(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の温度を変化させて温度変化に起因する試料の電気特性を測定する熱電気測定装置において、次の構成を備える熱電気測定装置。
（ａ）試料の電気特性を測定するための第１電極及び第２電極。
（ｂ）試料にパラメータ電位を印加するための第３電極。
（ｃ）前記第１電極と第２電極の間に接続された電気特性測定手段。
（ｄ）前記第３電極に接続されていて、前記第３電極の電位を前記第１電極及び第２電極に対して独立に変化させることができる可変電圧源。
【請求項２】
試料の温度を変化させて温度変化に起因する試料の電気特性を測定する熱電気測定方法において、次の各段階を備える熱電気測定方法。
（ａ）試料の第１端子に第１電極を接続し、試料の第２端子に第２電極を接続し、試料の第３端子に第３電極を接続する段階。
（ｂ）前記第３電極に所定のパラメータ電位を印加して、試料の温度を変化させて前記第１電極と第２電極の間の試料の熱電気特性を測定する段階。
（ｃ）前記パラメータ電位を変化させて、異なるパラメータ電位について試料の熱電気特性をそれぞれ測定する段階。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電気測定方法において、次の特徴を備える熱電気測定方法。
（イ）前記試料はＭＯＳ・ＦＥＴである。
（ロ）前記第１端子はＭＯＳ・ＦＥＴのソースであり、前記第２端子はＭＯＳ・ＦＥＴのドレインであり、前記第３端子はＭＯＳ・ＦＥＴのゲートである。
（ハ）前記パラメータ電位はＭＯＳ・ＦＥＴのゲート電位である。
（ニ）異なるゲート電位について、前記ソースと前記ドレインの間の熱刺激電流をそれぞれ測定することを特徴とする熱電気測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の温度を変化させて温度変化に起因する試料の電気特性を測定する熱電気測定装置及び熱電気測定方法に関するものである。試料の温度を変化させて温度変化に起因する試料の電気特性を測定する手法としては、代表的なものに、ＴＳＣ（Thermally Stimulated Current:熱刺激電流）測定法があり、そのほかに、ＤＥＡ（Dielectric Analysis:熱緩和測定）、ＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）、ＩＣＴＳ（Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy）、ＴＳＩＣ（Thermally Stimulated Ionic Current）、ＩＶ（Current-Voltage characteristic:電流−電圧特性測定法）、ＣＶ（Capacitance-Voltage characteristic:容量−電圧特性測定法）などの測定手法がある。本発明はこれらの測定手法を実施する熱電気測定装置に関するものであり、また、その熱電気測定装置を使用した熱電気測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＳＣ法は伝統的な熱測定法の一種であり、試料温度を変化させて試料に発生する電流（熱刺激電流）を測定するものである。そして、その測定結果を解析することにより試料の各種の物性を知ることができる。このＴＳＣ法では試料に１対の電極を接続して、この１対の電極の間に流れる熱刺激電流を測定する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＴＳＣ測定装置は１対の電極を用いているので、トランジスタのような３個の端子を備える試料については、そのうちの２個の端子に１対の電極を接続してＴＳＣ測定をするにとどまり、３個の端子を活かした測定手法が見当たらなかった。このような状況は、その他の熱電気測定装置においても同様である。
【０００４】
本発明の目的は、３個の端子を備える試料に対して、３個の端子を活かした熱電気測定を可能にする熱電気測定装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、そのような熱電気測定装置を利用して、３個の端子を活かした熱電気測定方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電気測定装置は、試料の温度を変化させて温度変化に起因する試料の電気特性を測定するものであって、三つの電極を備えている。すなわち、試料の電気特性を測定するための第１電極及び第２電極と、試料にパラメータ電位を印加するための第３電極とを備えている。第１電極と第２電極の間には電気特性測定手段が接続される。第３電極には可変電圧源が接続され、第３電極の電位を第１電極及び第２電極に対して独立に変化させることができる。
