JPS6228585B2 - - Google Patents
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- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔技術分野〕
この発明は一般にコンデンサ構造体、更に具体
的に言えば、特に半導体コンデンサ構造体に使え
る、担体捕捉領域を用いた改良された高電界コン
デンサ構造体に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION TECHNICAL FIELD This invention relates generally to capacitor structures, and more particularly to improved high field capacitor structures using carrier capture regions, which are particularly useful in semiconductor capacitor structures.
一般にシリコン表面の荒れ又は欠陥は、絶縁体
の漏洩電流を増加すると共に、金属酸化物半導体
(MOS)装置に於ける低電圧での降伏を招くもの
と考えられている。このことが、多結晶シリコン
の上に熱成長させた酸化物について、Applied
Physics Letters誌、第27巻第9号(1975年11月
1日号)、第505頁乃至第507頁所載のD.J.DiMaria
及びD.R.Kerrの論文“Interface Effects and
High Conductivity and Oxides Grown From
Polycrystalline Silicon”に劇的に発表されてい
る。多結晶シリコンの上に熱成長させた酸化物
は、浮動なだれ注入MOS(FAMOS)、再書込み
が可能ななだれ注入装置(RADI)、及び電荷結
合装置(CCD)の様なSi技術を基本とする種々
の形式の装置にとつて重要である。この様な荒れ
があると、局部的に強い電界が発生し、それが
(界面が制限されたフアウラ・ノルドハイム・ト
ンネル効果により)局部的な強い暗電流密度並び
に低電圧での降伏を招くと考えられている。(第
1図の構造)
〔本発明〕
薄膜コンデンサの金属基板の面の荒れが、多結
晶シリコンの上に熱成長させた酸化物の場合に観
察されるのと略同様に、低電界での降伏を招く原
因になると考えられる。そこで必要なのは、コン
デンサ構造体の漏洩電流並びに降伏電圧を改善す
る為に、コンデンサ構造体内の基板と絶縁体との
間の荒れによる電界の強い点又はその影響を少な
くする方法である。(第2図及び第3図の構造)
この発明では、基板の近くの絶縁体に担体捕捉
領域又は層を設ける。この発明をMOS構造に適
用する場合、捕捉領域又は層は、SiO2絶縁体4
の中に導入した電子トラツプの形をしている。荒
れによつて局部的に大きな電流密度があると、電
界の強い点で電子トラツプが直ぐに充電され、こ
うして局部的な電界並びに電流を減少する。捕捉
領域又は層は、局部的な電界に対する捕捉電荷の
影響を最大にする為に、出来るだけシリコンに近
づけるべきであるが、印加電圧がない時に、トラ
ツプの放電による逆方向のトンネル効果が起る惧
れをなくす位に離しておかなければならない。
It is generally believed that roughness or defects on the silicon surface increase the leakage current of the insulator and lead to breakdown at low voltages in metal oxide semiconductor (MOS) devices. This suggests that for thermally grown oxides on polycrystalline silicon, Applied
DJ DiMaria from Physics Letters, Vol. 27, No. 9 (November 1, 1975), pp. 505-507
and DRKerr's paper “Interface Effects and
High Conductivity and Oxides Grown From
Thermally grown oxides on polycrystalline silicon have been dramatically unveiled in ``Polycrystalline Silicon.'' This is important for various types of devices based on Si technology, such as (CCD). Such roughness generates strong local electric fields, which can lead to - Nordheim tunneling effect) It is thought that this causes strong local dark current density and breakdown at low voltages. (Structure shown in Figure 1) [Invention] Roughness on the surface of the metal substrate of a thin film capacitor This is thought to lead to breakdown at low electric fields, much in the same way as observed in the case of thermally grown oxides on polycrystalline silicon.Therefore, it is necessary to reduce the leakage current and breakdown voltage of the capacitor structure. In order to improve A carrier trapping region or layer is provided in the insulator near the SiO 2 insulator 4. When applying the invention to a MOS structure, the trapping region or layer is
It is in the form of an electronic trap introduced inside. If there is a large local current density due to roughness, electron traps will quickly charge at points of strong electric field, thus reducing the local electric field and current. The trapping region or layer should be as close to the silicon as possible to maximize the effect of the trapped charge on the local electric field, but reverse tunneling due to trap discharge occurs in the absence of applied voltage. We must keep them far enough away to eliminate fear.
