゲート電
極3のフェルミ準位EFMとSll版板p盤sl半導体
)1の7工ルミ準位EF8は一致し、それらの仕事関数
差からpHsi 半導体10表面部では、多数キャリア
の正孔11は退けられ、少数キャリアの電子8が伝導帯
に僅かに誘起されて、エネルギー帝は下方に曲っている
Here, the process of electron avalanche injection will be explained based on FIG. Before applying the pulse voltage, as shown in the same figure (-), the MIS system is in a thermal equilibrium state, and the Fermi level EFM of the AL gate electrode 3 and the 7-factor Lumi level of the Sll plate, p plate, sl semiconductor) 1 EF8 match, and from the difference in their work functions, pHsi At the surface of the semiconductor 10, the majority carrier holes 11 are repelled, and the minority carriers electrons 8 are slightly induced into the conduction band, and the energy impedance is bent downward. There is.

MIS系は、このようにほぼ空乏状態となっているが、
past 半導体1の不純物濃度が高い為、外因性デバ
イ長で決まる空乏層16の幅は狭い。
Although the MIS system is almost depleted in this way,
Since the impurity concentration of the past semiconductor 1 is high, the width of the depletion layer 16 determined by the extrinsic Debye length is narrow.

また、5ift膜2のバルク中にはトラップ9によりト
ラップ単位が形成されているが、上記Sl 半導体1の
少数キャリアである電子8はSiO,膜2との間の電位
障壁を超える事は出来ず、stow膜2中には注入され
ない為、トラップ9は電気的には中性となっている。図
中、10は電子によ〕負にイオン化したアクセプタを示
し、またEC# EVはSl半導体1の伝導帯下端、及
び価電子帯上端を夫々示すものである。
In addition, trap units are formed by traps 9 in the bulk of the 5ift film 2, but the electrons 8, which are minority carriers of the Sl semiconductor 1, cannot overcome the potential barrier between them and the SiO film 2. , are not injected into the stow film 2, so the trap 9 is electrically neutral. In the figure, 10 indicates an acceptor negatively ionized by electrons, and EC#EV indicates the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the Sl semiconductor 1, respectively.

次に、Si 半導体10表面部において、反転層の形成
が不可能な程急速K、すなわち10 m5ec・程度以
下の掃引で、アノ9ランシエを生ぜしめる程度の正のパ
ルス電圧をALゲート電極3に印加すると、同図(b)
に示す如く、Si 半導体1側には空乏層16が広がる
。しかしながら、印加されたパルス電圧はSin、膜2
と、この空乏層とにかかるものの、所謂降服電圧程度に
設定されている為、Si半導体10表面部ではアバラン
シェが生じ、この表面部での電界は一定のアバランシエ
電界に保たれるので、Si 半導体1の不純物濃度が高
い事と相まって空乏層16は一定の狭い広がりを持つに
停る。このように、空乏層16での高電界により、伝導
体にある上記少数キャリアの電子8が加速されて大きな
運動エネルギーを持つ。そして、この加速された電子8
は価電子帯に存在する結合電子等と衝突して、これらを
伝導帯に叩き出し、これが累積的に繰り返され、Si 
半導体1の表面部でアバランシェが生じ、これにより多
数の電子がSiO,膜2中に注入される。このアノ9ラ
ンシエにより注入された電子は、一部トラップ9に捕獲
される。この為、電子注入前は中性であったトラップ9
は、注入後は負に帯電し、SiO,膜2ノ々ルク中にお
いて空間電荷として作用する事となる。
Next, on the surface of the Si semiconductor 10, a positive pulse voltage sufficient to cause an anno-9 Rancier is applied to the AL gate electrode 3 with a sweep of K that is so rapid that it is impossible to form an inversion layer, that is, about 10 m5ec· or less. When applied, the same figure (b)
As shown in FIG. 2, a depletion layer 16 spreads on the Si semiconductor 1 side. However, the applied pulse voltage is
Since the voltage applied to this depletion layer is set to about the so-called breakdown voltage, avalanche occurs at the surface of the Si semiconductor 10, and the electric field at this surface is maintained at a constant avalanche electric field. Coupled with the high impurity concentration of 1, the depletion layer 16 only has a certain narrow width. In this way, due to the high electric field in the depletion layer 16, the minority carrier electrons 8 in the conductor are accelerated and have a large kinetic energy. And this accelerated electron 8
collides with bonding electrons existing in the valence band, knocking them out to the conduction band, and this process is repeated cumulatively, and the Si
Avalanche occurs at the surface of the semiconductor 1, and a large number of electrons are injected into the SiO film 2. A portion of the electrons injected by this Anno 9 Rancier are captured by the trap 9. For this reason, trap 9, which was neutral before electron injection,
is negatively charged after implantation and acts as a space charge in the SiO film.

