JPH11108875A - 材料の特性評価装置 - Google Patents
材料の特性評価装置Info
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- JPH11108875A JPH11108875A JP30916397A JP30916397A JPH11108875A JP H11108875 A JPH11108875 A JP H11108875A JP 30916397 A JP30916397 A JP 30916397A JP 30916397 A JP30916397 A JP 30916397A JP H11108875 A JPH11108875 A JP H11108875A
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Landscapes
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】酸化膜がきわめて薄い時の酸化膜と半導体の界
面に存在する、界面トラップや半導体の表面準位など
を、電極付けによる材料特性の劣化を防いで、測定する
ことのできる装置を提供する。 【解決手段】材料の特性評価装置は、ヘリウムガス寒剤
6によって冷却されたクライオスタット3内に試料1を
設置し、試料1の表面と非接触上部電極9の間隔をマイ
クロメータ5及びピエゾ式微量駆動機構10を使って数
ナノメートルから数百ナノメートルの間の一定の間隔に
固定して電気容量することにより、試料の界面トラップ
などの局在準位を非接触で、高精度に測定することがで
き、またX−Y方向スキャンニング機構を備え付けるこ
とによって、ウエーハ状の試料の局在準位について、ウ
エーハ内の分布を測定することができる。
面に存在する、界面トラップや半導体の表面準位など
を、電極付けによる材料特性の劣化を防いで、測定する
ことのできる装置を提供する。 【解決手段】材料の特性評価装置は、ヘリウムガス寒剤
6によって冷却されたクライオスタット3内に試料1を
設置し、試料1の表面と非接触上部電極9の間隔をマイ
クロメータ5及びピエゾ式微量駆動機構10を使って数
ナノメートルから数百ナノメートルの間の一定の間隔に
固定して電気容量することにより、試料の界面トラップ
などの局在準位を非接触で、高精度に測定することがで
き、またX−Y方向スキャンニング機構を備え付けるこ
とによって、ウエーハ状の試料の局在準位について、ウ
エーハ内の分布を測定することができる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体などの、局
在準位、キャリアのライフタイムおよび不純物濃度分布
などの特性を測定する装置に関する。
在準位、キャリアのライフタイムおよび不純物濃度分布
などの特性を測定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体の局在準位(伝導電子やホールを
捕獲したり放出する、禁制帯の中に存在する電子準位の
ことで、局在準位には深い準位や浅い準位があり、具体
的に測定するものとしては界面トラップ、バルクトラッ
プなどがある)やキャリアの生成ライフタイムおよび不
純物濃度分布などを測定する技術として、従来から図4
に示すMOS(Metal−Oxide−Semico
nductor、金属−酸化膜−半導体)ダイオードを
用いる技術が使われてきた。このダイオードの容量Cに
関してC−V(容量−電圧)特性またはC−t(容量−
時間)特性を測定することにより、上記の材料の特性
(局在準位、ライフタイム、不純物濃度分布など)を測
定することができるが、測定に使う電極41は図4に示
すように試料(酸化膜42付き半導体43)に直接接触
している。
捕獲したり放出する、禁制帯の中に存在する電子準位の
ことで、局在準位には深い準位や浅い準位があり、具体
的に測定するものとしては界面トラップ、バルクトラッ
プなどがある)やキャリアの生成ライフタイムおよび不
純物濃度分布などを測定する技術として、従来から図4
に示すMOS(Metal−Oxide−Semico
nductor、金属−酸化膜−半導体)ダイオードを
用いる技術が使われてきた。このダイオードの容量Cに
関してC−V(容量−電圧)特性またはC−t(容量−
