DE2247162A1

DE2247162A1 - Verfahren zur bestimmung der ladungsdichte in einer isolierschicht

Info

Publication number: DE2247162A1
Application number: DE19722247162
Authority: DE
Inventors: Louis William Leone; Theodore Adam Morance; Donald Francis Reilly; Paul James Schram
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-11-24
Filing date: 1972-09-26
Publication date: 1973-05-30
Also published as: JPS5138223B2; FR2160829A1; CA958074A; IT967703B; DE2247162B2; JPS4860877A; DE2247162C3; US3750018A; GB1344399A; FR2160829B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 970 108

Verfahren zur Bestimmung der Ladungsdichte in einer Isolierschicht

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Ladungsdichte innerhalb einer isolierenden Schicht auf einem Halbleitersubstrat mit Hilfe eines in diesem Substrat gebildeten Feldeffekttransistors, der mindestens im Bereich zwischen Quellen- und Senkengebiet von der isolierenden Schicht bedeckt ist.

Infolge des niedrigen Dotierungsgrades der Halbleitersubstrate (z.B. 6 χ 10 Atome/cm ) sind bei Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode die Leckströme stark abhängig von der Ladungsdichte in der das Substrat bedeckenden Isolierschicht, die gewöhnlich aus Quarz oder thermisch aufgewachsenem Siliciumdioxyd besteht. Es wurden daher bereits verschiedene Versuche unternommen, die Ladungsdichten in solchen Isolierschichten zu bestimmen. Es wurden hierzu beispielsweise MOS (Metall-Oxyd-Halbleiter)-Kondensatoren verwendet oder die Stromleitung zwischen gleichartigen Diffusionsgebieten unterhalb der Isolierschicht ermittelt. Diese Versuche haben jedoch den Nachteil, daß sie entweder langwierige Messungen erfordern oder eine größere Anzahl von theoretischen Annahmen für die Bestimmung der Ladungsdichte aus den gemessenen Werten benötigen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah-

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ren zur Bestimmung der Ladungsdichte in Isolierschichten anzugeben, mit dem sehr schnell und einfach die gewünschten Werte ermittelt werden können. Diese Aufgabe wird bei dem anfangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei nicht angeschlossener Steuerelektrode des Feldeffekttransistors zwischen Quellen- und Senkenelektrode eine feste Spannung und zwischen Substrat und Quellenelektrode eine veränderbare Spannung gelegt werden, daß eine Erfassung des zwischen Quellen- und Senkengebiet fließenden Stromes stattfindet, daß ein Einstellen der veränderbaren Spannung auf einen Wert, bei dem der Strom zwischen Quellen- und Senkengebiet einen zu vernachlässigenden geringen Wert besitzt, erfolgt und daß aus dem eingestellten Wert der veränderbaren Spannung die Ladungsdichte in der isolierenden Schicht bestimmt wird. Hierbei wird vorzugsweise ein Feldeffekttransistor mit einem ein zentrales Quellengebiet umgebenden, ringförmigen Senkengebiet gewählt. Durch diese Anordnung werden im wesentlichen die Schwierigkeiten beim Messen vermieden, die durch den Leckstrom zwischen Quellengebiet und Substrat verursacht werden.

Jeder leitende Kanal zwischen Quellen- und Senkengebiet des ringförmigen Feldeffekttransistors, der bei Anlegen einer Spannung zwischen Quellen- und Senkenelektrode auftritt, ist abhängig von der Ladungsdichte in der Passivierungsschicht über dem Substrat und von der Spannung zwischen Quellenelektrode und Substrat bei nicht angeschlossener Steuerelektrode. Die Ladungsdichte kann mit Hilfe einer noch näher zu definierenden Beziehung aus dem Wert der Spannung zwischen Quellenelektrode und Substrat, bei dem der Strom zwischen Quellen- und Senkengebiet einen zu vernachlässigenden Wert besitzt, ermittelt werden. Dabei brauchen keine Annahmen über die Trägerbeweglichkeit im Kanal und über die Geometrie der Inversionsschicht gemacht zu werden, so wie dies bei früheren Verfahren der Fall war.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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- 3 Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltungsanordnung, mit der die Bestimmung der Ladungsdichte in einer Isolierschicht möglich ist und

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer weiteren

Schaltungsanordnung, mit der eine automatische Einstellung des gewünschten Wertes der Spannung zwischen Quellenelektrode und Substrat erfolgt.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Feldeffekttransistor mit einer durch eine Oxydschicht isolierten Steuerelektrode bezeichnet, der zusammen mit weiteren Feldeffekttransistoren in einem Halbleiterplättchen hergestellt wurde und der mit der gleichen Passivierungsschicht wie diese bedeckt ist. Die Ladungsdichte in dieser Passivierungsschicht soll mit Hilfe der dargestellten Schaltungsanordnung ermittelt werden. Die Feldeffekttransistoren sind in bekannter Weise aufgebaut und daher nicht näher dargestellt. Vorzugsweise besitzt der Feldeffekttransistor 1 jedoch ein zentrales Quellengebiet, das vollständig von einem ringförmigen Senkengebiet umgeben ist. Die Steuerelektrode 2 des Feldeffekttransistors 1 besitzt keinen Anschluß. Eine Spannungsquelle 3 ist zwischen die Quellen- und Senkenelektrode des Feldeffekttransistors geschaltet. Sie liefert eine Spannung V _c von geeigneter Höhe, beispielsweise etwa 1 Volt. Eine weitere Spannungsquelle 4 ist zwischen das Substrat und die Quellenelektrode des Feldeffekttransistors geschaltet. Sie liefert eine veränderbare Spannung Vg_x. Diese Spannung wird auf einen Wert eingestellt, bei dem der zwischen dem Quellen- und dem Senkengebiet des Feldeffekttransistors 1 fließende Strom I_c einen zu vernachlässigenden Wert besitzt. Eine genaue Bestimmung der Ladungsdichte in der Passivierungsschicht ist theoretisch nur möglich, wenn der Wert des Stromes zwischen Quellen- und Senkengebiet auf 0 reduziert ist. Für die Messung ist es jedoch ausreichend, wenn ein kleiner, praktisch zu vernachlässigender Strom fließt. Hierdurch sind Messungen mit