多結晶シリコン(ポリSi)2を多結晶Si層1の
上に最初に沈積し、次に部分的に熱酸化した
MOS構造の場合、具体的に言うと捕捉領域又は
層を形成する2つの方法がある。1番目は、薄い
熱成長SiO2層4を多結晶Si層2の上に形成する。
この薄い熱成長SiO2層4は多結晶Si層2の熱酸化
によつて形成することが出来る。薄い熱成長
SiO2層の上に比較的厚いCVD SiO2層6を沈積す
る。この構造では、CVD SiO2層6が電子捕捉領
域として作用する。2番目に、比較的厚いCVD
SiO2層6を沈積する前に、熱成長SiO2層4の上
に非常に薄い捕捉層5を沈積することによつて、
この構造の電子捕捉効率を実質的に改善すること
が出来る。この層の好ましい金属はタングステン
であるが、アルミニウムの様な他の原子を使うこ
とも出来る。この層は連続的ではなく、Journal
of Applied Physics誌1977年8月号所載のD.R.
Young、D.J.DiMaria及びN.A.Bojarcukの論文
“Electron Trapping Characteristics of W in
SiO2”に記載されている様に、非常に薄い数多
くのドツトとみなすことが出来る。本発明は上記
2番目の方法により、電子トラツプの位置を非常
に正確に定めることができる高電界コンデンサを
提供する。 Polycrystalline silicon (poly-Si) 2 was first deposited on top of the polycrystalline Si layer 1 and then partially thermally oxidized.
In the case of MOS structures, there are specifically two ways to form the trapping region or layer. The first is to form a thin thermally grown SiO 2 layer 4 on top of the polycrystalline Si layer 2 .
This thin thermally grown SiO 2 layer 4 can be formed by thermal oxidation of the polycrystalline Si layer 2. thin thermal growth
A relatively thick CVD SiO 2 layer 6 is deposited on top of the SiO 2 layer. In this structure, the CVD SiO 2 layer 6 acts as an electron trapping region. Second, relatively thick CVD
By depositing a very thin scavenging layer 5 on top of the thermally grown SiO 2 layer 4 before depositing the SiO 2 layer 6.
The electron capture efficiency of this structure can be substantially improved. The preferred metal for this layer is tungsten, but other atoms such as aluminum can also be used. This layer is not continuous and is
DR published in the August 1977 issue of Applied Physics magazine
Young, DJDiMaria and NABojarcuk's paper “Electron Trapping Characteristics of W in
As described in ``SiO 2 '', it can be regarded as a large number of very thin dots.The present invention uses the second method described above to create a high-field capacitor that can determine the position of the electron trap very precisely. provide.
薄膜コンデンサの場合、典型的な基板はタンタ
ル又はアルミニウムにすることが出来る。この基
板の上に、基板の酸化物を化学的に成長させる。
タンタルを基板とする場合、絶縁体はTa2O5であ
るが、アルミニウムが基板の場合、絶縁体は
Al2O3である。この構造に適用する場合、基板
と、化学的に成長させた酸化物との界面の直ぐ近
くに、イオン注入によつて電子捕捉領域又は層が
形成される。 For thin film capacitors, typical substrates can be tantalum or aluminum. A substrate oxide is chemically grown on this substrate.
When the substrate is tantalum, the insulator is Ta 2 O 5 , but when the substrate is aluminum, the insulator is Ta 2 O 5.
It is Al2O3 . When applied to this structure, an electron trapping region or layer is formed by ion implantation in close proximity to the interface between the substrate and the chemically grown oxide.
縮退n形単結晶シリコン上の多結晶シリコンの
沈積、多結晶のドーピング作用並びにその後の熱
酸化が、例えば前掲D.J.DiMaria及びD.R.Kerrの
論文に記載されている。第1図はこの構造を断面
で示す。単結晶Si基板1の上に電極として多結晶
Si層2が沈積され、次に熱酸化によつてSiO2絶縁
体4を作る。このSiO2絶縁体の上に金属電極
7、典型的にはアルミニウムを沈積する。第1図
に示す様に、多結晶Siと熱SiO2との間の界面3は
非常に粗くて凹凸がある。この荒れによる高点、
即ち金属電極に一番近い点が電界の強い点であ
る。この界面を通る平均電流は比較的小さくて
も、局部的な高点に於ける強い電界の為に生ずる
局部的な大電流により、平均電界が比較的低くて
も、SiO2絶縁体の局部的な降伏が起ることがあ
る。 Deposition of polycrystalline silicon on degenerate n-type single crystal silicon, doping of the polycrystalline and subsequent thermal oxidation is described, for example, in the article by DJ DiMaria and DR Kerr, supra. FIG. 1 shows this structure in cross section. Polycrystal as an electrode on single crystal Si substrate 1
A Si layer 2 is deposited and then a SiO 2 insulator 4 is created by thermal oxidation. A metal electrode 7, typically aluminum, is deposited onto this SiO 2 insulator. As shown in FIG. 1, the interface 3 between polycrystalline Si and thermal SiO 2 is very rough and uneven. High points due to this roughness,
That is, the point closest to the metal electrode is the point where the electric field is strong. Although the average current through this interface is relatively small , the localized large currents caused by strong electric fields at local high points can cause Surrender may occur.
