JPH02224355A - 半導体デバイス中の可動イオン濃度測定法 - Google Patents
半導体デバイス中の可動イオン濃度測定法Info
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- JPH02224355A JPH02224355A JP1329791A JP32979189A JPH02224355A JP H02224355 A JPH02224355 A JP H02224355A JP 1329791 A JP1329791 A JP 1329791A JP 32979189 A JP32979189 A JP 32979189A JP H02224355 A JPH02224355 A JP H02224355A
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- volts
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- G—PHYSICS
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- G01R31/2637—Circuits therefor for testing other individual devices
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
- Formation Of Insulating Films (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は一般的に、半導体デバイス製作プロセス中に、
そのような半導体デバイスの一部として形成される誘電
体層中の可動イオン密度を測定する方法に係る。
そのような半導体デバイスの一部として形成される誘電
体層中の可動イオン密度を測定する方法に係る。
木見豆立皇見
半導体デバイスは典型的な場合、相対的に汚染のない材
料を必要とする。多くの汚染の可能性があり、ナトリウ
ムイオンのような可動イオンは、半導体デバイス製作で
使われる誘電体中の共通の汚染物質であることが知られ
ている。たとえば、そのような汚染物質はシリコン電界
効果トランジスタ中のゲート酸化物として共通して用い
られるシリコン酸化物中にも存在することがある。その
ような酸化物は典型的な場合、下地のシリコンの熱酸化
により成長させられ、一般的にたとえば１１００ｎ以下
と非常に薄い。可動イオンはそれらがデバイス動作電圧
をシフトさせる傾向があるため、ゲート酸化物中では好
ましくないことが知られている。従って、そのような酸
化物中の可動イオン濃度を測定すべく。
料を必要とする。多くの汚染の可能性があり、ナトリウ
ムイオンのような可動イオンは、半導体デバイス製作で
使われる誘電体中の共通の汚染物質であることが知られ
ている。たとえば、そのような汚染物質はシリコン電界
効果トランジスタ中のゲート酸化物として共通して用い
られるシリコン酸化物中にも存在することがある。その
ような酸化物は典型的な場合、下地のシリコンの熱酸化
により成長させられ、一般的にたとえば１１００ｎ以下
と非常に薄い。可動イオンはそれらがデバイス動作電圧
をシフトさせる傾向があるため、ゲート酸化物中では好
ましくないことが知られている。従って、そのような酸
化物中の可動イオン濃度を測定すべく。
種々の方法が開発されてきた。
酸化物層中の可動イオン密度の従来の測定法は、典型的
な場合、酸化物層の相対する側にある電極に印加された
電圧を周期的に変化させ、すなわち“掃引（ｓｗｅｅｐ
ｉｎｇ） ”して、酸化物を貫く変位電流を測定するこ
とを含む。
な場合、酸化物層の相対する側にある電極に印加された
電圧を周期的に変化させ、すなわち“掃引（ｓｗｅｅｐ
ｉｎｇ） ”して、酸化物を貫く変位電流を測定するこ
とを含む。
そのような電流は典型的な場合、ゼロ電圧付近で急激に
、典型的な場合数十ミリボルト以内で立上り、酸化物の
厚さには依存しない。
、典型的な場合数十ミリボルト以内で立上り、酸化物の
厚さには依存しない。
そのような電流対電圧の挙動は、電極／酸化物界面付近
の可動イオンを保持していた弱い結合が破れたときに起
こると、一般に当業者には信じられている。その結果、
典型的な場合±５ボルト以下という非常に小さな電圧範
囲内の電圧掃引だけで、ゼロボルトに非常に接近して観
測しうるピーク変位電流が生成する。より高い電圧は酸