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relativ kurzen Einstellzeiten möglich.

Es kann gezeigt werden, daß, wenn keine Verarmung oder Ansammlung des Substrat-Dotierungsmittels an der Zwischenschicht zwischen dem Halbleitermaterial und der Passivierungsschicht auftritt und kein Unterschied in der Austrittsarbeit zwischen der Oberfläche der Passivierungsschicht und dem Halbleitersubstrat besteht, die Ladungsdichte N_gs durch die folgende Beziehung gegeben ist:

^2e

ss

Hierin bedeuten: e

die Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials,

das Fermipotential des Substrats, die Elektronenladung,

die Dotierungskonzentration des Substrats, den Wert der Spannung zwischen Quellenelektrode und Substrat, bei dem der Strom zwischen Quellen- und Senkengebiet einen zu vernachlässigenden Wert besitzt.

Ein Schaltkreis, mit dem die Spannung zwischen der Quellenelektrode und dem Substrat des Feldeffekttransistors 1 automatisch auf einen Wert eingestellt wird, bei der der Strom zwischen Quellen- und Senkengebiet einen zu vernachlässigenden Wert besitzt, ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Operationsverstärker 5 erhält ein erstes Eingangssignal von einer Spannungsquelle 6 und ein zweites Eingangssignal über einen Rückkopplungswiderstand 7. über diesen wird die an einem Widerstand 8 abfallende Spannung auf den einen Verstärkereingang gegeben. Der über den Widerstand 8 fließende Strom entspricht dem zwischen dem Quellen- und Senkengebiet des Feldeffekttransistors 1 fließenden Strom. Damit die Substratspannung einen Sicherheitsbereich nicht überschreiten kann, sind Zenerdioden 9 und 10 vorgesehen. Die am Operationsverstär-

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3 C : .·. / ü 2 8 7

mm C —

ker 5 anliegende Spannung, die durch ein Voltmeter 11 gemessen wird, entspricht der Spannung zwischen Quellenelektrode und Substrat des Feldeffekttransistors 1, wenn die am Widerstand 8 abfallende Spannung gleich der von der Spanungsquelle 6 gelieferten Spannung ist. Der Operationsverstärker 5 liefert eine Ausgangsspannung zwischen der Substratelektrode 13 und der Quellenelektrode 14, die sich infolge der Rückkopplung über den Widerstand 7 so einstellt, daß die Spannung am Widerstand 8 gleich der Spannung der Spannungsquelle 6 ist. Die Spannungsquelle 6 und der Widerstand 8 werden so eingestellt, daß ein endlicher, jedoch zu vernachlässigender Strom mit einer Stärke von z.B. 0,5 uA zwischen Quellen- und Senkengebiet des Feldeffekttransistors 1 fließt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die Spannung der Quelle 6 0,665 V und der Wert des Widerstandes 8 1,33 χ 10 Ohm. Ein geeigneter Wert für die Spannung an der Reihenschaltung des Transistors 1 und des Widerstandes 8, die von der Spannungsquelle 12 geliefert wird, ist 1,165 V. Der Wert V_gxo der Spannung zwischen Substrat und Quellenelektrode wird durch das Voltmeter 11 angezeigt. Mit Hilfe der genannten Beziehung kann aus diesem Wert die Ladungsdichte in der Passivierungsschicht des Feldeffekttransistors 1 ermittelt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Bestimmung der Ladungsdichte innerhalb einer isolierenden Schicht auf einem Halbleitersubstrat mit Hilfe eines in diesem Substrat gebildeten Feldeffekttransistors, der mindestens im Bereich zwischen Quellen- und Senkengebiet von der isolierenden Schicht bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht angeschlossener Steuerelektrode des Feldeffekttransistors zwischen Quellen- und Senkenelektrode eine feste Spannung und zwischen Substrat und Quellenelektrode eine veränderbare Spannung gelegt werden, daß eine Erfassung des zwischen Quellen- und Senkengebiet fließenden Stromes stattfindet, daß ein Einstellen der veränderbaren Spannung auf einen Wert, bei dem der Strom zwischen Quellen- und Senkengebiet einen zu vernachlässigenden geringen Wert besitzt, erfolgt und daß aus dem eingestellten Wert der veränderbaren Spannung die Ladungsdichte in der isolierenden Schicht bestimmt wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Spannung auf einen Wert eingestellt wird, bei dem der Strom zwischen Quellen- und Senkengebiet eine Stärke von 0,5 uA besitzt.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldeffekttransistor mit einem ein zentrales Quellengebiet umgebenden, ringförmigen Senkengebiet gewählt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat aus Silicium und eine isolierende Schicht aus Siliciumdioxyd verwendet werden.

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