以上、アバ2ンシエにより電子tsio、膜2中に注入
した後、切換スイッチ4をB端子側に接続し、静電容量
測定器6、及び電圧源7と回路を構成して、SiO,膜
2の容量とSl 半導体1表面部の容量とが1列接続さ
れたMIS系の全容量のノ々イアス電圧依存性(c−V
特性)を測定する。周知のように、絶縁体膜2バルク中
に空間電荷密度の変動がある場合、MISキャパシタの
C−V@性性腺線電圧変動等を生ずる為、これからイオ
ン化したトラップの密度を求める事が出来る(ジャーナ
ルオブ アプライド フィツクス ボリューム38、ナ
ンバー12、P4582〜P4588(1967)(J
、Appl 、Ph1s、 vol 38、N112 
 F 4582〜P4588(1967))。
As described above, after injecting electrons into the film 2 using the avalanche, the changeover switch 4 is connected to the B terminal side, and a circuit is configured with the capacitance measuring device 6 and the voltage source 7. The noise voltage dependence (c-V
characteristics). As is well known, if there is a change in the space charge density in the bulk of the insulator film 2, it will cause a change in the C-V@gonadal line voltage of the MIS capacitor, so the density of ionized traps can be determined from this ( Journal of Applied Fixtures Volume 38, Number 12, P4582-P4588 (1967) (J
, Appl, Ph1s, vol 38, N112
F 4582-P4588 (1967)).

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

上述した従来方法は、Sl 基板lの不純物濃度がI 
X 101’〜I X 10f畠/cdと中ないし高濃
度の範囲に限定されるものである。実際、MISディノ
々イスとして使用されるSi 基板1の不純物濃度は、
I X 1 ()s6/−以下の低濃度の場合も多い。
In the conventional method described above, the impurity concentration of the Sl substrate l is
It is limited to a medium to high concentration range of X 101' to I X 10f field/cd. In fact, the impurity concentration of the Si substrate 1 used as the MIS dino chair is
In many cases, the concentration is as low as I X 1 ()s6/- or less.

しかしながら、低不純物濃度のSi 基板1を用いた場
合、空乏層16は熱的平衡時においては外因性デバイ長
で決まる為広くなシ、またパルス電圧を印加する場合に
もSl 半導体1表面部で7ノ9ランシエが開始される
、所謂降服電圧に至る迄は1、pRパルス電圧振幅の増
加に伴い、空乏層16は階段状p −n接合のようにS
i 半導体1側へ大きく広がってゆく。jg5図はこの
様子を示したもので、p戯S1 基板1の不純物濃度は
3 X 10”/−程度である。同図によると、降服電
圧は50v程度と高く、パルス電圧の振幅がそれ以上に
なるとSi半導体1表面部でアノ々ランシエが生じ、表
面電界が7パランシエ電界に維持される為、過剰の電圧
はsio、膜2にのみ印加され、空乏層16の広がりは
抑制されるものの、その幅は4μm程度と大きい。また
、パルス電圧を降服電圧以上にとると、金属ゲート電極
3周辺部での電界が大きくなり、所謂周辺効果が生じ絶
縁破壊が生じ易い◇このようにSi 基板lの不純物濃
度が低いと1空乏層16の広がりが大きくなりアバラン
シェを生ずるのに十分な電界強度がとれず、また所望の
アノ々ランシエを起こす為には大きなパルス電圧が必要
上なるがパルス電圧が高ければ金属ゲート電極3周辺部
での電界強度が強くなシ絶縁体I[2が絶縁破壊を生じ
易くなる。
However, when using a Si substrate 1 with a low impurity concentration, the depletion layer 16 becomes wide at thermal equilibrium because it is determined by the extrinsic Debye length. Until reaching the so-called breakdown voltage where 7-9 Ranciers start, as the pR pulse voltage amplitude increases, the depletion layer 16 becomes S like a stepped p-n junction.
i It spreads widely toward the semiconductor 1 side. The diagram 5 shows this situation, and the impurity concentration of the substrate 1 is about 3 x 10"/-. According to the diagram, the breakdown voltage is as high as about 50 V, and the amplitude of the pulse voltage is higher than that. When this happens, an annolancier occurs on the surface of the Si semiconductor 1, and the surface electric field is maintained at a seven-parancier electric field, so that excessive voltage is applied only to the sio film 2, and the spread of the depletion layer 16 is suppressed. Its width is large, about 4 μm.Furthermore, if the pulse voltage is set higher than the breakdown voltage, the electric field around the metal gate electrode 3 becomes large, causing the so-called peripheral effect, which tends to cause dielectric breakdown.◇In this way, the Si substrate l If the impurity concentration of If it is higher, the electric field strength around the metal gate electrode 3 becomes more likely to cause dielectric breakdown in the insulator I[2.

従って、従来構成のMISキャパシタにおいては、低不
純物濃度OSi基板1を用いた場合、アバ2ンシエ注入
には高いパルス電圧を要するが、絶縁体膜2が絶縁破壊
を生じ易い為に十分なアバランシェ注入が出来ないとい
り問題がある。
Therefore, in a MIS capacitor with a conventional configuration, when a low impurity concentration OSi substrate 1 is used, a high pulse voltage is required for avalanche implantation. There is a problem if it cannot be done.

