DE2247162C3 - Verfahren zur Bestimmung der Ladungsdichte in einer Isolierschicht - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der Ladungsdichte in einer IsolierschichtInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
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.
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
(ζ. B. 6 χ 10" Atome/cm3) 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, dai3 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 Verfahren 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
ein? 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 ίο 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 Senken- 2i) gebiet 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
in 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 frühreren Verfahren der Fall war.
r> Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltungszur
to anordnung, 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 t 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 Vns 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 Ks ν Diese Spannung wird auf einen Wert eingestellt,
bei dem der zwischen dem Quellen- und dem Senkengebiet des Feldeffekttransistors 1 fließende
Strom feinen 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 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 Austriusarbeit zwischen der Oberfläche der Passivierungsschicht und dem Halbleitersubstrat
besteht, die Ladungsdichte Nss durch die folgende Beziehung gegeben ist:
/2 ι.· (Κ.·»·,, + 2'M NV 2
Hierin bedeuten:
e.s die Dielektrizitätskonstante des Substratmaterials,
Φι das Fermipotential des Substrats,
q die Elektronenladung,
N die Dotierungskonzentration des Substrats,
Vsxoden 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 F i g. 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 Sicherhehsbereich nicht überschreiten kann, sind Zenerdioden 9 und 10
vorgesehen. Die am Operationsverstärker 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 .Spannungsquelle 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 mn einer Stärke von z.B.
0,5 μΑ 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 ΙΟ·5
Ohm. Ein geeigneter Wert für die Spannung an der Reihenschaltung des Transistors 1 und des Widerstandes
8, die von der Spannungsquelle 12 geliefen wird, ist
1,165 V. Der Wert VS\o der Spannung zwischen
Substrat und Quellenelektrode wird durch das Voltmeter Il angezeigt. Mit Hilfe der genannten Beziehung
kann aus diesem Wert die Ladungsdichte in der Passivierungsschicht des Feldeffekttransistors 1 ermittelt
werden.
llicizu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. 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.
2. 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 μΑ
besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldeffekttransistor mit
einem ein zentrales Quellengebiet umgebenden, ringförmigen Senkengebiet gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat aus
Silicium und eine isolierende Schicht aus Siiiciumdioxyd verwendet werden.
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