JPS6212855B2

JPS6212855B2 -

Info

Publication number: JPS6212855B2
Application number: JP13841778A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Ootori; Taiji Oku
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1978-11-11
Filing date: 1978-11-11
Publication date: 1987-03-20
Also published as: JPS5565144A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、金属−酸化膜−シリコン
（MOS）構造におけるシリコン酸化膜に代表され
るごとき導体電極と半導体にはさまれた絶縁体中
の電荷捕獲中心（以下トラツプと称する）の分布
測定方法に関するものである。

集積回路の高密度化がLSIから超LSIへと進展
するにつれ、それに使用されるMOSトランジス
タのチヤネル長も短縮されつつあるが、それに伴
いソース・ドレイン電界が強くなるためにチヤネ
ル中の電荷担体が高エネルギーを得て衝突電離の
確率が増大する。この衝突電離により増殖した電
荷担体がチヤネル表面近傍のシリコン酸化膜中に
注入されトラツプに捕獲されると、固定電荷とし
てMOSトランジスタのしきい値電圧の変動をき
たし、MOS・LSIおよび超LSIの不安定性の原因
となる。このため、シリコン酸化膜中における前
記トラツプの分布その他の諸特性を知ることが工
業上重要な測定、評価方法となつている。

シリコン酸化膜中のトラツプの密度分布を非破
壊的に測定する方法として従来提案されているの
は分布の重心ｘを求める方法で、デイー・ジエ
ー・デイマリヤ（D.J.DiMaria）の「ジヤーナ
ル・オブ・アプライド・フイジクス」（Journal
of Applied Physics）誌47巻９号（1976年９
月）、4073ページから4077ページに所載の論文に
よつて既知である。

ここに重心ｘは、第１図のごとくシリコン酸化
膜の表面に原点をとり表面に垂直な方向に酸化
膜・シリコン界面に向つてｘ座標をとつた場合、ｘ＝∫^Ｌ _ＯxNt（ｘ）dx／∫^Ｌ _ＯNt（ｘ）dx………(1) によつて表わされる。Nt（ｘ）はトラツプの体
積密度分布、Ｌは酸化膜の厚さであり、第(1)式の
分母∫^Ｌ _ＯNt（ｘ）dxはトラツプの面密度Qtであつ
て、上記の論文に記述された光電流−電圧法によ
りｘと共に求められる量である。しかしながら、
トラツプ分布Nt（ｘ）の様子を知るには、ｘを
求めるだけでは不十分である。すなわち、この方
法のみではトラツプが酸化膜の厚み方向にどの位
の範囲に拡がつているかを知ることができない。
厚み方向のトラツプ分布を測定する方法として従
来提案されているのは、酸化膜を少しずつエツチ
ングで取除きながら膜中の電荷量を測定する方法
であるが、これは破壊検査であるうえ、時間がか
かり、試料の汚染等をもたらす危険も大きい。

これに対しこの発明は、トラツプ分布の拡がり
に関する知見を非破壊的手段によつて得るために
下記第(2)式 σ＝〔∫^Ｌ _Ｏ（ｘ−ｘ）²Nt（ｘ）dx／Qt〕〓
………(2) で表わされるトラツプ分布の標準偏差σを求める
ものである。第(2)式は、 σ^２＝∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dx／Qt−（ｘ）^２
………(3) と書き換えられるので、上記論文の方法によりｘ
とQtが既知であれば、積分∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dxを知
ることによつてσが求められる。ここで、上記第
(3)式の成立根拠について説明する。

シリコン酸化膜中のトラツプの体積密度分布
Nt（ｘ）の重心ｘは、前記したように第(1)式で
表わすことができるが、これをシリコン酸化膜の
膜面の単位面積当りの面（積）密度Qtで表わす
と、 Qt＝∫^Ｌ _ＯNt（ｘ）dx ………（1a）である。また、重心は、ｘ＝∫^Ｌ _ＯxNt（ｘ）dx／Qt ………（1b）とも表わすことができる。

ところで、Nt（ｘ）が変数ｘによる分布関数
である場合、統計学的な定義により、分散σ^２
（σは標準偏差）は、 σ^２＝∫^Ｌ _Ｏ（ｘ−ｘ）²Nt（ｘ）dx ／∫^Ｌ _ＯNt（ｘ）dx ＝∫^Ｌ _Ｏ（ｘ−ｘ）²Nt（ｘ）dx／Qt
………（1c）この第（1c）式は第(2)式と同等である。第
（1c）式から次のようにして第（３）式が誘導さ
れる。