本発明は、以上述べた低不純物濃度のSi 基板lを用
いた場合、十分なアバランシェ注入が出来ないという問
題¥cW4消し、 Si基板lの不純物濃度の選択性を
広くとれる7)9ランシエ注入法を用いた、半導体素子
の評価方法を提供する事を目的とする。
The present invention eliminates the problem of not being able to perform sufficient avalanche implantation when using a Si substrate with a low impurity concentration, as described above, and provides a wide range of selectivity in the impurity concentration of the Si substrate.7)9 Rancier implantation method The purpose of this study is to provide a method for evaluating semiconductor devices using .

〔問題点全解決するための手段」 本発明に係°るMIS構造を有する半導体素子の評価方
法は、p −n接合部を形成するSi半導体のp鳳、及
びn m S i 半導体のうち、そのいずれかの上面
に積層構成の絶縁体膜及び金属ゲート電極と、対向電極
とを形成して底るMISキャノゼシタに、上記p −n
接合部に順バイアスとなるよう該金属ゲート電極に)に
ルス電圧を印加するステップと、該ノぞルス電圧印加に
よ層上層部Si 半導体の表面部に形成される空乏層を
上記p −n接合部まで広げると共に、該p −n接合
部の電位障壁を介して下層部Si 半導体の多数キャリ
アを拡散させてアノ々ランシエを起し、上記絶縁体膜中
にキャリアを注入して該絶縁体膜中のトラップをイオン
化するステップと、上記金属ゲート電極及び対向電極を
測定端子とし、該イオン化したトラップを絶縁体膜中の
電荷変化量として測定するステップとを含み、絶縁体膜
中のトラップ量の評価を行うものである。
[Means for Solving All Problems] The method for evaluating a semiconductor element having an MIS structure according to the present invention is based on a method for evaluating a semiconductor element having an MIS structure, which is based on a p-type Si semiconductor that forms a p-n junction, and an nm Si semiconductor, The p-n
A step of applying a pulse voltage to the metal gate electrode so as to provide a forward bias to the junction, and a depletion layer formed on the surface of the upper layer Si semiconductor by applying the pulse voltage to the p-n layer. At the same time, the majority carriers in the lower Si semiconductor are diffused through the potential barrier of the p-n junction to cause anolancier, and the carriers are injected into the insulator film to form the insulator. The amount of traps in the insulator film includes a step of ionizing traps in the film, and a step of measuring the ionized traps as an amount of charge change in the insulator film using the metal gate electrode and the counter electrode as measurement terminals. This is an evaluation of the following.

〔作 用〕[For production]

この発明においては、MISキャパシタのS1半導体に
p−n接合部を有する為、アバランシェ注入において、
金属ゲート電極にパルス電圧を印加する際、上層部Sl
 半導体の表面部に形成される空乏層はこのp −n接
合部まで広がるものの、空乏層幅は一定に保たれ、従っ
てこの空乏層内においては高電界が維持される。
In this invention, since the S1 semiconductor of the MIS capacitor has a p-n junction, in avalanche injection,
When applying a pulse voltage to the metal gate electrode, the upper layer Sl
Although the depletion layer formed on the surface of the semiconductor extends to this p-n junction, the width of the depletion layer is kept constant, and therefore a high electric field is maintained within this depletion layer.

また、上記パルス電圧をp −n接合部に頴バイアスす
る事により、下層部Si 半導体の多数キャリアがp−
n接合部での電位障壁を介して上記空乏層内へと拡散し
、加速され、大きな衝突電離作用を起す為、容易にアノ
々ランシエを生ずるので、低、パルス電圧で降服電圧と
する事が出来る。
In addition, by applying the above pulse voltage to the p-n junction, the majority carriers in the lower Si semiconductor are p-
It diffuses into the depletion layer through the potential barrier at the n-junction, is accelerated, and causes a large impact ionization effect, which easily causes anoranciers, so it is recommended to set the breakdown voltage at a low pulse voltage. I can do it.