第2図に示すMOS構造では、熱SiO2層4が比
較的薄く、その厚さはaである。この層は多結晶
Siの熱酸化によつて形成することが出来る。比較
的薄いこの熱成長SiO2層4の上にそれよりもか
なり厚い高温分解又はCVD SiO2層6が形成され
る。CVD SiO2層6の厚さをbで表わす。熱成長
SiO2層4は多数の電子トラツプを持つていない
が、CVD SiO2層6は或る電子捕捉効率を有す
る。この電子捕捉効率はCVD SiO2の含水量に関
係があると考えられる。 In the MOS structure shown in FIG. 2, the thermal SiO 2 layer 4 is relatively thin, with a thickness of a. This layer is polycrystalline
It can be formed by thermal oxidation of Si. On top of this relatively thin thermally grown SiO 2 layer 4 is formed a significantly thicker pyrolysis or CVD SiO 2 layer 6 . The thickness of the CVD SiO 2 layer 6 is denoted by b. thermal growth
Although the SiO 2 layer 4 does not have a large number of electron traps, the CVD SiO 2 layer 6 has a certain electron trapping efficiency. This electron capture efficiency is considered to be related to the water content of CVD SiO 2 .
第3図に示す様な変更により、第2図に示した
構造を実質的に改善することが出来る。第3図で
は、一層厚いCVD SiO2層6を沈積する前に、比
較的薄い熱成長SiO2層4の上にタングステン層
5を最初に沈積する。このタングステン層は極め
て薄く、約1014原子/cm2程度であり、その結果こ
の層は連続的ではない。この層は多数のドツト状
のタングステンで構成されるとみなすことが出来
る。この発明の特定の構成ではタングステンを使
つたが、当業者であれば、例えばアルミニウムの
様な他の原子を使うことも出来ることが理解され
よう。 Modifications such as those shown in FIG. 3 can substantially improve the structure shown in FIG. In FIG. 3, a tungsten layer 5 is first deposited over a relatively thin thermally grown SiO 2 layer 4, before a thicker CVD SiO 2 layer 6 is deposited. This tungsten layer is extremely thin, on the order of about 10 14 atoms/cm 2 , so that the layer is not continuous. This layer can be considered to be composed of a large number of tungsten dots. Although tungsten was used in the particular implementation of this invention, those skilled in the art will appreciate that other atoms, such as aluminum, may also be used.
この発明の利点を例示する為、第1図、第2図
及び第3図に示す様なMOS構造を製造し、夫々
見本A,B及びCと呼ぶ。これらは次の通りであ
る。
To illustrate the advantages of the present invention, MOS structures such as those shown in FIGS. 1, 2, and 3 were fabricated and are referred to as Samples A, B, and C, respectively. These are:
見本A
Al―熱成長SiO2(450Å)―多結晶Si(3.5×
10-3Ωcmn)〔第1図の従来構造〕
見本B
Al―CVD SiO2(520Å)―熱成長SiO2(70
Å)―多結晶Si(3.5×10-3Ωcmn)〔第2図の
構造〕
見本C(本発明)
Al―CVD SiO2(520Å)―W(〓1014原
子/cm2)―熱成長SiO2(70Å)―多結晶Si
(3.5×10-3Ωcmn)〔第3図の構造〕
各々の見本A乃至Cに於て、円形のアルミニウ
ム・ゲート電極の面積は1.3×10-2cm2であり、厚
さは約3000Åであつた。メタライズ後の焼なまし
は行なわなかつた。全ての酸化物の厚さはMOS
の静電容量によつて測定した。暗電流―印加ゲー
ト電圧特性は、一定勾配の電圧又は階段形の電圧
を使つて、生の見本について測定した。一定勾配
の電圧で実験した場合、その傾斜の割合は5.1×
10-2MV/cm―秒又は9.5×10-3MV/cm―秒にし
た。電流レベルが8×10-7A/cm2に達するまで、
正又は負のバイアスの大きさを増加する向きに傾
斜電圧を使い、この電流レベルに達した時、傾斜
の方向を逆転した。そのデータを第4図及び第5
図のグラフに示してあるが、これらのグラフは、
ゲート電圧の時間的な変化速度による変位電流
(〓3.5×10-9A/cm2)について補正してある。傾
斜形の実験の場合の最初の出発電圧は、電子伝導
電流が変位電流より優勢になり始める時であつ
た。階段形電圧の実験では、いずれのゲートの極
性に対しても、見本に破壊的な降伏が起るまで、
平均電界の大きさを0Vから1MVずつ階段状に増
加した。構造体に捕捉される負の電荷の蓄積に違
いがある為に、電流―電圧特性に細かく見ると若
干の違いがあるが、2つの実験方法によつて、大
体同じ結果が得られた。Sample A Al - thermally grown SiO 2 (450Å) - polycrystalline Si (3.5×
10 -3 Ωcmn) [Conventional structure shown in Figure 1] Sample B Al—CVD SiO 2 (520Å)—Thermally grown SiO 2 (70
Å) - Polycrystalline Si (3.5 x 10 -3 Ωcmn) [Structure in Figure 2] Sample C (invention) Al - CVD SiO 2 (520 Å) - W (〓10 14 atoms/cm 2 ) - Thermal growth SiO 2 (70Å) - Polycrystalline Si