化物には必要ではなく、多くの従来の状況では、非常に
薄い熱酸化物で絶縁破壊を起こす可能性があるため実際
的でないと考えられてきた。
の可動イオンを保持していた弱い結合が破れたときに起
こると、一般に当業者には信じられている。その結果、
典型的な場合±５ボルト以下という非常に小さな電圧範
囲内の電圧掃引だけで、ゼロボルトに非常に接近して観
測しうるピーク変位電流が生成する。より高い電圧は酸
化物には必要ではなく、多くの従来の状況では、非常に
薄い熱酸化物で絶縁破壊を起こす可能性があるため実際
的でないと考えられてきた。
上で述べた方法は、一般に三角電圧掃引（Ｔｒｉａｎｇ
ｕｌａｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｅｅｐ） （“ＴＶＳ
”）法とよばれ、たとえば、”ＭＯ８構造中の可動電荷
研究に対する三角電圧掃引法の応用″と題する論文、ジ
ャーナル・エレクトロケミカル・ソサイアティ（Ｊ、
Ｅｌａｃｔｒｏｃｈｅｍ、 Ｓａｃ、）第１１８巻、第
４号、１９７１年４月、６０１−６０９頁に述べられて
いる。
ｕｌａｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｅｅｐ） （“ＴＶＳ
”）法とよばれ、たとえば、”ＭＯ８構造中の可動電荷
研究に対する三角電圧掃引法の応用″と題する論文、ジ
ャーナル・エレクトロケミカル・ソサイアティ（Ｊ、
Ｅｌａｃｔｒｏｃｈｅｍ、 Ｓａｃ、）第１１８巻、第
４号、１９７１年４月、６０１−６０９頁に述べられて
いる。
よく知られているように、比較的薄い熱的に成長させた
酸化物以外の誘電体も、現在−般的に用いられている。
酸化物以外の誘電体も、現在−般的に用いられている。
たとえば、低温化学気相堆積法により堆積させた比較的
厚い酸化物は、相互接続金属パターンの２つのレベル間
のレベル間誘電体として半導体デバイス製造において一
般的に用いられている。そのような堆積酸化物も可動イ
オンの汚染を受けやすく、熱的に成長させたゲート酸化
物の場合と同様、デバイス特性に悪影響を及ぼしうる。
厚い酸化物は、相互接続金属パターンの２つのレベル間
のレベル間誘電体として半導体デバイス製造において一
般的に用いられている。そのような堆積酸化物も可動イ
オンの汚染を受けやすく、熱的に成長させたゲート酸化
物の場合と同様、デバイス特性に悪影響を及ぼしうる。
しかし、堆積酸化物中の可動イオン濃度の測定は、熱酸
化物の対応する測定より困難であった。
化物の対応する測定より困難であった。
困難さはいくつかの理由によるものであり。
その理由の中にはたとえば、典型的には実質的に１１０
０ｎを越える堆積酸化物の厚さ、堆積酸化物に対し一般
的に行う低温熱処理および誘電体の無秩序な性質が含ま
れる。堆積酸化物は、一般に熱酸化物より密度が低く、
熱酸化物より無秩序であると考えてよい。
０ｎを越える堆積酸化物の厚さ、堆積酸化物に対し一般
的に行う低温熱処理および誘電体の無秩序な性質が含ま
れる。堆積酸化物は、一般に熱酸化物より密度が低く、
熱酸化物より無秩序であると考えてよい。
″無秩序″という用語はガラスのようなアモルファス材
料に使われるのと幾分意味が異なるが、堆積酸化物は熱
酸化物よりダングリングボンドをより多くもっと信じら
れている。この理由により、それらは典型的な場合、よ
り無秩序であると考えられる。
料に使われるのと幾分意味が異なるが、堆積酸化物は熱
酸化物よりダングリングボンドをより多くもっと信じら
れている。この理由により、それらは典型的な場合、よ
り無秩序であると考えられる。
従来のＴＶＳ法を用いて、厚い堆積酸化物中の可動イオ
ン汚染を測定する従来の試みは、成功していない、すな
わち５通常の±５ボルトの範囲では変位電流ピークが生
ぜず、後に著しく有害なほど多量の可動イオン汚染があ
るとわかった酸化物層においてすら生じなかった・ 杢９ヶ 酸化物を含む基体を、典型的な場合約 ２５０℃以上の温度に加熱し、ＴＶＳ法で従来一般に用
いられているより大きな掃引電圧を印加し、ゼロ電圧か
ら実質的にずれた電圧において、変位電流を観察するこ
とにより、比較的厚い堆積酸化物中の可動イオン濃度を
、信頼性よく測定できることを見出した。
ン汚染を測定する従来の試みは、成功していない、すな
わち５通常の±５ボルトの範囲では変位電流ピークが生
ぜず、後に著しく有害なほど多量の可動イオン汚染があ
るとわかった酸化物層においてすら生じなかった・ 杢９ヶ 酸化物を含む基体を、典型的な場合約 ２５０℃以上の温度に加熱し、ＴＶＳ法で従来一般に用