時間)特性を測定することにより、上記の材料の特性
(局在準位、ライフタイム、不純物濃度分布など)を測
定することができるが、測定に使う電極41は図4に示
すように試料(酸化膜42付き半導体43)に直接接触
している。
【0003】局在準位を精度高く測定する方法として
は、上記C−t特性の過渡容量を測定する方法が最適で
ある。そして従来からよく使われている過渡容量法とし
ては、DLTS(Deep Level Transi
ent Spectroscopy、深い準位過渡分光
法)やICTS(Isothermal Capaci
tance Transient Spectrosc
opy、等温容量過渡分光法)がある。DLTSとIC
TSは測定原理は同じであるが、測定の方法が異なって
いてDLTSでは試料の温度を低温から室温程度まで
(上昇)変化させて容量の測定が行われている。一方、
ICTSでは試料の温度が一定に保たれて容量の測定が
行われ、信号としては電気容量の二乗の時間微分に時間
を乗じたものが使われている。なお、これらの二つの方
法についての詳しい解説は、電子技術総合研究所研究報
告第867号p1−p43に、大串秀世氏が丁寧に述べ
ている。ともかく、これらDLTSやICTSを使うこ
とによって、半導体中の局在準位は従来から精度高く測
定されている。
は、上記C−t特性の過渡容量を測定する方法が最適で
ある。そして従来からよく使われている過渡容量法とし
ては、DLTS(Deep Level Transi
ent Spectroscopy、深い準位過渡分光
法)やICTS(Isothermal Capaci
tance Transient Spectrosc
opy、等温容量過渡分光法)がある。DLTSとIC
TSは測定原理は同じであるが、測定の方法が異なって
いてDLTSでは試料の温度を低温から室温程度まで
(上昇)変化させて容量の測定が行われている。一方、
ICTSでは試料の温度が一定に保たれて容量の測定が
行われ、信号としては電気容量の二乗の時間微分に時間
を乗じたものが使われている。なお、これらの二つの方
法についての詳しい解説は、電子技術総合研究所研究報
告第867号p1−p43に、大串秀世氏が丁寧に述べ
ている。ともかく、これらDLTSやICTSを使うこ
とによって、半導体中の局在準位は従来から精度高く測
定されている。
【0004】また、ごく最近では図5に示すように絶縁
膜の一部を空気又はガスに置き換える非接触電極構造の
MOSダイオードが提案され、これを試料とするMOS
構造のC−V特性やC−t特性が測定され、界面トラッ
プの測定やキャリアのライフタイムの測定が行われてい
る。しかし、この方法では測定が室温で行われているた
めに、界面トラップの測定精度には限界があり、最近の
LSIプロセスで作られる良質のゲート酸化膜の場合の
界面トラップの測定には適さないようである。
膜の一部を空気又はガスに置き換える非接触電極構造の
MOSダイオードが提案され、これを試料とするMOS
構造のC−V特性やC−t特性が測定され、界面トラッ
プの測定やキャリアのライフタイムの測定が行われてい
る。しかし、この方法では測定が室温で行われているた
めに、界面トラップの測定精度には限界があり、最近の
LSIプロセスで作られる良質のゲート酸化膜の場合の
界面トラップの測定には適さないようである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】半導体中の局在準位を
測定する従来からの代表的な方法である上記DLTSや
ICTS測定では、図4に示すようなMOSダイオード
が使われている。この状態では試料は酸化膜42の付い
た半導体43ということになるが、酸化膜が非常に薄く
なったり、酸化膜がほとんど付いていない場合には測定
が困難になる。なぜなら、試料への電極付けが薄い酸化
膜の性質や酸化膜と半導体界面の性質を変質させてしま
うからである。SiLSIでは集積度を向上させるため
と、素子の性能を向上させるために、ゲート酸化膜が薄
くなっており、近い将来には5ナノメートル以下になる
ことが予想されている。
測定する従来からの代表的な方法である上記DLTSや
ICTS測定では、図4に示すようなMOSダイオード
が使われている。この状態では試料は酸化膜42の付い