(3.5×10 -3 Ωcmn) [Structure shown in Figure 3] In each sample A to C, the area of the circular aluminum gate electrode is 1.3×10 -2 cm 2 and the thickness is about 3000 Å. It was hot. No annealing was performed after metallization. All oxide thicknesses are MOS
It was measured by the capacitance of . Dark current-applied gate voltage characteristics were measured on raw samples using a constant slope voltage or a step voltage. When experimenting with a voltage with a constant slope, the slope ratio is 5.1×
10 -2 MV/cm-second or 9.5× 10-3 MV/cm-second. until the current level reaches 8×10 -7 A/cm 2 .
A voltage ramp was used to increase the magnitude of the positive or negative bias, and when this current level was reached, the direction of the ramp was reversed. The data is shown in Figures 4 and 5.
As shown in the graphs in the figure, these graphs are
The displacement current (〓3.5×10 −9 A/cm 2 ) due to the temporal change rate of the gate voltage has been corrected. The first starting voltage for ramp-type experiments was when the electronic conduction current began to dominate the displacement current. In step voltage experiments, for either gate polarity, the sample is
The magnitude of the average electric field was increased in steps of 1 MV from 0 V. Although there are slight differences in current-voltage characteristics when looked at in detail due to differences in the accumulation of negative charges captured in the structures, the two experimental methods yielded roughly the same results.
第4図乃至第7図は、電荷捕捉層が、多結晶シ
リコンと熱成長2酸化シリコンとの界面に於ける
荒れによる局部的な強い電界の影響を除去するこ
とをはつきりと示している。第4図及び第5図で
は、外部回路に所定の電流が測定されるのに必要
な平均電界の強さ(ゲート電圧の大きさを構造の
酸化物全体の厚さで除した値)は、電子捕捉層が
存在する時には、いずれの極性の電圧Al+(第4
図)及びAl-(第5図)でも一層大きい。見本C
(W層を持つ)の構造体は、見本B(W層を持た
ない)の構造体よりよいことに注意されたい。こ
れは、W層を持つ構造体(見本C)の捕捉効率が
CVD酸化物だけを持つ構造体(見本B)より大
きいという実験の観測と一致する。520ÅのCVD
SiO2層を持つ見本B及びCの両方の構造体のI
―V特性は、見本A(従来構造)の構造体より、
平均電界がずつと高い所に移つている。熱酸化物
層の上にCVD酸化物層を持つ構造体(見本B)
の捕捉効率が、多結晶シリコン基板の上に成長さ
せた熱酸化物だけを持つ構造体(見本A)に較べ
て増大しているのは、高温分解又はCVD酸化物
の含水量に関係があると思われる。見本B及びC
の構造体のI―V特性は、単結晶シリコン基板か
ら成長させた熱酸化物を持つMOS構造体の場合
の範囲内にある。 Figures 4 through 7 clearly demonstrate that the charge trapping layer eliminates the effects of strong local electric fields due to roughness at the interface between polycrystalline silicon and thermally grown silicon dioxide. . 4 and 5, the average electric field strength (the magnitude of the gate voltage divided by the total oxide thickness of the structure) required for a given current to be measured in the external circuit is: When an electron trapping layer is present, the voltage Al + (fourth
Figure) and Al - (Figure 5) are also larger. Sample C
Note that the structure of sample B (with W layer) is better than the structure of sample B (without W layer). This shows that the trapping efficiency of the structure with W layer (sample C) is
This is consistent with the experimental observation that it is larger than the structure with only CVD oxide (Sample B). 520Å CVD
I of both structures of samples B and C with two layers of SiO
-V characteristics are based on the structure of sample A (conventional structure).