【０００６】
本発明の熱電気測定装置は、代表的には、ＴＳＣ（Thermally Stimulated Current:熱刺激電流）測定装置に適用することができるが、そのほかに、ＤＥＡ（Dielectric Analysis:熱緩和測定）、ＤＬＴＳ（Deep Level Transient Spectroscopy）、ＩＣＴＳ（Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy）、ＴＳＩＣ（Thermally Stimulated Ionic Current）、ＩＶ（Current-Voltage characteristic:電流−電圧特性測定法）、ＣＶ（Capacitance-Voltage characteristic:容量−電圧特性測定法）などの測定手法を実施する熱電気測定装置にも適用できる。
【０００７】
本発明の熱電気測定方法は、試料の第１端子に第１電極を接続し、試料の第２端子に第２電極を接続し、試料の第３端子に第３電極を接続するものである。そして、第３電極に所定のパラメータ電位を印加して、試料の温度を変化させて第１電極と第２電極の間の試料の熱電気特性を測定する。さらに、前記パラメータ電位を変化させて、異なるパラメータ電位について試料の熱電気特性をそれぞれ測定する。
【０００８】
本発明の熱電気測定方法はＭＯＳ・ＦＥＴ（ＭＯＳ形の電界効果トランジスタ）からなる試料の熱刺激電流の測定に適用できる。その場合、試料の第１端子はＭＯＳ・ＦＥＴのソースであり、第２端子はドレインであり、第３端子はゲートである。ゲート電位がパラメータ電位となる。そして、異なるゲート電位のそれぞれについて、ソースとドレインの間の熱刺激電流を測定する。
【０００９】
本発明の熱電気測定方法をＭＯＳ・ＦＥＴに適用した場合、この測定方法がサーキットテスターに似ていると考えられるので、両者の違いをＴＳＣ測定を例にして説明する。ＭＯＳ・ＦＥＴの特性を測定するためのサーキットテスターは、試料を一定温度に保った状態で、ゲート電圧を変化させたときのソース・ドレイン間の電流の変化を計測するものである。これに対して、本発明の熱電気測定方法は、まず、ひとつのゲート電圧について、励起過程の段階でそのゲート電圧を試料に印加するとともに、測定段階では、そのゲート電圧を保持したまま、試料を昇温させながらＴＳＣ測定を実施している。すなわち、励起過程において不純物準位等をトラップしてから、連続した昇温過程で脱トラップ現象を生じさせて、これをＴＳＣ（熱刺激電流）として測定するものである。そして、このようなＴＳＣ測定を、異なるゲート電圧に対してそれぞれ実施することで、各ゲート電圧におけるＴＳＣ測定結果を得るようにしている。このような測定手法は従来のサーキットテスタでは実施できないものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明をＴＳＣ測定装置に適用した一つの実施形態の試料付近の斜視図であり、図２はその正面断面図と電気回路図である。図１において、基板１０（試料支持台に相当する）は２本の支持棒１２、１４で支持されている。この基板１０の上に試料組立体１６を載せる。まず、基板１０の構造を説明する。基板１０は窒化アルミニウム製である。窒化アルミニウムは熱伝導性の良好な電気絶縁材料である。細長い基板１０の長手方向の中央には金属層１８が形成されている。基板１０の長手方向の両端には、中央の金属層１８から間隔をあけて、１対の中継電極層２０、２２（第１中継電極層２０と第２中継電極層２２）が形成されている。これらの金属層１８と中継電極層２０、２２は例えばＴｉ/Ｍｏ/Ａｕの三層構造（Ｔｉが基板側）からなり、真空蒸着によって形成されている。基板１０の両端には、図２に示すように、ネジ２４、２６を通す貫通孔が形成されている。
【００１１】
図２において、２本の支持棒１２、１４はステンレス鋼製であり、基板１０を支持する働きのほかに、電気回路を構成するための導体としても機能する。すなわち、第１の支持棒１２は第１電極を兼ねており、第２の支持棒１４は第２電極を兼ねている。これらの支持棒１２、１４の下端はネジ２４、２６によって基板１０に固定されている。支持棒１２、１４の下端面と中継電極層２０、２２の上面との間には金（Ａｕ）製のワッシャ３０、３２が挿入されている。