更に、キャリアのアバランシェ注入によりイオン化した
絶縁体膜中のトラップ量を、電荷変化量として測定する
際、測定端子用電極としては金属ゲート電極と対向電極
とを用いるので、半導体の測定糸と通常のMIS系とし
て構成する事が出来る。
Furthermore, when measuring the amount of traps in an insulator film ionized by avalanche injection of carriers as a change in charge, a metal gate electrode and a counter electrode are used as measurement terminal electrodes, so a semiconductor measurement thread and a normal It can be configured as an MIS system.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例を図に基いて説明する5、第1
図は、本発明による絶縁体膜中のトラップ密度評価用の
MISキャパシタ、及び評価試験装置の構成例な示した
ものである。MISキャパシタは同図(a)に示す如く
、所定の不純物濃度ND を有するn型Si 半導体1
2上K、I X 10f’/cII  程度以下の不純
物濃度8人を有するpast 半導体1を気相エピタキ
シー法、またはMBE法等によって膜厚を1〜3μm程
度として成膜し、Si 基板部を形成する。次に、この
Si 基板部上に酸化膜形成技術を用いて、Sin、膜
から成る絶縁体膜2を所定の膜厚に形成し、その後、A
tから成る金属ゲート電極3、及び対向電極13とを、
夫々オーミック接触となるように形成する事によりMI
Sキャパシタが構成されている。なお、Sl 基板部に
おいて、nff18i半導体12の不純物濃度NDは、
pffis1半導体1の不純物濃度8人よりも高くとら
れている。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be explained based on the drawings.
The figure shows a configuration example of a MIS capacitor for evaluating trap density in an insulator film and an evaluation test apparatus according to the present invention. As shown in the figure (a), the MIS capacitor is made of an n-type Si semiconductor 1 having a predetermined impurity concentration ND.
2. A past semiconductor 1 having an impurity concentration of about K, I x 10f'/cII or less is deposited to a film thickness of about 1 to 3 μm by vapor phase epitaxy, MBE, etc. to form a Si substrate part. do. Next, an insulator film 2 made of a Si film is formed to a predetermined thickness using an oxide film formation technique on this Si substrate portion, and then A
The metal gate electrode 3 consisting of t and the counter electrode 13,
MI by forming ohmic contact with each
An S capacitor is configured. Note that in the Sl substrate portion, the impurity concentration ND of the nff18i semiconductor 12 is
The impurity concentration of pffis1 semiconductor 1 is higher than that of 8 people.

次に第2図によって、このMISキャパシタを用いた場
合の電子のアバランシェ注入のプロセスをa明する。パ
ルス電圧が印加される前は、同図C&)に示す如く、M
IS系は熱的平衡状態にあシ、Sl 基板部では上層部
のpffisi 半導体1と下層部のn型Si 半導体
12の7工ルミ準位はEF8に一致し、またこれとAt
ゲート電極3のフェルミ準位KPMとが一致している。
Next, referring to FIG. 2, the avalanche electron injection process when using this MIS capacitor will be explained. Before the pulse voltage is applied, M
The IS system is in a thermal equilibrium state, and in the Sl substrate, the upper pffisi semiconductor 1 and the lower n-type Si semiconductor 12 have a 7-luminium level that coincides with EF8, and this and At
The Fermi level KPM of the gate electrode 3 matches.

そして、past 半導体1偶においては、不純物濃度
8人が低い為、電子は伝導帯に殆んど励起されず少数キ
ャリア密度は十分低く、一方表面部では外因性デノ々イ
長で決まる第1の空乏層16が形成され、エネルギー帯
は下方に曲がっている。なお、金属ゲート電極3とp!
1Si 半導体1間の仕事関数差等がなければ、第10
空乏層は存在せずエネルギー帯はフラットバンド状態と
なる。また、n型Si 半導体12側では不純物濃度N
Dが高い為、伝導帯にはドナ準位から電子が励起されて
多数キャリア14を形成し、伝導帯下端Ec近傍のドナ
準位には、一部正にイオン化したドナ15が存在する。
In the past semiconductor, since the impurity concentration is low, electrons are hardly excited to the conduction band and the minority carrier density is sufficiently low.On the other hand, at the surface, the first A depletion layer 16 is formed, and the energy band is curved downward. Note that the metal gate electrode 3 and p!
1Si If there is no work function difference between semiconductors 1, the 10th
There is no depletion layer and the energy band becomes a flat band state. Also, on the n-type Si semiconductor 12 side, the impurity concentration N
Since D is high, electrons are excited from the donor level in the conduction band to form majority carriers 14, and some positively ionized donors 15 exist in the donor level near the lower end Ec of the conduction band.

そして、p温Si 半導体1とn盤S1 半導体12と
のp −n接合部17には、第2の空乏層が形成されて
おり、両者の仕事関数差から電位障壁が存在する。
A second depletion layer is formed at the p-n junction 17 between the p-temperature Si semiconductor 1 and the n-board S1 semiconductor 12, and a potential barrier exists due to the work function difference between the two.

このように、pffisi 半導体1側では少数キャリ
ア(電子)密度が十分低い事、またnWS1半導体12
側の多数キャリア(電子゛)は電位障壁の存在の為に拡
散出来ない事により、この状態においては電子がSi0
!膜2中に、注入される事はない。
In this way, the minority carrier (electron) density on the pffisi semiconductor 1 side is sufficiently low, and the nWS1 semiconductor 12
In this state, the majority carriers (electrons) on the side cannot diffuse due to the presence of a potential barrier, so in this state the electrons are
! Nothing is injected into the membrane 2.

