(57)【要約】【課題】ゲート電流−電圧特性から被測定トランジスタ１の表面電子状態を評価することにより、被測定トランジスタ１の電気特性を簡便に判定することが可能な、電気特性評価装置および電気特性評価方法を提供する。【解決手段】電気特性評価装置は、被測定トランジスタ１の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、被測定トランジスタ１の表面電流を測定する測定装置２と、測定装置２を介して、被測定トランジスタ１におけるゲート電極８と、被測定トランジスタ１におけるソース電極９またはドレイン電極１０の少なくとも一方とに接続された電圧印加手段とを備える。【選択図】        図３
2004219189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、
前記半導体素子の表面電流を測定する測定装置と、
前記測定装置を介して、前記半導体素子におけるゲート電極と、前記半導体素子におけるソース電極またはドレイン電極の少なくとも一方とに接続された電圧印加手段とを備えた電気特性評価装置。
【請求項２】
前記電気特性評価装置は演算装置をさらに備え、
前記測定装置は、少なくとも１０−１０Ａから１０−９Ａの微小電流を検出可能であり、
前記演算装置は前記微小電流の測定結果を指数関数成分と直線成分とに分解する、請求項１に記載の電気特性評価装置。
【請求項３】
半導体素子の電気特性を評価する電気特性評価方法であって、
前記半導体素子のゲート電極に電圧を印加する工程と、
前記電圧により前記半導体素子の表面に流れる電流を測定する工程と、
前記電流の測定結果に基づき前記半導体素子の表面状態を評価する工程とを備えた電気特性評価方法。
【請求項４】
前記電気特性評価方法は、前記電流の測定結果を指数関数成分と直線成分とに分解する工程をさらに備えた、請求項３に記載の電気特性評価方法。
【請求項５】
前記電流を測定する工程は、室温マイナス５０℃以上室温以下の温度で行なわれる、請求項３または請求項４に記載の電気特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気特性評価装置および電気特性評価方法に関し、特に、不純物付着などの表面状態と関係する表面電子状態密度の評価による、半導体素子の電気特性評価装置および電気特性評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体素子の電気特性の評価手法としては、たとえば特開平５−２０３６９７号公報や、特開平７−２２１１５０号公報に記載されたものなどが挙げられる。
【０００３】
特開平５−２０３６９７号公報は、トランジスタの接合容量の測定抽出方法を開示している。それによれば、トランジスタの基板のパラメータの測定データから、複数段階の変換などを経て、トランジスタの接合容量パラメータを抽出する方法が提供されている。
【０００４】
特開平７−２２１１５０号公報は、絶縁膜を透過、または絶縁膜において反射する赤外光を検出する赤外光検出手段を備えた、絶縁膜の構造変化をとらえることのできる評価装置を提供している。
【０００５】
また、ゲート電流−電圧特性を利用した、従来の半導体素子の電気特性の評価手法としては、たとえば下記の非特許文献１に記載された、Ｓｔａｔｚ  Ｍｏｄｅｌなどが挙げられる。非特許文献１によると、Ｓｔａｔｚ  Ｍｏｄｅｌは、ゲート電流がゲート電圧に対する２乗特性から線形特性に移行する様子を巧妙に表現しており、電界効果トランジスタのピンチオフ付近の特性を精度よく表現している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２０３６９７号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−２２１１５０号公報
【０００８】
【非特許文献１】
伊藤康之、高木直著「ＭＭＩＣ技術の基礎と応用」リアライズ社、１９９６年、ｐ．６４
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
たとえばＧａＡｓへテロ接合電界効果トランジスタのゲート電極形成時には、一般に、リセス形成のためのエッチング領域が露出するようにフォトレジストによりパターニングし、エッチング処理を行なう。さらに、レジストをマスクとしてゲート電極となる金属を蒸着し、余分な金属膜をレジストとともに除去したあと、電極のない部分の表面保護のため、保護膜を形成する、という一連の工程が実施されている。
【００１０】
上記のような工程を行なうに際し、たとえば使用する薬品やプロセスガスなどにより、リセスの表面電子状態が変化することがある。この変化は、結果として半導体素子の電気特性を変化させる要因となる。
【００１１】