いられているより大きな掃引電圧を印加し、ゼロ電圧か
ら実質的にずれた電圧において、変位電流を観察するこ
とにより、比較的厚い堆積酸化物中の可動イオン濃度を
、信頼性よく測定できることを見出した。
昆農友■更
本発明について、ＰＥ−ＴＥ０１から成るアニールをし
ていない厚い誘電体層に対して適用した一実施態様を参
照して説明する。
ていない厚い誘電体層に対して適用した一実施態様を参
照して説明する。
ＰＥＴＥＯ３はレベル間誘電体として用いられる典型的
な材料で、プラズマ促進ＴＥＯ５堆積プロセスにより生
成される。
な材料で、プラズマ促進ＴＥＯ５堆積プロセスにより生
成される。
可動イオン濃度を測定するために用いた容量構造は、ア
ルミニウム電極および絶縁体層、すなわち誘電体層、た
とえば名目上８００ｎｍの厚さであるＰＥＴＥＯ３誘電
体を有する金属−絶縁体−金属（Ｍ Ｉ Ｍ）構造を有
していた。
ルミニウム電極および絶縁体層、すなわち誘電体層、た
とえば名目上８００ｎｍの厚さであるＰＥＴＥＯ３誘電
体を有する金属−絶縁体−金属（Ｍ Ｉ Ｍ）構造を有
していた。
比較的高濃度の可動ナトリウム（Ｎ ａ ”）イオンを
含む構造について実施態様に従う典型的な電流対電圧の
プロットが１図面に描かれている。図面において、電圧
が水平にプロットされ、変位電流が縦軸にプロットされ
ている。図かられかるように、電圧はボルト（ゼロおよ
び±１００ボルト間）で、電流は任意目盛でプロットさ
れている。実際には、観測された変位電流ピークは、２
ないし３ナノアンペア（１０−ｓアンペア）の範囲であ
った。
含む構造について実施態様に従う典型的な電流対電圧の
プロットが１図面に描かれている。図面において、電圧
が水平にプロットされ、変位電流が縦軸にプロットされ
ている。図かられかるように、電圧はボルト（ゼロおよ
び±１００ボルト間）で、電流は任意目盛でプロットさ
れている。実際には、観測された変位電流ピークは、２
ないし３ナノアンペア（１０−ｓアンペア）の範囲であ
った。
図中に示されたパラメータを得るために、ｔＩＭ構造を
含む基体を、２９０℃の温度に保った。
含む基体を、２９０℃の温度に保った。
明らかなように、可動ナトリウムイオンの一時的な流れ
を表す変位電流ピークは、ゼロボルトから著しく、たと
えば約６０ボルトより大きくずれており、ゲート酸化物
について通常ｉ５！測されるピークと比べ、相対的に広
い。もし、ＴＶＳ法とともに通常用いられるたとえば一
５ボルトｄ、ｃ、のバイアスで、電圧掃引間にＭＩＭ容
量プレートの１つに可動イオンを保持するなら、軌跡は
実質的に正確に再現される。
を表す変位電流ピークは、ゼロボルトから著しく、たと
えば約６０ボルトより大きくずれており、ゲート酸化物
について通常ｉ５！測されるピークと比べ、相対的に広
い。もし、ＴＶＳ法とともに通常用いられるたとえば一
５ボルトｄ、ｃ、のバイアスで、電圧掃引間にＭＩＭ容
量プレートの１つに可動イオンを保持するなら、軌跡は
実質的に正確に再現される。
しかし、電流のピークは、もし測定温度を上で述べた２
９０℃から下げれば、著しく外側へずらすこと、すなわ
ちゼロ電圧から離せることがわかった。従って、少なく
とも２５０℃の温度が好ましい。温度を上げると熱エネ
ルギーが可動イオンに与えられ、結合を破壊する助けと
なることが理論的に明らかにされている。
９０℃から下げれば、著しく外側へずらすこと、すなわ
ちゼロ電圧から離せることがわかった。従って、少なく
とも２５０℃の温度が好ましい。温度を上げると熱エネ
ルギーが可動イオンに与えられ、結合を破壊する助けと
なることが理論的に明らかにされている。
もう１つの実施態様において、１５ｎｍ平方のパッド上
に形成した、異なる厚さ、たとえば８００および４００
ｎｍ厚をもつＰＥＴＥｏｓ＃４Ａ縁体層を用いたＭＯ５
容量構造は、同様の結果を示した。しかし、ピークはＭ
ＩＭ構造の場合のようには明確にはずれず、ピークのず
れ、すなわち変位電流と誘電体厚との間１こは弱い関連
があるように見えた。従って、電界の大きさは重要であ
ることがわかる。また、ＭＩＭ構造のアルミニウムＰＥ
ＴＥＯ８界面からの可動イオンの移動を表すピークは、
ＭＯ９Ｏ９容量構造リコン−ＰＥＴＥＯ８界面からの可
動イオンの移動により生ずるピータより、ずれが大きい
とともに、より低く、かつより広かった。
に形成した、異なる厚さ、たとえば８００および４００
ｎｍ厚をもつＰＥＴＥｏｓ＃４Ａ縁体層を用いたＭＯ５
容量構造は、同様の結果を示した。しかし、ピークはＭ