次に、Atゲート電極3に振幅°の小さな正のパルス電
圧を、10 m5ec、程度以下の掃引により急速に印
加した場合は、同図(b)に示す如く、ノぞルス電圧は
5iO1膜2と、上記第1 (16)、及び第2の空乏
層にかかる為、エネルギー帯は下方に傾斜する。
Next, when a positive pulse voltage with a small amplitude ° is rapidly applied to the At gate electrode 3 by a sweep of about 10 m5ec or less, the nozzle voltage is lower than that of the 5iO1 film 2, as shown in Figure (b). , the energy band slopes downward because it is applied to the first (16) and second depletion layers.

この際、PffiSi 半導体1側においては、周知の
ように、表面部での電子誘起の時定数は0.1〜1.0
 sec、程度と大きい為、電子の蓄積により反転層が
形成される事はない。また、多数キャリアの正孔11は
第2の空乏層側へと退けられ、その分第1の空乏層16
は広くなる。そして、p−n接合部17には弱い順ノ々
イアスがかかる為、第2の空乏層幅はやや狭められ、電
位障壁は幾分低下し、僅かの電子14がpffiSi 
半導体1中へと拡散してゆくものの、第1の空乏層16
内での電界強度は弱く、表面部でアバランシェは殆んど
生じない為、所望の如く電子が5IO1膜2中に注入さ
れる事はない。
At this time, on the PffiSi semiconductor 1 side, as is well known, the time constant of electron induction at the surface is 0.1 to 1.0.
sec, so no inversion layer is formed due to accumulation of electrons. In addition, the holes 11 as majority carriers are repelled to the second depletion layer side, and the first depletion layer 16
becomes wider. Then, since a weak sequential bias is applied to the pn junction 17, the width of the second depletion layer is slightly narrowed, the potential barrier is lowered somewhat, and a few electrons 14 are transferred to the pffiSi.
Although it diffuses into the semiconductor 1, the first depletion layer 16
Since the electric field strength within the 5IO1 film 2 is weak and almost no avalanche occurs at the surface, electrons are not injected into the 5IO1 film 2 as desired.

そして、更に高いパルス電圧を印加した場合には、51
01膜2、及び第1 (16)、第2の空乏層では電圧
降下が増大し、同図(c)に示すように、エネルギー帯
は更に下方に傾斜する。この場合、p ust半導体1
側においては、第1の空乏層16はp −n接合部17
まで広がシ、エネルギー帯もこの接合部まで曲がる。多
数キャリアの正孔11は、順バイアスで低下した価電子
帯側の電位障壁を超えて、n型S1 半導体12中へと
拡散してゆく。なお、この状態においてp型、及びnl
l半導体1゜12側での電子の占有するエネルギー分布
の相違から、p−n接合部17が維持される為、上記第
1の空乏層16は、これを超えて広がる事はない。
When a higher pulse voltage is applied, 51
The voltage drop increases in the 01 film 2 and the first (16) and second depletion layers, and the energy band tilts further downward as shown in FIG. In this case, p ust semiconductor 1
On the side, the first depletion layer 16 forms a p-n junction 17
The energy band also bends to this junction. The majority carrier holes 11 diffuse into the n-type S1 semiconductor 12 over the potential barrier on the valence band side, which is lowered by forward bias. Note that in this state, p-type and nl
Since the p-n junction 17 is maintained due to the difference in the energy distribution occupied by electrons on the semiconductor 1° 12 side, the first depletion layer 16 does not extend beyond this.

従って、第1の空乏層16の幅は、pffiSi 半導
体1の膜厚1〜3μm程度の一定幅となり、第5図で説
明した従来例のように、アノ々ランシエが生ずる迄大き
く広がる事はないので、第1の空乏層16内では一定の
高い電界強度が維持される。
Therefore, the width of the first depletion layer 16 is a constant width of about 1 to 3 μm in the film thickness of the pffiSi semiconductor 1, and it will not widen to the extent that anoranciers occur as in the conventional example explained in FIG. Therefore, a constant high electric field strength is maintained within the first depletion layer 16.

また、n型Si 半導体12側においては、p−n接合
部17に更に順バイアスがかかり、電位障壁が低下する
為、多数キャリアの電子14は、これを通ってp型Si
 半導体1中へと拡散してゆく。
Furthermore, on the n-type Si semiconductor 12 side, a forward bias is further applied to the p-n junction 17 and the potential barrier is lowered, so the majority carrier electrons 14 pass through this to the p-type Si semiconductor 12.
It diffuses into the semiconductor 1.

この拡散した電子は、上記第1の空乏層16内の高電界
により加速され、価電子帯の電子等と衝突電離を起こし
、表面部でアノ々ランシエを生ずる為、多数の電子がS
in、膜2中へ注入される。そして、注入された電子は
、一部トラップに捕獲され、トラップは負にイオン化し
て空間電荷となる。
These diffused electrons are accelerated by the high electric field in the first depletion layer 16, cause collision ionization with electrons in the valence band, and generate anoranciers at the surface, so that a large number of electrons are
in, injected into the membrane 2. Then, some of the injected electrons are captured by traps, and the traps are negatively ionized and become space charges.