しかしながら、上述のように、従来の半導体素子の電気特性の評価手法においては、表面電子状態を測定できる手段を提供しているものはなく、製造された半導体素子の表面状態を測定および評価することができない。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ゲート電流−電圧特性から半導体素子の表面電子状態を評価することにより、該素子の電気特性を簡便に判定することが可能な、電気特性評価装置および電気特性評価方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電気特性評価装置は、半導体素子の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、半導体素子の表面電流を測定する測定装置と、測定装置を介して、半導体素子におけるゲート電極と、半導体素子におけるソース電極またはドレイン電極の少なくとも一方とに接続された電圧印加手段とを備える。
【００１４】
本発明に係る電気特性評価方法は、半導体素子の電気特性を評価する電気特性評価方法であって、半導体素子のゲート電極に電圧を印加する工程と、電圧により半導体素子の表面に流れる電流を測定する工程と、電流の測定結果に基づき半導体素子の表面状態を評価する工程とを備える。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づく電気特性評価装置および電気特性評価方法の実施の形態について、図１から図１０を用いて説明する。
【００１６】
本実施の形態における被測定トランジスタ１の一例としての、ＧａＡｓヘテロ接合電界効果トランジスタの構造について、図１を用いて説明する。
【００１７】
該トランジスタ１においては、半絶縁性のＧａＡｓ基板１６上にＧａＡｓバッファ層１５を介して、ｎ型のＧａＡｓチャネル層１４が形成されている。該チャネル層１４の上に、ＡｌＧａＡｓスペーサ層１３を介して、ｎ型不純物をドープしたＡｌＧａＡｓ電子供給層１２と、ノンドープあるいは非常に低濃度の不純物をドープしたＡｌＧａＡｓショットキー層１１が形成されている。また、ＡｌＧａＡｓショットキー層１１上には、ソース電極９およびドレイン電極１０との接触部における２つのオーミック接合と、ゲート電極８との接触部における１つのショットキー接合が形成されている。
【００１８】
ＧａＡｓチャネル層１４に対し、ＡｌＧａＡｓスペーサ層１３、ＡｌＧａＡｓ電子供給層１２およびＡｌＧａＡｓショットキー層１１を用いることで、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ間の高いバンドギャップにより自由電子がＡｌＧａＡｓ層からＧａＡｓ層に拡散し、ヘテロ接合面のＧａＡｓ側にのみ電子が存在することになり、ＧａＡｓチャネル層１４に、二次元電子ガス層が形成される。二次元電子ガス層にはドナー不純物が存在しないので、高い移動度を得ることができる。
【００１９】
上記の構成による電界効果トランジスタにおいては、ゲート電極８と、ソース電極９およびドレイン電極１０との間に、電極のない領域が形成されている。該領域においては、表面電荷により表面空乏層が生じている。表面空乏層が大きいと電流が流れる通路が狭くなり、寄生抵抗の増大、電流の減少を招く。これを避けるために、エッチングによりリセス７を掘込み、そこにゲート電極８を形成することが通常行なわれている。
【００２０】
リセス７形成やゲート電極８を形成する過程において、半導体素子表面がプロセス環境にさらされることになるため、プロセス環境の汚染や使用する薬品中に含まれる不純物により、表面電子状態が変化し、電気特性が変化する可能性がある。さらに、半導体素子性能を向上させるための微細化が進むにしたがって、表面電子状態は該半導体素子の電気特性に大きく影響する要因のひとつとなる。
【００２１】
上記のような半導体素子の表面電子状態の変化に着目した、本実施の形態における電気特性の評価手法について以下に説明する。図２は、本実施の形態における電気特性評価装置のブロック図である。
【００２２】
本実施の形態における電気特性評価装置は、被測定トランジスタ１の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、被測定トランジスタ１の表面電流を測定する測定装置２と、測定装置２を介して、被測定トランジスタ１におけるゲート電極と、被測定トランジスタ１におけるソース電極またはドレイン電極の少なくとも一方とに接続された電圧印加手段としてのコントローラ３とを備える。
【００２３】
ここで、測定装置２とゲート電極８とは第１の経路４を介し、測定装置２とソース電極９およびドレイン電極１０とは第２の経路５を介して接続される。
【００２４】
また、上記の電気特性評価装置は演算処理装置６をさらに備え、演算処理装置６は表面電流の測定結果を、後述する指数関数成分と直線成分に分解する機能を有することが好ましい。
【００２５】
図３に示すように、測定装置２を介して接続された電圧印加手段（図２中のコントローラ３）により、ゲート電極８に電圧を印加し、被測定トランジスタ１上のゲート電極８と、ソース電極９およびドレイン電極１０との間に流れる電流を、少なくとも１０−１０Ａから１０−９Ａ程度の電流値が測定できる測定装置２を用いて測定する。図３においては、ソース電極９とドレイン電極１０との間を短絡し、それらをアース電位とする場合を示しているが、ソース電極９あるいはドレイン電極１０のどちらか一方のみを測定に用いてもよい。また、個々のデバイスとしての被測定トランジスタ１に分断される前のウエハの状態で、図３と同等に上記の測定を実施してもよい。