た半導体43ということになるが、酸化膜が非常に薄く
なったり、酸化膜がほとんど付いていない場合には測定
が困難になる。なぜなら、試料への電極付けが薄い酸化
膜の性質や酸化膜と半導体界面の性質を変質させてしま
うからである。SiLSIでは集積度を向上させるため
と、素子の性能を向上させるために、ゲート酸化膜が薄
くなっており、近い将来には5ナノメートル以下になる
ことが予想されている。
【0006】このような状態で、界面の特性を測定する
ために試料の表面に電極を付けると、酸化膜と半導体の
界面は劣化してしまって、本来の界面の特性を正しく測
定することは困難である。
ために試料の表面に電極を付けると、酸化膜と半導体の
界面は劣化してしまって、本来の界面の特性を正しく測
定することは困難である。
【0007】この課題を解決するために、本発明では室
温以下の低温において、試料表面と電極の間隔を非常に
狭い間隔に保って、非接触状態で固定する仕掛けを設
け、試料のC−t特性を測定することにより過渡容量分
光を行い、試料の界面トラップなどの局在準位やキャリ
アのライフタイムを測定する装置を提供することを目的
としている。
温以下の低温において、試料表面と電極の間隔を非常に
狭い間隔に保って、非接触状態で固定する仕掛けを設
け、試料のC−t特性を測定することにより過渡容量分
光を行い、試料の界面トラップなどの局在準位やキャリ
アのライフタイムを測定する装置を提供することを目的
としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の基本とする、材
料の特性評価装置は、図1に示すように試料1を除振台
2の上に設置したクライオスタット3の中に設定し、ク
ライオスタット3内を冷却した液体ヘリウムガス6で充
たし、ヒータと熱電対の付いた試料台4及び温度制御系
8を用いて試料1を低温の一定温度に保ち、かつ、上部
電極9と試料1の間隔をマイクロメータ5や微量駆動機
構10a,10b,10c、などを用いて非接触状態で
非常に狭い間隔に固定して、キャパシタンスメータなど
の測定系12とコンピュータなど自動計測およびデータ
処理系13などを用いて過渡容量分光を行い、試料の界
面トラップなどの局在準位やキャリアのライフタイムを
測定することを特徴としている。
料の特性評価装置は、図1に示すように試料1を除振台
2の上に設置したクライオスタット3の中に設定し、ク
ライオスタット3内を冷却した液体ヘリウムガス6で充
たし、ヒータと熱電対の付いた試料台4及び温度制御系
8を用いて試料1を低温の一定温度に保ち、かつ、上部
電極9と試料1の間隔をマイクロメータ5や微量駆動機
構10a,10b,10c、などを用いて非接触状態で
非常に狭い間隔に固定して、キャパシタンスメータなど
の測定系12とコンピュータなど自動計測およびデータ
処理系13などを用いて過渡容量分光を行い、試料の界
面トラップなどの局在準位やキャリアのライフタイムを
測定することを特徴としている。
【0009】また、本発明による他の基本とする、材料
の特性評価装置は界面トラップやキャリアのライフタイ
ムの他に、重金属不純物に起因するバルクトラップの測
定やキャリア濃度分布も非接触に測定できることを特徴
としている。
の特性評価装置は界面トラップやキャリアのライフタイ
ムの他に、重金属不純物に起因するバルクトラップの測
定やキャリア濃度分布も非接触に測定できることを特徴
としている。
【0010】
実施例1 図1は本発明による、材料の特性評価装置の一実施例で
ある。試料としてはシリコン(単結晶)を熱酸化して酸
化膜が5nm付いたウエーハを用いた。この試料1は除
振台2の上に設置されたクライオスタット3の中の試料
台4の上に固定される。試料台にはヒータ及び熱電対が
取り付けられている。また、上部電極支持台7はクライ
オスタット3に固定されている。この上部電極支持台7
に取り付けられる上部非接触電極9の断面構造は図3に
示す通りであり、ほぼ中心に穴32のあいた絶縁性のガ
ラス板31でできている。ガラス板の片方の表面には導
電性膜33を付着させている。この導電性膜33の表面
は試料1の表面に対する対向電極面となっている。試料
1の位置はマイクロメータ5によって上下に精密に移動
させることができる。試料1の温度はクライオスタット
3の中に寒剤として充満させたヘリウムガス6と上記熱