以上のように、降服電圧程度のパルス電圧を印加する際
には、第1の空乏層16の広がりは薄いp盟Si 半導
体1の膜厚程度に制限されるので、この第1の空乏層1
6には一定電圧がかかり、残りの電圧がsio、膜2、
及び第2の空乏層に加わる。
As described above, when applying a pulse voltage approximately equal to the breakdown voltage, the spread of the first depletion layer 16 is limited to approximately the thickness of the thin p-Si semiconductor 1.
A constant voltage is applied to 6, and the remaining voltage is sio, membrane 2,
and is added to the second depletion layer.

従って、本実施例によれは、pusi 半導体1内では
高い電界強度が維持されると共に、下層のn麗S1 半
導体12からは多数キャリアの電子14が容易に拡散す
るので5上記パルス電圧は従来方法の場合程高い電圧を
要せず、アノ々ランシエ注入も安定して行う事が出来る
Therefore, according to this embodiment, a high electric field strength is maintained within the PUSI semiconductor 1, and the majority carrier electrons 14 are easily diffused from the lower layer NP semiconductor 12. It does not require as high a voltage as in the case of , and Ano-Rancier injection can be performed stably.

上述した電子のアバランシェ注入は、第1図(b)K示
す評価試験装置において、切換スイッチ4、及び16を
夫々人端子側に接続し、パルスジェネレータ5によシ降
服電圧程度のパルス電圧を急速に発生させ、これをMI
Sキャパシタに印加する事によシ行う。そして注入後の
特性測定においては、試料を通常のMISキャパシタ構
造とする為に1パルス電圧印加時に使用したSl基板部
下層のn型S1 半導体12偶の電極端子の代シに、紅
から成るオーミック接触の対向電極13側を測定端子と
するよう、切換スイッチ4、及び16を夫々B端子側に
接続し、静電容量測定器6と電圧源7との閉回路を構成
する。そして、このMISキャパシタのC−■特性の測
定を行い、イオン化したトラップによる空間電荷の変化
量を、特性曲線の電圧変動量等から求め、これによ、6
 sto、膜から成る絶縁体膜2ノ々ルク中のトラップ
密匿の評価を行う。
The above-mentioned avalanche injection of electrons is carried out using the evaluation test apparatus shown in FIG. and generate this in MI
This is done by applying voltage to the S capacitor. In the characteristic measurement after implantation, in order to make the sample into a normal MIS capacitor structure, an ohmic electrode made of red was used as a substitute for the electrode terminal of the n-type S1 semiconductor in the lower layer of the Sl substrate, which was used when applying one pulse voltage. The changeover switches 4 and 16 are respectively connected to the B terminal side so that the opposite electrode 13 side of the contact becomes the measurement terminal, and a closed circuit between the capacitance measuring device 6 and the voltage source 7 is formed. Then, the C-■ characteristic of this MIS capacitor is measured, and the amount of change in space charge due to ionized traps is determined from the amount of voltage fluctuation of the characteristic curve.
Trap sealing in the insulator film 2-nork consisting of the sto film and the sto film is evaluated.

なお、本実施例においては、Si 基板部上層のp盤S
1半導体1の不純物濃度が、IXIG”/cd程度以下
の低不純物濃度の場合について述べたが、本発明は不純
物濃度がI X 101’〜I X 10”/−と中な
いし高濃度の場合にも適用する事が出来る。すなわち、
不純物濃度が高い場合は前述したように、パルス電圧印
加の際、pffisi 半導体側の空乏層の広がりは狭
くなるので、例えばこのp型Si 半導体1の膜厚を、
空乏層の広がりを抑える程度に薄く形成する事により、
従来方法よりも低いノRルス電圧によりアノ々ランシエ
注入を行う事が出来る。
In this example, the p-board S in the upper layer of the Si substrate part is
1 The case where the impurity concentration of the semiconductor 1 is low impurity concentration of about I can also be applied. That is,
As mentioned above, when the impurity concentration is high, the spread of the depletion layer on the pffisi semiconductor side becomes narrower when a pulse voltage is applied.
By forming the layer thin enough to suppress the spread of the depletion layer,
Ano-Rancier implantation can be performed with a lower Norse voltage than conventional methods.

この場合、下層のn呈si 半導体の不純物濃度は、上
層のpffisi 半導体よりも高くとる事が望ましい
In this case, it is desirable that the impurity concentration of the lower layer n-Si semiconductor is higher than that of the upper layer pffisi semiconductor.

そして、絶縁体膜中に正孔を注入する時は、MISキャ
ノぞシタはp型Si 半導体とnWsi 半導体の積層
位置関係を逆にすると共に、下層のp星Sl 半導体の
不純物濃度を上層よりも高くとるようにし、また金属ゲ
ート電極には負のノにルス電圧を印加する必要がある。
When injecting holes into the insulator film, the MIS canister reverses the stacking positional relationship of the p-type Si semiconductor and the nWsi semiconductor, and also increases the impurity concentration of the lower p-star Sl semiconductor to be lower than that of the upper layer. In addition, it is necessary to apply a negative voltage to the metal gate electrode.