【００２６】
次に、本実施の形態における電気特性評価の手順について説明する。
本実施の形態における電気特性評価方法は、被測定トランジスタ１のゲート電極８に電圧を印加する工程と、該電圧により被測定トランジスタ１のリセス７表面に流れる電流を測定する工程と、該電流の測定結果に基づき被測定トランジスタ１のリセス７の表面状態を評価する工程とを備える。
【００２７】
たとえば、ゲート電極８に所定の電圧を印加し、測定装置２によってリセス７表面に流れる電流を測定する。図４は、上記のようにゲート電極８に電圧を印加したときに、被測定トランジスタ１の表面を流れる電流を測定して得られた、電流−電圧特性の一例であり、ドレイン電極１０をアースし、ゲート電圧を＋０．３Ｖから−０．３Ｖまで変化させたときに、ゲート電極８とドレイン電極１０との間のリセス７表面を流れる電流の変化の測定結果を示す。
【００２８】
次に、図４に示す結果に対し、下記のような処理を施し、該処理結果に基づいて被測定トランジスタ１のリセス７の表面状態を評価する。図５には、図４に示した電流−電圧特性の実測値２６（黒丸）のフィッティングカーブ２３（実線）を、最小二乗フィット法により指数関数成分２４（一点鎖線）と直線成分２５（破線）に分解した様子を示す。
【００２９】
ゲート電圧がプラス側（順方向バイアス側）では、フィッティングカーブ２３においては、指数関数成分２４（表面電流成分）が支配的であり、ゲート電極８に印加する電圧の増加にともなって、電流の値は指数関数的に増加する。上記の指数関数成分２４（表面電流成分）は、本実施の形態に係る半導体素子の電気特性の評価において着目する電流成分である。該成分は、後述する原理により、半導体素子の表面電子状態と密接に関連する。
【００３０】
一方、ゲート電圧がマイナス側（逆方向バイアス側）では、フィッティングカーブ２３においては、直線成分２５（表面リーク電流成分）が支配的となり、電流の値はゲート電極８に印加する電圧とほぼ比例関係にある。この直線成分２５（表面リーク電流成分）は、半導体素子の表面状態に関わりなく、意図せずにリークされる成分である。該成分はバイアスの方向に関係なく、ゲート電極８に印加する電圧と比例関係にあるので、ゲート電圧がプラス側におけるフィッティングカーブ２３にも含まれている。
【００３１】
本実施の形態においては、直線成分２５に対して指数関数成分２４が非常に大きいため、それらを同時に求めた場合、分解の精度が低下する可能性がある。したがって、直線成分２５を実験的に求めてその傾きを固定した後、指数関数成分２４をカーブフィットにより求める手法を採用している。
【００３２】
このような数値計算処理を用いて図５に示す指数関数成分２４のみを抽出することにより、より正確に表面電流成分の変化量を比較することができ、より精密な表面状態の把握を行なうことができる。
【００３３】
次に、本実施の形態における電気特性評価の原理について説明する。
図６および図７は、リセス７表面に垂直方向にみたバンド構造を示す。図６は表面準位１７の状態密度（表面状態密度）が大きい場合、図７は表面状態密度が小さい場合を示す。リセス７表面に存在する表面準位１７に電子が吸着されるため、リセス７表面付近の伝導帯１８は、下層の領域に対して大きくなる。ここで、フェルミレベル２２は表面準位１７に吸着されるマイナス電荷量と被測定トランジスタ１内部のイオン化したドナーのプラス電荷量がつりあう位置で決定される。
【００３４】
図６および図７に示すように、フェルミレベル２２が表面準位１７の状態密度に依存してシフトする。すなわち、表面状態密度が小さい場合（図７）においては、表面状態密度が大きい場合（図６）と比較して、フェルミレベル２２は伝導帯１８に近づくためにバンドベンディング量は小さくなる。
【００３５】
図８に、リセス７表面付近を水平方向にみたバンド構造を示す。図８に示すとおり、実線で示すバンド構造１９（表面状態密度大）に対し、破線で示すバンド構造２０（表面状態密度小）においては、リセス７表面の電子からゲート電極８に対するバリアハイトが小さくなる。したがって、表面準位１７の状態密度が小さい、すなわちリセス７表面において不純物の付着などが少ない場合、ゲート電極８に印加した電圧による電流の指数関数成分２４（表面電流成分）が大きくなる。
【００３６】
なお、ゲート電極８に作用させる電圧がゼロバイアス付近であれば、ゲート電極８とドレイン電極１０との間に流れる電流の値はより微小になるため、表面状態密度の変化が電流の値により大きく影響する。したがって、より正確に表面状態密度を評価することができる。なお、本実施の形態における測定装置２は、少なくとも１０−１０Ａから１０−９Ａ程度の電流を検出可能であるので、上記の微小な電流を正確に計測することが可能である。
【００３７】