The average electric field is gradually moving to higher places. Structure with CVD oxide layer on top of thermal oxide layer (Sample B)
The increased trapping efficiency compared to a structure with only thermal oxide grown on a polycrystalline silicon substrate (Sample A) is related to the water content of the high-temperature decomposition or CVD oxide. I think that the. Samples B and C
The IV characteristics of the structure are within the range of MOS structures with thermal oxide grown from single crystal silicon substrates.
荒れの影響を軽減する為に見本B及びCの構造
体内で起る一連の事象は、次の通りであると思わ
れる。 The sequence of events that occurs within the structures of Samples B and C to reduce the effects of roughness appears to be as follows.
(1) 印加されたゲート電圧が低い時、局部的な捕
捉作用が起り、荒れの影響を急速に消滅させ
る。(1) When the applied gate voltage is low, a local trapping effect occurs and the roughening effect disappears rapidly.
(2) 電界が強くなると、一様な捕捉作用が起り、
それがI―V特性を一層高い平均電界へずら
す。(2) When the electric field becomes stronger, a uniform trapping effect occurs,
That shifts the IV characteristic to a higher average electric field.
階段形電圧のI―Vの測定から、局部的な捕捉
作用は、見本B及びCの構造体では、いずれの極
性でも、非常に低い電流レベル(7.9×
10-12A/cm2)及び低い印加電界(2MV/cm)
で起る様に思われる。この電流レベルの近くで
は、見本B又はCの構造体のI―V特性が見本A
の構造体の特性と著しい違いを見せる。この違い
は桟の形(1.5乃至2MV/cm幅)となつて現われ
る。ここで電流がごくゆつくりと7.9×10-12A/
cm2乃至3.9×10-11A/cm2のレベルまで増加する。
見本C(W層を持つ)の構造体では、この桟が見
本Bの構造体(W層を持たない)より広かつた。
この桟が現われた後、一様な捕捉作用が支配的な
因子となり、I―V特性を左右すると思われる。
第4図及び第5図のデータは、この一様な捕捉作
用を表わす。 From step voltage IV measurements, the local trapping effect appears to be at very low current levels (7.9×
10 -12 A/cm 2 ) and low applied electric field (2 MV/cm)
It seems to happen. Near this current level, the IV characteristics of the structure of sample B or C are similar to those of sample A.
The characteristics of this structure are markedly different from those of other structures. This difference appears in the shape of the crosspiece (1.5 to 2 MV/cm width). Here, the current slowly increases to 7.9×10 -12 A/
cm 2 to a level of 3.9×10 −11 A/cm 2 .
In the structure of Sample C (with W layer), this crosspiece was wider than in the structure of Sample B (without W layer).
After the appearance of this crosspiece, the uniform trapping effect appears to become the dominant factor and govern the IV characteristics.
The data in FIGS. 4 and 5 represent this uniform capture effect.
第4図及び第5図に示されるデータに現われる
ヒステリシスは、電子捕捉作用によるものであ
る。単結晶縮退シリコン基板に563Åの熱酸化物
を持つMOS構造について得られた、第4図及び
第5図と同様なデータでは、第5図に見られる様
な見本Aの構造体でゲートの極性が負の場合に観
察されるよりも、電圧の極性がいずれの場合であ
つても、ヒステリシスは一層少ないことが判つ
た。いずれの極性でも、ヒステリシスの大きさは
見本Cの構造体が最大であり、次が見本Bの構造
体であり、見本Aの構造体が最小であつた。第4
図に示す見本Aの構造体でゲート・バイアスが正
の場合のヒステリシスは、D.J.DiMaria及びD.R.