【００１２】
また、円柱状の第３電極２８が基板１０の近傍に配置されている。この第３電極２８は基板１０には固定されていない。円柱状の第３電極２８の正面側の表面には平坦面３４が形成されていて、この平坦面３４の中央にはネジ３６を取り付けるためのメネジが形成されている。
【００１３】
図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。金属層１８と１対の中継電極層２０、２２は、断面領域ではないが、分かりやすくするためにハッチングで示してある。
【００１４】
次に、試料組立体１６を説明する。図４は試料組立体１６の平面図であり、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。図４において、この試料組立体１６はガラス基板３８の上にＭＯＳ・ＦＥＴ４０と、これに接続する三つの電極（すなわち、ソース電極４２、ドレイン電極４４、ゲート電極４６）とを形成したものである。ガラス基板３８は金属層１８（図１）に銀ペーストで接着されている。ＭＯＳ・ＦＥＴ４０は次のように形成されている。図５に示すように、ガラス基板３８の表面に二酸化シリコンの絶縁膜３９が形成され、その上にポリシリコン層４８が形成されている。そして、このポリシリコン層４８の上にＭＯＳ・ＦＥＴ４０が形成されている。ポリシリコン層４８には、Ｐ（燐）をドープしたソース拡散層５０と、Ｐ（燐）をドープしたドレイン拡散層５２と、ゲート絶縁膜５４（シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜）とが形成されている。ソース拡散層５０にはソース電極４２が接続され、ドレイン拡散層５２にはドレイン電極４４が接続され、ゲート絶縁膜５４の上にはゲート電極４６が形成されている。ソース電極４２とドレイン電極４４とゲート電極４６はアルミニウム膜である。図４に示すように、ガラス基板３８上の素子形成領域は、１辺の長さＬが約２５０μｍの概略正方形となっている。
【００１５】
図４において、三つの電極４２、４４、４６には、それぞれ、一辺が約６０μｍの概略正方形の端子部５６、５８、６０が形成されている。ソース電極４２の端子部５６には第１Ａｕワイヤ６２の一端が接続され、この第１Ａｕワイヤ６２の他端は第１中継電極層２０（図３）に接続されている。ドレイン電極４４の端子部５８には第２Ａｕワイヤ６４の一端が接続され、この第２Ａｕワイヤ６４の他端は第２中継電極層２２（図３）に接続されている。ゲート電極４６の端子部６０には第３Ａｕワイヤ６６の一端が接続され、この第１Ａｕワイヤ６６の他端は金属層１８（図３）に接続されている。一方、図３に示すように、金属層１８にはリード線６８の一端が接続されていて、このリード線６８の他端はネジ３６によって第３電極２８に固定されている。以上のような配線により、ソース電極４２は第１電極１２（図１）に電気的に接続され、ドレイン電極４４は第２電極１４（図１）に電気的に接続され、ゲート電極４６は第３電極２８（図１）に電気的に接続されている。
【００１６】
次に、図２を参照して、このＴＳＣ測定装置の電気回路を説明する。第１電極１２と第２電極１４の間には第１可変電圧源７０と電流計７２が直列に接続されている。第１可変電圧源７０と電流計７２の接続点７６は接地されている。また、第３電極２８と接続点７６の間には第２可変電圧源７８が接続されている。第１可変電圧源７０は試料のソース電極とドレイン電極の間に所望の電圧を印加するためのものであり、電流計７２はソース電極とドレイン電極の間に流れる電流を測定するためのものである。第２可変電圧源７８は試料のゲート電極に所望の電位（接地電位に対する電位）を印加するためのものである。
【００１７】
次に、図６を参照して、上述のＴＳＣ測定装置を使ってＭＯＳ・ＦＥＴの熱刺激電流を測定する方法を説明する。上段、中段、下段のグラフは、それぞれ、試料温度、ソース電圧、ゲート電圧の時間変化を示している。ソース電圧はドレイン電極の電位に対するソース電極の電位である。ドレイン電極の電位は接地電位であるから、ソース電圧は接地電位に対するソース電極の電位に等しい。ゲート電圧は接地電位に対するゲート電極の電位である。まず、試料温度を２０℃からマイナス１８０℃まで毎分マイナス５℃の降温速度で下げていく。この降温期間ではソース電圧もゲート電圧もゼロＶである。すなわち、図２の第１可変電圧源７０と第２可変電圧源７８の出力電圧をゼロＶに設定する。