σ^２＝∫^Ｌ _Ｏ（ｘ−ｘ）²Nt（ｘ）dx／Qt ＝∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dx／Qt −∫^Ｌ _Ｏ2x・xNt（ｘ）dx／Qt ＋∫^Ｌ _Ｏ（ｘ）²Nt（ｘ）dx／Qt ＝∫^Ｌ _Ｏ（ｘ）²Nt（ｘ）dx／Qt −2x∫^Ｌ _ＯxNt（ｘ）dx／Qt ＋（ｘ）^２∫^Ｌ _ＯNt（ｘ）dx／Qt ＝∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dx／Qt−2xx ＋（ｘ）^２∫^Ｌ _ＯNt（ｘ）dx／Qt ＝∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dx／Qt−2xx＋（ｘ）^２＝∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dx／Qt−（ｘ）^２以下、第２図に従つてこの発明の実施例を説明
する。

測定試料はシリコン基板１の表面に酸化膜２を
成長させたもので、さらに酸化膜２の表面にゲー
ト電極３が設けられている。後述する理由によ
り、ゲート電極３は導電性の反射防止膜３ａと導
電体３ｂとから成つており、シリコン基板１のゲ
ート電極３に対向する部分は光が容易に透過でき
るように薄くしてある。４は定電流パルス電源、
５は容量−電圧特性測定装置、６は直流電源、７
は照射光、８は切換スイツチである。以下、酸化
膜２中のトラツプが電子トラツプである場合を例
にとつて測定の手順を説明する。

まず、初期の状態において、ゲート電極３、酸
化膜２、シリコン基板１より成るMOSダイオー
ドのフラツトバンド電圧を容量−電圧特性測定装
置５を用いて測定し、これを（Ｖ_FB）_０とする。
次に、酸化膜２中のトラツプに一様に電子を捕獲
させる。その方法は定電流パルス電源４によるな
だれ注入を用いてもよく、あるいは光もしくは電
離放射線の照射による内部光電子放出効果による
注入を用いてもよい。この操作によりすべてのト
ラツプに電子が捕獲されたとすると、操作後に再
びフラツトバンド電圧を測定したとき、その値
（Ｖ_FB）_１は（Ｖ_FB）_０を基準点として測ると、（Ｖ_FB）_１＝ｑ／Ｃｏ∫^Ｌ _ＯxNt（ｘ）dx ………(4) なる式によつて表わされる値をとる。ここにCo
は酸化膜２の単位面積あたりの容量、ｑは電子電
荷である。次いで、シリコン基板１を通して酸化
膜２に照射光７を照射する。この照射光７は、ト
ラツプから電子を放出させるのに十分な光子エネ
ルギーを持ち、かつ、酸化膜２中でのその吸収係
数をαとするとき、αＬ≪１の条件を満足するよ
うな波長のものを選ぶ。具体的には酸化膜２のバ
ンド・ギヤツプよりわずかに小さい光子エネルギ
ーの光が適当で、例えば、光子エネルギー8.3eV
（波長1500Å）の場合α＝10³cm^-1であるから、Ｌ
＝0.1μｍとすると、αＬ＝10^-2であり、上記の
条件を満足する。なお、この波長の光に対するシ
リコンの吸収係数は6.9×10⁵cm^-1であるから、シ
リコン基板１のゲート直下の部分の厚さを500Å
とすれば、入射光の３％がシリコン基板１を通過
できる。この照射の間、酸化膜２中での光の強度
分布Ｉ（ｘ）は、Ｉ（ｘ）＝I₀e^-〓^(L-x) ………(5) と表わされるが、αｘ≪１であるからこれは近似
的に、Ｉ（ｘ）≒I₀e^-〓^L（１＋αｘ） ………(6) と表わされ、第１図の一点鎖線で示されるとおり
になる。ここにI₀は酸化膜２に入射する際の光強
度である。この光によつてトラツプから電子が放
出され、この割合は光の強度に比例する。また、
シリコン酸化膜においては１個のトラツプが１個
の電子を捕獲することが確かめられているので、
電子を放出したトラツプの分布はβＩ（ｘ）Nt
（ｘ）と表わされる。ここにβは単位強度の光に
よつて放出される電子数である。従つて、光照射
後に容量−電圧特性測定装置５によつて測定され
るフラツトバンド電圧（Ｖ_FB）_２は、（Ｖ_FB）_２＝ｑ／Ｃｏ∫^Ｌ _Ｏｘ｛Nt（ｘ）−βＩ（ｘ）Nt（ｘ
）｝ dx …(7) の形になるので、照射前後のフラツトバンド電圧
の変化分をΔＶ_FBとすると、第(4)，(6)，(7)式によ
りΔＶ_FBは、 ΔＶ_FB＝βI₀e^-〓^L〔（Ｖ_FB）_１＋αｑ／Ｃｏ∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dx〕 …(8) と表わされる。I₀，αは光の強度測定によつて求
められ、またβは光強度もしくは波長をわずかに
変えて２個あるいはそれ以上の測定を行つて定め
ることができる。このようにしてΔＶ_FBの測定値
から第(8)式によつて∫^Ｌ _Ｏx²Nt（ｘ）dxが求められ
るから、別に求めたｘ，Qtとこれを用いて、第
(3)式によりトラツプ分布の標準偏差σが得られ
る。以上の説明は捕獲される電荷担体が正孔であ
る場合にも同様に当てはまるものである。