Kerrの前掲の論文並びにその他に報告されてい
るものであり、これは局部的な電流密度が大きい
ことにより、電界が強い点の近くに於ける熱酸化
物層内の局部的な捕捉作用が強まる為であると考
えられる。その後の傾斜電圧サイクルでは、どの
構造体も記憶作用を示し、前のサイクルに於ける
負の電荷の捕捉作用によつてI―V特性が、次の
サイクルの初めに一層高い平均電界の方に押上げ
られた。見本Cの構造体でゲート・バイアスが正
の場合の急速な電流増加は、破壊的な降伏の近く
で電流の暴走状態が始まることを表わしている。 The hysteresis appearing in the data shown in FIGS. 4 and 5 is due to electron trapping effects. Data similar to Figures 4 and 5 obtained for a MOS structure with a 563 Å thermal oxide on a single-crystal degenerate silicon substrate show that the gate polarity is It has been found that there is less hysteresis in either case of voltage polarity than is observed when is negative. In either polarity, the magnitude of hysteresis was the largest in the structure of sample C, followed by the structure of sample B, and the smallest in the structure of sample A. Fourth
The hysteresis for the sample A structure shown in the figure with positive gate bias is determined by DJDiMaria and DR
Kerr's above-mentioned paper and others have reported that the large local current density enhances local trapping within the thermal oxide layer near points of strong electric field. This is thought to be due to the In subsequent ramp voltage cycles, all structures exhibit a memory effect, with the trapping of negative charges in the previous cycle causing the IV characteristic to shift towards a higher average field at the beginning of the next cycle. I was pushed up. The rapid current increase with positive gate bias in the sample C structure indicates the beginning of a current runaway condition near destructive breakdown.
第4図及び第5図に示す様な見本B及びCの構
造体のI―Vデータの違いが、W層に於ける一様
な負の電荷の捕捉作用によるものであれば、原理
的には、Journal of Applied Physics誌、第47巻
第9号(1976年9月号)、第4073頁乃至第4077頁
所載のD.J.DiMariaの論文“Determination of
Insulator Bulk Trapped Charged Densities
and Centroids From Photocurrent―Voltage
Charateristics of MOS Structures”に最近発表
されている方法を用いて、見本B及びCの間の電
圧のずれから、この層の位置を決定することが出
来る筈である。この光電流と電圧との関係は次の
通りである。 If the difference in the IV data of the structures of Samples B and C as shown in Figures 4 and 5 is due to the uniform negative charge trapping effect in the W layer, then in principle is a paper by DJ DiMaria “Determination of
Insulator Bulk Trapped Charged Densities
and Centroids From Photocurrent―Voltage
It should be possible to determine the position of this layer from the voltage difference between samples B and C using a method recently published in ``Charateristics of MOS Structures''.The relationship between this photocurrent and voltage is as follows.
/L=〔1+(|ΔVg −|L)/(|ΔVg +
|/L)〕-1
ここではAlとCVD SiO2の界面から測定したセ
ントロイド(centroid)・Lは構造体の酸化物全
体の厚さ、|ΔVg +|及び|ΔVg −|は、夫々
ゲート・バイアスが正及び負の場合の光電流の一
定レベルに於けるゲート電圧の変化の大きさであ
る。この式と、第4図及び第5図のデータからの
|ΔVg +|/L及び|ΔVg −|/Lの実験値と
を使うと、W層の位置は多結晶Siと熱成長SiO2と
の界面から72Åの距離の所になつたが、これは70
Åの測定値とよく合う。ゲート・バイアスが正の
場合、見本Cの構造体に於ける電流の暴走領域を
避ける為、3×10-8A/cm2より低い電流レベルに
対するデータだけを使つた。 /L=[1+(|ΔV g − |L)/(|ΔV g +
|/L)] -1 Here, the centroid measured from the interface between Al and CVD SiO 2・L is the total thickness of the oxide of the structure, |ΔV g + | and |ΔV g − | are, It is the magnitude of the change in gate voltage at a constant level of photocurrent for positive and negative gate biases, respectively. Using this equation and the experimental values of |ΔV g + |/L and |ΔV g − |/L from the data in FIGS. The distance from the interface with 2 is 72 Å, which is 70 Å.
It agrees well with the measured value of Å. To avoid the current runaway region in the sample C structure when the gate bias is positive, only data for current levels lower than 3x10 -8 A/cm 2 were used.