なお、この場合、正孔の注入によりトラップは正にイオ
ン化する。
Note that in this case, the traps are positively ionized by hole injection.

更に、MISキャノぞシタの絶縁体膜としては、前述の
Si0.膜の他、S i sN4膜等の絶縁体被膜も適
用出来る事は勿論である。
Furthermore, as the insulating film for the MIS canister, the above-mentioned Si0. Of course, in addition to the film, an insulating film such as a Si sN4 film can also be applied.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

この発明は以上詳述したように、評価用試料のMISキ
ャノシタのSl 半導体にp −n接合部を形成したの
で、キャリアのアバランシェ注入時において、パルス電
圧を急速に印加する際、上層部8i 半導体(pm)の
表面部に形成される空乏層(第1の空乏層)は、このp
 −n接合部まで広がシ一定幅となるので、この空乏層
内では高電界が保たれる。従って、パルス電圧印加時、
空乏層幅が大きく広がるという特性を有する低不純物濃
度(I X 10”/cd  程度以下)のSi 半導
体を用いる場合、低いノRルス電圧によシ、しかも従来
問題とされた電極部での周辺効果も十分抑制されて、安
定なアノ9ランシエによるキャリア注入を行う事が出来
るという効果がある。
As described in detail above, in this invention, since a p-n junction is formed in the Sl semiconductor of the MIS capacitor as the evaluation sample, when a pulse voltage is rapidly applied during avalanche injection of carriers, the upper layer 8i semiconductor The depletion layer (first depletion layer) formed on the surface of (pm) is
Since it spreads to the -n junction and has a constant width, a high electric field is maintained within this depletion layer. Therefore, when applying a pulse voltage,
When using a Si semiconductor with a low impurity concentration (approximately I x 10"/cd or less), which has the characteristic of greatly expanding the depletion layer width, it is possible to use a low Norse voltage, and also to avoid the problem of the peripheral area of the electrode, which has been a problem in the past. This has the effect that the effect is sufficiently suppressed and stable carrier injection can be performed using Ano9 Rancier.