電対、ヒータ及び温度制御系8を用いて室温以下の一定
の低温に0.1K以内の精度で保持される。また、試料
1の電気容量を測定するための上部非接触電極9と試料
1の表面間隔は、1ナノメートルから500ナノメート
ノレの範囲で、一定の狭い距離でもって制御し、固定す
ることができる。この操作は試料台4を移動させること
のできるマイクロメータ5と試料台4の下に設置したピ
エゾ式微量駆動機構10a,10b,10c及び微量駆
動機構コントローラ11を用いて行う。
ある。試料としてはシリコン(単結晶)を熱酸化して酸
化膜が5nm付いたウエーハを用いた。この試料1は除
振台2の上に設置されたクライオスタット3の中の試料
台4の上に固定される。試料台にはヒータ及び熱電対が
取り付けられている。また、上部電極支持台7はクライ
オスタット3に固定されている。この上部電極支持台7
に取り付けられる上部非接触電極9の断面構造は図3に
示す通りであり、ほぼ中心に穴32のあいた絶縁性のガ
ラス板31でできている。ガラス板の片方の表面には導
電性膜33を付着させている。この導電性膜33の表面
は試料1の表面に対する対向電極面となっている。試料
1の位置はマイクロメータ5によって上下に精密に移動
させることができる。試料1の温度はクライオスタット
3の中に寒剤として充満させたヘリウムガス6と上記熱
電対、ヒータ及び温度制御系8を用いて室温以下の一定
の低温に0.1K以内の精度で保持される。また、試料
1の電気容量を測定するための上部非接触電極9と試料
1の表面間隔は、1ナノメートルから500ナノメート
ノレの範囲で、一定の狭い距離でもって制御し、固定す
ることができる。この操作は試料台4を移動させること
のできるマイクロメータ5と試料台4の下に設置したピ
エゾ式微量駆動機構10a,10b,10c及び微量駆
動機構コントローラ11を用いて行う。
【0011】すなわち、まず、マイクロメータ5を操作
して試料台全体を動かし、上部非接触電極9と試料1の
表面の間隔を数ミクロン迄近づけ、マイクロメータ5の
移動を停止する。
して試料台全体を動かし、上部非接触電極9と試料1の
表面の間隔を数ミクロン迄近づけ、マイクロメータ5の
移動を停止する。
【0012】次に、三本のビエゾ微量駆動機構10a,
10b,10cをコントローラ11を用いて操作し、そ
れぞれのピエゾ微量駆動機構の位置で(試料1と上部電
極間9の距離に基づく)電気容量を測定して、試料1と
上部電極9を平行になるようにすると共に、距離を1ナ
ノメートノレから500ナノメートルの間の、予め決め
ておいた間隔に固定する。この状態は除振台2によって
安定に保つことができる。
10b,10cをコントローラ11を用いて操作し、そ
れぞれのピエゾ微量駆動機構の位置で(試料1と上部電
極間9の距離に基づく)電気容量を測定して、試料1と
上部電極9を平行になるようにすると共に、距離を1ナ
ノメートノレから500ナノメートルの間の、予め決め
ておいた間隔に固定する。この状態は除振台2によって
安定に保つことができる。
【0013】以上の様にして試料1と上部電極9の間隔
を一定に固定した後、図1に示すキャパシタンスメータ
などの過渡容量分光測定系12及びコンピュータなど自
動計測およびデータ処理系13を用いて、試料の過渡容
量分光測定を行い、試料の界面トラップ、(重金属不純
物に起因する)バルクトラップ、キャリアの生成ライフ
タイム及びキャリアの濃度分布を測定したところ有効な
測定データを得ることができた。
を一定に固定した後、図1に示すキャパシタンスメータ
などの過渡容量分光測定系12及びコンピュータなど自
動計測およびデータ処理系13を用いて、試料の過渡容
量分光測定を行い、試料の界面トラップ、(重金属不純
物に起因する)バルクトラップ、キャリアの生成ライフ
タイム及びキャリアの濃度分布を測定したところ有効な
測定データを得ることができた。
【0014】実施例2 図2は本発明による、材料の特性評価装置の他の実施例
の内容を説明する図である。図2においては図1と異な
る部分のみが描いてある。すなわち、この材料の特性評
価装置は、マイクロメータ25による上下方向駆動部に
接続した試料台24の上の試料21に対して、上部電極
29をX−Y方向に移動できる、スキャンニング機構2
00を備えている。このスキャンニング機構200によ