第6図及び第7図は見本A及びCの構造体で、
正のゲート・バイアス(多結晶Si注入)の自己治
瘉形及び破壊形の降伏の分布を示している。第7
図の見本Cの両方の分布は、平均電界が低い所で
の降伏がごく少ないことを示している。平均電界
が低い所での降伏は第6図に見本Aについて示す
様に熱酸化した多結晶シリコン表面に特有であ
る。第7図の柱状図(ヒストグラム)は、熱酸化
した単結晶SiのMOS構造に較べると、この様な
面積の大きいコンデンサでも約8.8MV/cmに平均
電界の付近に集中分布している。 Figures 6 and 7 are the structures of samples A and C,
The distribution of self-healing and destructive breakdown for positive gate bias (polycrystalline Si implantation) is shown. 7th
Both distributions in sample C of the figure show very little breakdown at low average electric fields. Breakdown at low average electric fields is characteristic of thermally oxidized polycrystalline silicon surfaces, as shown for sample A in FIG. The histogram in FIG. 7 shows that, compared to a thermally oxidized single-crystal Si MOS structure, even in a capacitor with such a large area, the electric field is concentrated near the average electric field of about 8.8 MV/cm.
負の捕捉電荷と、多結晶Siと熱成長SiO2との界
面との間に於ける電界の低下を最大限にすると同
時に、CVD酸化物層の電界が強い領域に於け
る、CVD酸化物の伝導帯への電界の助けを借り
た熱放出又は電界放出を最小限に抑える為、W捕
捉層の位置を多結晶Siと熱成長SiO2との界面の近
くに選んだ。然し、W領域は、多結晶Siへの逆方
向のトンネル作用を防止するのに十分な位に、多
結晶Siと熱成長SiO2との界面から離した。一般的
に、W領域は約40乃至50Åより大きく離すべきで
ある。他方、W領域は、捕捉された電荷が、シリ
コン表面の荒れによる電界に対して持つ影響が小
さくなる程、多結晶Siと熱成長SiO2との界面から
離してはならない。実際上の観点から、多結晶Si
と熱成長SiO2との界面からW領域の最大距離は
約150Å以下、好ましくは、100Å未満程度にすべ
きである。 This maximizes the negative trapped charge and the reduction of the electric field between the polycrystalline Si and thermally grown SiO 2 interface, while at the same time reducing the The location of the W trapping layer was chosen close to the interface between polycrystalline Si and thermally grown SiO 2 to minimize thermal or field emission with the aid of an electric field into the conduction band. However, the W region was spaced far enough from the polycrystalline Si and thermally grown SiO 2 interface to prevent reverse tunneling into the polycrystalline Si. Generally, the W regions should be separated by more than about 40-50 Å. On the other hand, the W region should not be placed so far from the interface between polycrystalline Si and thermally grown SiO 2 that the effect that the trapped charges have on the electric field due to silicon surface roughness is reduced. From a practical point of view, polycrystalline Si
The maximum distance of the W region from the interface between SiO 2 and thermally grown SiO 2 should be about 150 Å or less, preferably less than 100 Å.
見本Cの構造体の捕捉層にタングステンの様な
金属を使うのが非常に効果があるが、見本Bの構
造体は、この発明に従つて電流を小さくし且つ降
伏電圧を高める為に、他の捕捉層を使うことが出
来ることを実証している。こういう捕捉層は、イ
オン注入、蒸着又は化学的な蒸気沈積によつて形
成することが出来る。注入イオンは燐、砒素又は
アルミニウムであつてよい。熱成長SiO2層内に
電子トラツプを形成するのに、砒素が特に有効で
あることが判つた。降伏電圧を高める為に捕捉層
を使うという方法は、MOS構造以外のコンデン
サ構造にも使うことが出来る。例えば、基板の酸
化物をコンデンサの絶縁体として化学的に成長さ
せることにより、タンタル又はアルミニウムの基
板から薄膜コンデンサを作ることが知られてい
る。タンタルが基板である場合、絶縁体はTa2O5
になる。アルミニウムが基板の場合、絶縁体は
Al2O3になる。基板と絶縁体の酸化物の界面には
荒れがあり、それがこの様な薄膜コンデンサの降
伏電界を制限する傾向がある。こういう形式の構
造では、イオン注入により、基板と酸化物絶縁体
との界面の直ぐ近くに電子捕捉領域を形成するこ
とが出来る。 Although it is very effective to use a metal such as tungsten in the trapping layer of the structure of Sample C, the structure of Sample B is constructed using other metals to reduce the current and increase the breakdown voltage according to the present invention. It has been demonstrated that it is possible to use a trapping layer of Such a trapping layer can be formed by ion implantation, vapor deposition or chemical vapor deposition. The implanted ions may be phosphorous, arsenic or aluminum. Arsenic has been found to be particularly effective in forming electron traps within thermally grown SiO2 layers. The method of using a trapping layer to increase breakdown voltage can also be used in capacitor structures other than MOS structures. For example, it is known to make thin film capacitors from tantalum or aluminum substrates by chemically growing the oxide of the substrate as the capacitor's insulator. If tantalum is the substrate, the insulator is Ta 2 O 5
become. If aluminum is the substrate, the insulator is
It becomes Al 2 O 3 . The oxide interface between the substrate and the insulator is rough, which tends to limit the breakdown field of such thin film capacitors. In this type of structure, ion implantation allows an electron trapping region to be formed in close proximity to the interface between the substrate and the oxide insulator.