ＩＭ構造の場合のようには明確にはずれず、ピークのず
れ、すなわち変位電流と誘電体厚との間１こは弱い関連
があるように見えた。従って、電界の大きさは重要であ
ることがわかる。また、ＭＩＭ構造のアルミニウムＰＥ
ＴＥＯ８界面からの可動イオンの移動を表すピークは、
ＭＯ９Ｏ９容量構造リコン−ＰＥＴＥＯ８界面からの可
動イオンの移動により生ずるピータより、ずれが大きい
とともに、より低く、かつより広かった。
仮説によれば、上で述べた実験データは以下のように説
明できる。金属−酸化物又はジノコン−酸化物界面にお
ける可動イオンの弱い捕獲は、熱酸化物の場合、周知の
共通して観測されるゼロボルトからのわずかなシフトを
生じる。堆積酸化物の場合のゼロボルトからの大きなシ
フトは、従って予測されなかったものであり、２つの型
の酸化物中の機構が異なることを示している。
明できる。金属−酸化物又はジノコン−酸化物界面にお
ける可動イオンの弱い捕獲は、熱酸化物の場合、周知の
共通して観測されるゼロボルトからのわずかなシフトを
生じる。堆積酸化物の場合のゼロボルトからの大きなシ
フトは、従って予測されなかったものであり、２つの型
の酸化物中の機構が異なることを示している。
ここで、堆積酸化物中の可動イオン変位電流ピークの形
状および位置は、膜の品質によって決まるという仮説が
たてられる。ガラス全体を通して、極性位置の破れた結
合は、可動イオン種と結合を作る傾向があり、それによ
り移動度を減するため、この仮説はありうることである
。非対称な電極から生じたピークの非対称性は、誘電体
の品質が移動度に対して有するより大きな影響により、
不鮮明になる可能性がある。酸化物の品質は当業者には
周知のように堆積パラメータに非常に敏感で、ＴＶＳの
挙動は非常に変りやすい。薄膜内のトラップから可動イ
オンを追い出すのに必要なエネルギーは、ガラスの品質
に依存し、品質の低い薄膜は、ダングリングボンド密度
が高いため、より効果的に可動イオンを捕獲し、従って
イオンを取り出すのにより高い電界を必要とする。
状および位置は、膜の品質によって決まるという仮説が
たてられる。ガラス全体を通して、極性位置の破れた結
合は、可動イオン種と結合を作る傾向があり、それによ
り移動度を減するため、この仮説はありうることである
。非対称な電極から生じたピークの非対称性は、誘電体
の品質が移動度に対して有するより大きな影響により、
不鮮明になる可能性がある。酸化物の品質は当業者には
周知のように堆積パラメータに非常に敏感で、ＴＶＳの
挙動は非常に変りやすい。薄膜内のトラップから可動イ
オンを追い出すのに必要なエネルギーは、ガラスの品質
に依存し、品質の低い薄膜は、ダングリングボンド密度
が高いため、より効果的に可動イオンを捕獲し、従って
イオンを取り出すのにより高い電界を必要とする。
所望の電圧範囲内で可動イオンピークを得るためには、
高電圧および高温が必要となる可能性がある。これは厚
さが１ミクロンより大きな汚染された誘電体層では、特
に正しい、しかし、どの電流−電圧プロットも注意深く
解釈されなければならず、ピークが存在しないことは、
温度か電圧のいずれかが、誘電体層を横切って可動イオ
ンを移動させるのに十分に高くないことだけを意味する
場合がある。
高電圧および高温が必要となる可能性がある。これは厚
さが１ミクロンより大きな汚染された誘電体層では、特
に正しい、しかし、どの電流−電圧プロットも注意深く
解釈されなければならず、ピークが存在しないことは、
温度か電圧のいずれかが、誘電体層を横切って可動イオ
ンを移動させるのに十分に高くないことだけを意味する
場合がある。
本発明についである特定の実施態様を詳細に参照して説
明してきたが、そのような詳細性は本発明を何ら限定す
るためではなく、単に説明するためであることを理解さ
れたい。
明してきたが、そのような詳細性は本発明を何ら限定す
るためではなく、単に説明するためであることを理解さ
れたい。
当業者には、ここに開示される本発明の精神および範囲
から離れることなく、構造および操作モードに多くの修
正が可能であることが認識されよう、たとえば、本発明
はＰＥＴＥＯ８または他のＴＥＯ８誘電体を用いる技術
とともに用いることには限定されないことは明らかであ
る０本発明はまた、他の無秩序構造誘電体にも等しく適
用できるものである。
から離れることなく、構造および操作モードに多くの修
正が可能であることが認識されよう、たとえば、本発明
はＰＥＴＥＯ８または他のＴＥＯ８誘電体を用いる技術
とともに用いることには限定されないことは明らかであ