って試料21の測定位置を試料表面に平行な面内で変化
させることができた。つまり、界面トラップ、キャリア
の生成ライフタイム及びキャリアの濃度分布を一枚のシ
リコンウエーハの多くの位置で測定することができ、こ
れらのウエーハ面内分布を測定することができた。
の内容を説明する図である。図2においては図1と異な
る部分のみが描いてある。すなわち、この材料の特性評
価装置は、マイクロメータ25による上下方向駆動部に
接続した試料台24の上の試料21に対して、上部電極
29をX−Y方向に移動できる、スキャンニング機構2
00を備えている。このスキャンニング機構200によ
って試料21の測定位置を試料表面に平行な面内で変化
させることができた。つまり、界面トラップ、キャリア
の生成ライフタイム及びキャリアの濃度分布を一枚のシ
リコンウエーハの多くの位置で測定することができ、こ
れらのウエーハ面内分布を測定することができた。
【0015】
(1)極薄い酸化膜の付いた半導体ウエーハにおいて、
酸化膜と半導体の界面に存在する界面トラップの密度を
精度良く測定できるようになった。 (2)上記の界面トラップ密度についてウエーハの面内
分布を測定できるようになった。 (3)酸化膜のない場合の半導体の表面準位を、本発明
の装置を使って、初めて電気的に測定することができ
た。 (4)半導体に含まれる極微量な重金属不純物に起因す
るバルクトラップを、本発明を使用することにより、初
めて非接触で測定できるようになった。 (5)上記のバルクトラップについてウエーハの面内分
布を非接触で測定できるようになった。 (6)半導体ウエーハのキャリア濃度について、ウエー
ハの面内分布を非接触測定法によって精度良く測定でき
るようになった。
酸化膜と半導体の界面に存在する界面トラップの密度を
精度良く測定できるようになった。 (2)上記の界面トラップ密度についてウエーハの面内
分布を測定できるようになった。 (3)酸化膜のない場合の半導体の表面準位を、本発明
の装置を使って、初めて電気的に測定することができ
た。 (4)半導体に含まれる極微量な重金属不純物に起因す
るバルクトラップを、本発明を使用することにより、初
めて非接触で測定できるようになった。 (5)上記のバルクトラップについてウエーハの面内分
布を非接触で測定できるようになった。 (6)半導体ウエーハのキャリア濃度について、ウエー
ハの面内分布を非接触測定法によって精度良く測定でき
るようになった。
【図1】本発明の実施例1の、材料の特性評価装置を示
す、主要構成図。
す、主要構成図。
【図2】本発明の実施例2の、材料の特性評価装置を示
す、主要構成図。
す、主要構成図。
【図3】本発明に用いる上部非接触電極の断面図。
【図4】従来の試料の構造である、MOSダイオードの
断面図。
断面図。
【図5】従来の試料の構造である非接触電極構造のMO
Sダイオードの断面図。
Sダイオードの断面図。
【符号の説明】 1,21…試料 2…除振台 3,23…クライオスタット 4,24…試料台(ヒータおよび熱電対付き) 5,25…マイクロメータ 6…ヘリウムガス(寒剤) 7,27…上部電極支持台 8…温度コントローラなど温度制御系 9,29…上部非接触電極 10a,10b,10c…微量駆動機構 11…微量駆動機構コントローラ 12…キャパシタンスメータなど測定系 13…コンピュータなど自動計測およびデータ処理系 200…X−Y方向スキャンニング機構 31…上部非接触電極用基板 32…上部非接触電極基板の穴 33…上部非接触電極用電導性膜 41,51…電極金属 42,52a…酸化膜 52b…絶縁層(空気、ガス又は真空) 43,53…半導体
Claims (11)
- 【請求項1】 試料とその特性を測定する電極を非接触
の状態にし、かつ、試料の温度を室温以下の低温に保っ
て、試料の電気容量又はその時間変化や電圧変化などを
測定することを特徴とする材料の特性評価装置。 - 【請求項2】 上記試料はシリコン、ひ化ガリウム、リ
ン化インジウムなどの半導体、または、これらの半導体
の表面に酸化膜などの絶縁膜を付着させたものであるこ
とを特徴とする請求項1に記載の材料の特性評価装置。 - 【請求項3】 試料の特性測定において、試料の測定温
度が室温以下のほぼ一定の温度であることを特徴とする
請求項1に記載の材料評価装置。 - 【請求項4】 試料の特性測定において、試料の測定温