第1図は従来のMOS構造体の断面図、第2図
は他のMOS構造体の断面図、第3図はこの発明
の実施例によるMOS構造体の断面図、第4図は
夫々第1図、第2図及び第3図に対応する見本
A,B及びCのゲート・バイアスが正の場合の暗
電流密度を平均電界の大きさの関数として示すグ
ラフ、第5図は見本A,B及びCのゲート・バイ
アスが負の場合の暗電流密度を平均電界の大きさ
の関数として示すグラフ、第6図はゲート・バイ
アスが正の場合の見本Aの誘電体降伏事象の百分
率を平均電界の大きさの関数として示す柱状図、
第7図はゲート・バイアスが正の場合の見本Cの
誘電体降伏事象の百分率を平均電界の大きさの関
数として示す柱状図である。
FIG. 1 is a sectional view of a conventional MOS structure, FIG. 2 is a sectional view of another MOS structure, FIG. 3 is a sectional view of a MOS structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. Graphs showing the dark current density as a function of the average electric field magnitude for positive gate bias for specimens A, B and C corresponding to Figures 2 and 3; Figure 5 is for specimens A, B; A graph showing the dark current density as a function of the average electric field magnitude for negative gate biases and C as a function of the average electric field magnitude. Histogram, shown as a function of the size of
FIG. 7 is a histogram showing the percentage of dielectric breakdown events for Sample C as a function of average electric field magnitude for positive gate bias.
Claims (1)
分散されていて、担体捕捉領域を内部に持つ絶縁
層とから成る高電界コンデンサ構造体であつて、
一方の電極は多結晶シリコンの層(例えば2)か
ら成り、上記絶縁層は上記多結晶シリコンの層を
部分的に熱酸化して形成された相対的に薄い酸化
シリコンの層(例えば4)と、該相対的に薄い酸
化シリコンの層の上にそれよりも更に薄く被着さ
れたタングステン及びアルミニウムを含む群から
選ばれた金属の層(例えば5)と、該金属の層の
上に被着された相対的に厚いCVD二酸化シリコ
ンの担体捕捉層(例えば6)から成り、他方の電
極は該CVD二酸化シリコンの層に被着された金
属の層(例えば7)から成ることを特徴とする、
多結晶シリコンの層と酸化シリコンの層の間の荒
れに起因する局部的高電界を減少させた高電界コ
ンデンサ構造体。1. A high-field capacitor structure comprising a pair of spaced apart electrodes and an insulating layer distributed between the pair of electrodes and having a carrier trapping region therein,
One electrode consists of a layer of polycrystalline silicon (e.g. 2), and the insulating layer comprises a relatively thin layer of silicon oxide (e.g. 4) formed by partially thermally oxidizing the polycrystalline silicon layer. , a layer (e.g. 5) of a metal selected from the group comprising tungsten and aluminum deposited even thinner on the relatively thin layer of silicon oxide, and deposited on the layer of metal; comprising a relatively thick carrier trapping layer (e.g. 6) of CVD silicon dioxide, the other electrode comprising a layer of metal (e.g. 7) deposited on the layer of CVD silicon dioxide;
A high field capacitor structure that reduces local high electric fields caused by roughness between a layer of polycrystalline silicon and a layer of silicon oxide.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10599883A JPS59134865A (en) | 1983-06-15 | 1983-06-15 | High field condenser structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10599883A JPS59134865A (en) | 1983-06-15 | 1983-06-15 | High field condenser structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59134865A JPS59134865A (en) | 1984-08-02 |
| JPS6228585B2 true JPS6228585B2 (en) | 1987-06-22 |
Family
ID=14422373
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10599883A Granted JPS59134865A (en) | 1983-06-15 | 1983-06-15 | High field condenser structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59134865A (en) |
-
1983
- 1983-06-15 JP JP10599883A patent/JPS59134865A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59134865A (en) | 1984-08-02 |
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