ま゛た、本発明では、アバランシェ5の衝突電離作用に
寄与するキャリアとしては、少数キャリアに依存する従
来方−法と異なり、下層部Sl 半導体(n型)から順
バイアスにより拡散する多数キャリア(電子)に依存す
る為、MISキャノゼシタにノぞルス電圧印加時に空乏
層の広がりの小さい中ないし高不純物濃度(t x i
 o” 〜i x i o”程度)O8i半導体を用い
る場合、例えば、膜厚を空乏層の広がル幅以下にして形
成する等により、空乏層内の電界強度を同程度としても
上記の空乏層幅が一定に保九れる事と相まって、キャリ
アの衝突電離の作用効果は大きくなるので、従来方法よ
りも更に低いパルス電圧でアバランシェ注入を行う事が
出来るという効果もある。
Furthermore, in the present invention, unlike the conventional method which relies on minority carriers, the carriers contributing to the impact ionization effect of the avalanche 5 are majority carriers (which diffuse from the lower layer Sl semiconductor (n-type) by forward bias). When a nozzle voltage is applied to the MIS canister, the spread of the depletion layer is small and medium to high impurity concentration (t x i
When using an O8i semiconductor (approximately Coupled with the fact that the layer width is kept constant, the effect of collision ionization of carriers becomes greater, so there is also the effect that avalanche injection can be performed with a lower pulse voltage than in the conventional method.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図(jL)は本発明に係る評価用試料の構成を示す
断面図、第1図(b)は同様の評価試験装置の構成を示
す概要図、第2図は同様の7ノ々ランシエ注入の各プロ
セスを説明するエネルギー帯図、そして第3図−)は従
来方法の評価用試料の構成を示す断面図、第3図ら)は
同様の評価試験装置の構成を示す概要図、第4図は同様
のアバランシェ注入の各プロセスを説明するエネルギー
帯図、第5図は同従来方法における評価用試料のSi 
基板(p型)空乏層幅−パルス電圧特性図である。 1・・・p型S1半導体、2・・・絶縁体膜(Slat
)、3・・・金属ゲート電極(AA)、4,16・・・
切換スイッチ、5・・りぞルスジエネレータ、6・・・
静電容量測定器、7・・・電圧源、9・・・トラップ、
10・・・p型Si半導体中のアクセプタ、11・・・
p型Sl半導体中の多数キャリア(正孔)、12・・・
n型Si半導体、13・・・対向電極(At)、14・
・・n型Si半導体中の多数キャリア(電子)、15・
・・n型Si半導体中のドナ、16・・・空乏層(第1
の空乏層)、17・・・p −n接合゛部。 特許出願人  沖電気工業株式会社 第1図 第3図 ji!4fi パルス電圧(v) イ芝来方)云1玲けSSi甚4及(?ダ)シ壬眉沖シの
ハワシス電圧依存号9諷がe図第5図 手続補正書 昭和61年7月18日 特許庁長官署 Ill  鴫減殿 1、事件の表示 昭和60年 特 許願第 142591  号2、発明
の名称 半導体素子の評価方法 &補正をする者 事件との関係    特  許 出願人(029)沖電
気工業株式会社 4、代理人 5、補正命令の日付  昭和  年  月  日(自発
的)6、補正の対象 「シリコレ窒化膜」と訂正する。
FIG. 1(jL) is a cross-sectional view showing the configuration of an evaluation sample according to the present invention, FIG. 1(b) is a schematic diagram showing the configuration of a similar evaluation test device, and FIG. Energy band diagrams explaining each process of injection; Figure 3-) is a sectional view showing the configuration of a sample for evaluation in the conventional method; Figures 3-) are schematic diagrams showing the configuration of a similar evaluation test device; The figure is an energy band diagram explaining each process of similar avalanche injection, and Figure 5 shows the Si of the evaluation sample in the same conventional method.
FIG. 3 is a substrate (p-type) depletion layer width-pulse voltage characteristic diagram. 1...p-type S1 semiconductor, 2...insulator film (Slat
), 3...metal gate electrode (AA), 4,16...
Selector switch, 5... Rezorus generator, 6...
Capacitance measuring device, 7... Voltage source, 9... Trap,
10...Acceptor in p-type Si semiconductor, 11...
Majority carriers (holes) in p-type Sl semiconductor, 12...
n-type Si semiconductor, 13... counter electrode (At), 14.
...Majority carriers (electrons) in n-type Si semiconductor, 15.
... Donor in n-type Si semiconductor, 16... Depletion layer (first
depletion layer), 17...p-n junction section. Patent applicant Oki Electric Industry Co., Ltd. Figure 1 Figure 3 ji! 4fi Pulse voltage (v) Ishiba coming) Yun 1 Reike SSi Jin 4 and (? da) Shi Mimayoki's Hawasis voltage dependence No. 9 is Figure e Figure 5 Procedural amendment July 18, 1985 Japan Patent Office Commissioner's Office Ill Shizumasu-dono 1, Indication of the case 1985 Patent Application No. 142591 2, Name of the invention Method for evaluating semiconductor devices & Relationship with the person making the amendment Patent Applicant (029) Oki Electric Kogyo Co., Ltd. 4, Agent 5, Date of amendment order: Showa, Month, Day (Voluntary) 6, Corrected to ``Silicole nitride film'' subject of amendment.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)MIS構造を有する半導体素子の評価方法におい
て、 (a)p−n接合部を形成するSi半導体のp型、及び
n型Si半導体のうち、そのいずれか上面に積層構成の
絶縁体膜及び金属ゲート電極と、対向電極とを形成して
成るMISキャパシタに、上記p−n接合部に順バイア
スとなるよう該金属ゲート電極にパルス電圧を印加する
ステップ、 (b)該パルス電圧印加により上層部Si半導体の表面
部に形成される空乏層を上記p−n接合部まで広げると
共に、該p−n接合部の電位障壁を介して下層部Si半
導体の多数キャリアを拡散させてアバランシエを起し、
上記絶縁体膜中にキャリアを注入して該絶縁体膜中のト
ラップをイオン化するステップ、 (c)上記アバランシエによるキャリア注入後、上記金
属ゲート電極及び対向電極とを測定端子用電極とし、該
イオン化したトラップを上記絶縁体膜中の電荷変化量と
して測定するステップ、とを含み、絶縁体膜中のトラッ
プ量の評価を行う事を特徴とする半導体素子の評価方法
(1) In a method for evaluating a semiconductor device having an MIS structure, (a) an insulator film having a laminated structure on the upper surface of either a p-type Si semiconductor or an n-type Si semiconductor forming a p-n junction; and a step of applying a pulse voltage to the metal gate electrode of the MIS capacitor formed by forming a metal gate electrode and a counter electrode so as to provide a forward bias to the p-n junction; (b) by applying the pulse voltage; The depletion layer formed on the surface of the upper Si semiconductor is expanded to the p-n junction, and the majority carriers of the lower Si semiconductor are diffused through the potential barrier of the p-n junction to cause avalanche. death,
Injecting carriers into the insulator film to ionize traps in the insulator film; (c) After the carrier injection by the avalanche, the metal gate electrode and the counter electrode are used as measurement terminal electrodes, and the ionization A method for evaluating a semiconductor device, comprising the step of measuring the trapped amount as an amount of charge change in the insulating film, and evaluating the amount of traps in the insulating film.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104198570A (en) * 2014-09-10 2014-12-10 国家电网公司 Device and method for calculating trap parameters by measuring attenuation of short-circuit current under reverse bias

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