る０本発明はまた、他の無秩序構造誘電体にも等しく適
用できるものである。
図面は本発明の実施態様に従う厚い誘電体に対して得ら
れた電流対電圧曲線を示す図である。 出願人：アメリカンテレフォンアンド テレグラフ カムパニー ＠Ｅ （＆’）Ｌ ）−）
れた電流対電圧曲線を示す図である。 出願人：アメリカンテレフォンアンド テレグラフ カムパニー ＠Ｅ （＆’）Ｌ ）−）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、半導体デバイスの製造方法であって、 該デバイスの基体の一部である誘電体層中の可動イオン
汚染を同定する工程を含み、該誘電体層が比較的厚く、
かつ無秩序構造を有するものである方法において、 前記基体を高められた温度に加熱する工 程； ゼロボルトより実質的に大きな最大振幅の 掃引電圧を前記誘電体層を介して印加する工程；および 観察を行ってゼロボルトより実質的に大き な電圧においてピーク変位電流を検出する工程を含むこ
とを特徴とする方法。 ２、掃引電圧の最大振幅が約５ボルトよ り大きい請求項１記載の方法。 ３、掃引電圧の最大振幅が約６０ボルト より大きい請求項２記載の方法。 ４、掃引電圧の最大振幅が約１００ボル トより大きい請求項３記載の方法。 ５、温度が約２５０℃より高い請求項１ 記載の方法。 ６、前記可動イオン濃度が酸化物中で測 定される請求項１記載の方法。 ７、前記誘電体層が堆積酸化物である請 求項６記載の方法。 ８、前記堆積酸化物が１００ｎｍ以上の 厚さを有する請求項５記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US287,776 | 1988-12-21 | ||
| US07/287,776 US4950977A (en) | 1988-12-21 | 1988-12-21 | Method of measuring mobile ion concentration in semiconductor devices |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02224355A true JPH02224355A (ja) | 1990-09-06 |
| JPH07105426B2 JPH07105426B2 (ja) | 1995-11-13 |
Family
ID=23104301
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1329791A Expired - Lifetime JPH07105426B2 (ja) | 1988-12-21 | 1989-12-21 | 半導体デバイス中の可動イオン濃度測定法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4950977A (ja) |
| JP (1) | JPH07105426B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5394101A (en) * | 1993-01-15 | 1995-02-28 | National Semiconductor Corporation | Method for detecting mobile ions in a semiconductor device |
| US5773989A (en) * | 1995-07-14 | 1998-06-30 | University Of South Florida | Measurement of the mobile ion concentration in the oxide layer of a semiconductor wafer |
| US5798281A (en) * | 1995-11-08 | 1998-08-25 | Texas Instruments Incorporated | Method for stressing oxide in MOS devices during fabrication using first and second opposite potentials |
| US5977788A (en) * | 1997-07-11 | 1999-11-02 | Lagowski; Jacek | Elevated temperature measurement of the minority carrier lifetime in the depletion layer of a semiconductor wafer |