ここで、上記の電流を測定する工程は、室温（たとえば２０℃から３０℃程度）マイナス５０℃以上室温以下程度の温度で行なわれることが好ましい。低温の場合、表面準位１７により吸着された電子の再励起確率が減少するために、表面準位１７の占有率が室温の場合に比べて相対的に増加する。したがって、図９に示すように、リセス７の表面付近を水平方向にみた場合に、実線で示すバンド構造２１（低温）においては、破線で示すバンド構造２０（室温）と比較して、リセス７表面の電子からゲート電極８に対するバリアハイトが大きくなる。この状態で、ゲート電極８に電圧を作用させると、より小さな表面状態密度の変化に対しても、指数関数成分２４が反応するので、室温で行なうよりも、微細な表面状態の変化を検出することができる。一方、温度が室温から５０℃程度低下すると、キャリア濃度は１／１００から１／１０００程度に減少し、それに比例して電流の値は小さくなるため、測定装置２の計測精度との関係上、室温マイナス５０℃程度が下限値となる。
【００３８】
上記の構成による評価装置および評価方法による電気特性の評価結果の一例について以下に説明する。
【００３９】
図１０は、図１に示す被測定トランジスタ１のゲート電極８に、０．１Ｖの電圧を作用させ、上記の構成により、各々の被測定トランジスタ１における指数関数成分２４（表面電流成分）を算出し、高周波特性の規格値に対する良品素子と不良素子に分類して示したものである。
【００４０】
図１０に示すとおり、不良素子の方が、表面電流成分が小さくなっている。これは、不良素子においては、表面状態密度が増加したために、表面電流成分が減少したことを示しており、表面電流成分を測定することにより、半導体素子の表面状態を把握し、該素子の電気特性を評価できることが分かる。また、以上の結果は、半導体素子製造時におけるクリーンルーム環境や薬品の純度等の工程管理にフィードバックすることが可能である。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート電流−電圧特性から半導体素子の表面電子状態を評価することができるので、該素子の電気特性を簡便に判定することが可能な、電気特性評価装置および電気特性評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係る電気特性評価装置および電気特性評価方法により評価可能な半導体素子の断面図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態に係る電気特性評価装置のブロック図である。
【図３】本発明の１つの実施の形態に係る電気特性評価装置を半導体素子と接続した状態を示す図である。
【図４】本発明の１つの実施の形態に係る電気特性評価装置および電気特性評価方法による半導体素子のゲート電流−ゲート電圧特性の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の１つの実施の形態に係る電気特性評価装置および電気特性評価方法による半導体素子のゲート電流−ゲート電圧特性の数値演算処理結果を示す図である。
【図６】半導体素子の表面に垂直な方向のバンド構造図（表面状態密度が大きい場合）である。
【図７】半導体素子の表面に垂直な方向のバンド構造図（表面状態密度が小さい場合）である。
【図８】半導体素子の表面に平行な方向のバンド構造図（表面状態密度による比較）である。
【図９】半導体素子の表面に平行な方向のバンド構造図（温度による比較）である。
【図１０】本発明の１つの実施の形態に係る電気特性評価装置および電気特性評価方法による半導体素子の電気特性の評価結果を示した図である。
【符号の説明】
１  被測定トランジスタ、２  測定装置、３  コントローラ、４  第１の経路、５  第２の経路、６  演算処理装置、７  リセス、８  ゲート電極、９  ソース電極、１０  ドレイン電極、１１  ＡｌＧａＡｓショットキー層、１２  ＡｌＧａＡｓ電子供給層、１３  ＡｌＧａＡｓスペーサ層、１４  ＧａＡｓチャネル層、１５  ＧａＡｓバッファ層、１６  ＧａＡｓ基板、１７  表面準位、１８  伝導帯（垂直方向）、１９  バンド構造（表面状態密度大）、２０  バンド構造（表面状態密度小／室温）、２１  バンド構造（低温）、２２  フェルミレベル、２３  フィッティングカーブ、２４  指数関数成分（表面電流成分）、２５  直線成分（表面リーク電流成分）、２６  実測値。
【図１】
2004219189.tif 000003
【図２】
2004219189.tif 000004
【図３】
2004219189.tif 000005
【図４】
2004219189.tif 000006
【図５】
2004219189.tif 000007
【図６】
2004219189.tif 000008
【図７】
2004219189.tif 000009
【図８】
2004219189.tif 000010
【図９】
2004219189.tif 000011
【図１０】
2004219189.tif 000012