【００１８】
試料温度がマイナス１８０℃に到達したら、ソース電圧を１０Ｖに、ゲート電圧をマイナス５Ｖに設定して、マイナス１８０℃の試料温度を１０分間保持する。この１０分間が試料（ＭＯＳ・ＦＥＴ）に対する励起過程である。このとき、図２の第１可変電圧源７０の出力電圧は１０Ｖであり、第２可変電圧源７８の出力電圧はマイナス５Ｖである。上述の降温過程と励起過程を合わせたものが熱刺激電流を測定するための前過程である。
【００１９】
次に、測定過程に移る。ソース電圧をマイナス１Ｖに設定し、ゲート電圧はマイナス５Ｖのままにして、毎分５℃の昇温速度で試料温度を上げていく。そして、この昇温過程において、ソース電極とドレイン電極の間に流れる電流（熱刺激電流）を測定する。この電流は、昇温に起因して、すなわち温度変化に起因して、生じる電流である。図２の電流計７２で第１電極１２と第２電極１４の間に流れる電流を測定する。この測定により、ポリシリコンにドープされた不純物（例えば、燐）のトラップ準位を解析することができる。
【００２０】
以上の測定により、ゲート電圧をマイナス５Ｖに設定したときのＭＯＳ・ＦＥＴのＴＳＣ測定が完了する。次に、ゲート電圧をマイナス４Ｖにして、同様のＴＳＣ測定を実施し、さらに、ゲート電圧をマイナス６Ｖにして、同様のＴＳＣ測定を実施する。これで、マイナス５Ｖを中心とした３種類のゲート電圧でＴＳＣ測定を実施できたことになる。なお、この実施形態では、ゲート電圧がマイナス５Ｖ付近のところでＭＯＳ・ＦＥＴの特性が大きく変化することを前提にしている。ＭＯＳ・ＦＥＴの場合、温度を一定にした状態で、ゲート電圧を±１０Ｖの範囲で変化させて第１電極１２と第２電極１４の間に流れる電流を測定すると、あるゲート電圧（これを臨界電圧と呼ぶことにする）のところで、電流値が大きく変化する。そのような臨界電圧と、その±１Ｖ程度の電圧の、少なくとも３点のゲート電圧でＴＳＣ測定を実施すると、ＭＯＳ・ＦＥＴの特性をより適切に把握することができる。一般に、ゲート電圧は±１０Ｖ程度の範囲内で変化させれば十分である。
【００２１】
ＭＯＳ・ＦＥＴでは、ソースとドレインの近傍にはＰ（燐）などのドープ物質があるが、ゲートの近傍にはドープ物質は存在しない。したがって、ゲートに適切な電圧（ＭＯＳ・ＦＥＴの種類によって異なる）を印加しなければ、キャリアが供給できないため、ソースやドレインの界面やポリシリコンの界面にトラップされた電子や正孔の脱トラップ電流が検出できない。この発明によってゲートに適正な電圧を印加することにより、はじめて、このような脱トラップ電流を測定することが可能になった。
【００２２】
このＴＳＣ測定装置では、上述のＭＯＳ・ＦＥＴ以外に、４層構造をもつサイリスタや、ＵＪＴ（Uni Junction Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような半導体素子も測定できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、試料の第３電極にパラメータ電位を印加して、異なるパラメータ電位のそれぞれについて熱電気測定を実施できるので、熱電気測定で得られる情報が増加する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明をＴＳＣ測定装置に適用した一つの実施形態の試料付近の斜視図である。
【図２】図１に示す実施形態の正面断面図と電気回路図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】試料組立体の平面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】ＭＯＳ・ＦＥＴの熱刺激電流の測定方法を説明するグラフである。
【符号の説明】
１０  基板
１２、１４  支持棒
１６  試料組立体
２８  第３電極
３８  ガラス基板
４０  ＭＯＳ・ＦＥＴ
４２  ソース電極
４４  ドレイン電極
４６  ゲート電極
７０  第１可変電圧源
７２  電流計
７８  第２可変電圧源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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