| US6037797A (en) * | 1997-07-11 | 2000-03-14 | Semiconductor Diagnostics, Inc. | Measurement of the interface trap charge in an oxide semiconductor layer interface |
| US6025734A (en) * | 1997-10-13 | 2000-02-15 | Winbond Electronics Corporation | Method of monitoring ion contamination in integrated circuits |
| US6114865A (en) * | 1999-04-21 | 2000-09-05 | Semiconductor Diagnostics, Inc. | Device for electrically contacting a floating semiconductor wafer having an insulating film |
| US9660053B2 (en) * | 2013-07-12 | 2017-05-23 | Power Integrations, Inc. | High-voltage field-effect transistor having multiple implanted layers |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59158533A (ja) * | 1983-02-28 | 1984-09-08 | Oki Electric Ind Co Ltd | 不純物の測定方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3290179A (en) * | 1964-01-14 | 1966-12-06 | Frederick S Goulding | Method and apparatus for determining drift depth of impurities in semiconductors |
| US3625749A (en) * | 1966-04-06 | 1971-12-07 | Matsushita Electronics Corp | Method for deposition of silicon dioxide films |
| US3887726A (en) * | 1973-06-29 | 1975-06-03 | Ibm | Method of chemical vapor deposition to provide silicon dioxide films with reduced surface state charge on semiconductor substrates |
| US4509012A (en) * | 1982-12-30 | 1985-04-02 | Lin Shi Tron | Method for determining the characteristic behavior of a metal-insulator-semiconductor device in a deep depletion mode |
-
1988
- 1988-12-21 US US07/287,776 patent/US4950977A/en not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-12-21 JP JP1329791A patent/JPH07105426B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59158533A (ja) * | 1983-02-28 | 1984-09-08 | Oki Electric Ind Co Ltd | 不純物の測定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4950977A (en) | 1990-08-21 |
| JPH07105426B2 (ja) | 1995-11-13 |
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