次に、この発明の実施に当つて注意すべき点を
述べる。この発明の測定方法では、酸化膜２中で
の照射光７の強度分布が第１図の一点鎖線のよう
になつていることが必要で、酸化膜２とゲート電
極３との界面で照射光７の反射があると測定は困
難になる。これを避けるためにゲート電極３の導
電体３ｂと酸化膜２との間に反射防止膜３ａが設
けられている。具体的には導電体３ｂとして多結
晶シリコン（屈折率3.5）を用いる場合、反射防
止膜３ａとしては適当な組成を有する酸化インジ
ウムIn₂O₃で屈折率2.3程度となるものを用い、光
の波長が1500Åである場合にはその膜厚を160Å
程度としておけば、酸化膜２とゲート電極３との
界面における反射はほとんど無視できる。次に、
照射光７の照射の最中にシリコン基板１もしくは
ゲート電極３から励起された電子が酸化膜２中に
注入されたり、または酸化膜２中でその価電子帯
から伝導帯に励起された電子があつてこれらがト
ラツプに捕獲されると誤差の原因となるおそれが
あるが、前者は直流電源６によるバイアスもしく
は帯電したトラツプによつて酸化膜２中に作られ
る電界によつて押し戻すことができ、また、後者
は酸化膜２のバンドギヤツプよりやや小さい光子
エネルギーの照射光７を使用し、自由電子を伴わ
ないエキシトン等の励起を主として行わしめるこ
とによつて抑制することができる。なお、上述の
酸化膜２中の電界は、トラツプから励起された電
子をすみやかにシリコン基板１およびゲート電極
３の方へ追いやるので、これらの電子が再びトラ
ツプに捕獲されて誤差の原因となることも少な
い。

なお、この発明の方法は、シリコンおよびその
酸化膜に限らず、一般に半導体と絶縁性薄膜との
組合わせを有する構造物に適用可能である。

以上説明したように、この発明は絶縁体をこの
絶縁体中を通過距離にほぼ比例して減衰しつつ通
過する光または電離放射線で照射し、これによつ
て生ずる電荷捕獲中心の帯電の変化を測定し、こ
れから前記絶縁体中における前記電荷捕獲中心の
厚み方向分布の重心からの標準偏差を得るもので
あるので、絶縁体中の厚み方向のトラツプ分布が
非破壊的に比較的短時間に行うことができる利点
を有し、工業上重要な価値を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はシリコン酸化膜中におけるトラツプ分
布Nt、光強度分布Ｉ等に関連する諸量を説明す
るための概念図、第２図はこの発明の一実施例を
示す被測定試料および測定回路の概略図である。図中、１はシリコン基板、２は酸化膜、３はゲ
ート電極、３ａは反射防止膜、３ｂは導電体、４
は定電流パルス電源、５は容量−電圧特性測定装
置、６は直流電源、７は照射光、８は切換スイツ
チである。

Claims

【特許請求の範囲】

１導体電極と半導体とにはさまれた絶縁体中の
電荷捕獲中心の分布測定に際し、前記絶縁体をこ
の絶縁体中を通過距離にほゞ比例して減衰しつゝ
通過する光または電離放射線で照射し、これによ
つて生ずる前記電荷捕獲中心の帯電の変化を測定
し、これから前記絶縁体中における前記電荷捕獲
中心の厚み方向分布の重心からの標準偏差を得る
ことを特徴とする絶縁体中の電荷捕獲中心の分布
測定方法。