度を室温以下において時間と共に変化させることを特徴
とする請求項1に記載の材料の特性評価装置。 - 【請求項5】 試料の特性測定において、測定データの
信号として電気容量の二乗の時間微分に時間を乗じたも
のを使用することを特徴とする請求項1に記載の材料評
価装置。 - 【請求項6】 材料の特性評価装置の構成において、3
個の微量駆動機構を用いて電気容量を測定する事によ
り、試料表面と非接触電極の間隔を精密に決定すること
を特徴とする請求項1に記載の材料評価装置。 - 【請求項7】 上記の評価装置の構成において、試料の
上下方向の微量駆動機構がピエゾ式微量駆動機構である
ことを特徴とする請求項1に記載の材料評価装置。 - 【請求項8】 上記の評価装置の構成において、非接触
電極部が表面に垂直な穴の空いた絶縁板で構成され、そ
の試料との対向表面が導電物質を付着させたものである
ことを特徴とする請求項1に記載の材料評価装置。 - 【請求項9】 上記の評価装置の構成において、試料の
上下方向の微量駆動部分を非接触電極の下部に設置する
ことを特徴とする請求項1に記載の材料評価装置。 - 【請求項10】上記の評価装置の構成において、試料の
測定温度を制御する寒剤として、液体ヘリウム又は液体
窒素の気化した低温ガスを使用することを特徴とする請
求項1に記載の材料評価装置。 - 【請求項11】上記の評価装置の構成において、上部電
極又は測定試料を左右前後にスキャンニングできる機構
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の材料評
価装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30916397A JPH11108875A (ja) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | 材料の特性評価装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30916397A JPH11108875A (ja) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | 材料の特性評価装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11108875A true JPH11108875A (ja) | 1999-04-23 |
Family
ID=17989695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30916397A Pending JPH11108875A (ja) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | 材料の特性評価装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11108875A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023501007A (ja) * | 2019-11-19 | 2023-01-17 | ハイ プレシジョン デバイセズ インコーポレイテッド | 極低温ウェーハ検査システム |
| CN117434135A (zh) * | 2023-11-03 | 2024-01-23 | 华北电力大学 | 一种绝缘材料原位微区表面陷阱测量装置 |
-
1997
- 1997-10-06 JP JP30916397A patent/JPH11108875A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2023501007A (ja) * | 2019-11-19 | 2023-01-17 | ハイ プレシジョン デバイセズ インコーポレイテッド | 極低温ウェーハ検査システム |
| CN117434135A (zh) * | 2023-11-03 | 2024-01-23 | 华北电力大学 | 一种绝缘材料原位微区表面陷阱测量装置 |
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