JP2001308274A - 電圧履歴記録素子およびそれを用いた電子デバイスの印加電圧履歴記録方法 - Google Patents

電圧履歴記録素子およびそれを用いた電子デバイスの印加電圧履歴記録方法

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JP2001308274A
JP2001308274A JP2000121918A JP2000121918A JP2001308274A JP 2001308274 A JP2001308274 A JP 2001308274A JP 2000121918 A JP2000121918 A JP 2000121918A JP 2000121918 A JP2000121918 A JP 2000121918A JP 2001308274 A JP2001308274 A JP 2001308274A
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voltage
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electronic device
electrode
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Katsushi Ono
克志 大野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電子デバイスなどに印加される電圧履歴を記録
できる素子を提供する。 【解決手段】半導体基板1上に形成された拡散層2(下
部電極)と、拡散層2上に形成された極薄誘電体膜3
と、極薄誘電体膜3上に形成された上部電極4と、半導
体基板1上に堆積された絶縁層5と、絶縁層5に設けら
れたコンタクトホールに形成された下部電極引き出し電
極6および上部引出し電極7とを備えたMOSキャパシ
タから構成した電圧履歴記録素子であり、本MOSキャ
パシタの絶縁リーク電流の増加率より電子デバイスに印
加された電圧履歴が特定できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電圧履歴記録素子お
よびそれを用いた電子デバイスの印加電圧履歴記録方法
に関し、特に極薄誘電体膜を使用したMOSキャパシタ
から構成される電圧履歴記録素子およびそれを用いた電
子デバイスの印加電圧履歴記録方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体素子等への電子デバイスへ
の印加電圧状況を調査するためには、モニタ対象デバイ
スの両端に電圧の測定器を接続してモニタする方法が一
般的である。
【0003】図4はこの電圧測定方法を説明する回路模
型図である。図4に示すように、モニタ対象デバイス2
0の両端端子に外部より測定器21を接続して、デバイ
ス両端の印加電圧値を測定し、X−tレコーダ等に記録
することが一般的である。図4中、符号22は電源もし
くは任意の信号ピン、23はGND(グランド)を示
す。
【0004】しかし、図4の方法では、実使用状態にあ
る全てのデバイス対し、常時電圧値のモニタを行うこと
は、測定装置が大きくなる問題があった。
【0005】従って、図4の測定方法では、デバイス不
良解析時など、デバイスに電圧が印加された後の状態に
おいて使用時の電圧印加状況の調査を行うことは事実上
不可能であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術におけ
る電圧履歴測定方法における欠点を解決する方法として
特開平4―255674号公報には、板状の銀イオン導
電性の固体電解質層の両面に銀イオン導電性固体電解質
と電極活物質としてAgxVO5-y(0.6≦x≦0.
8、yは酸素欠損)の複合酸化物とを混合した電極を設
けた全固体電圧記憶素子を使用した電圧履歴記録技術が
開示されている。
【0007】しかし、この技術では、測定電圧範囲は0
〜200mVと、電圧範囲が狭い欠点がある。
【0008】従って、本発明の目的は、上記の従来の電
圧履歴記録技術における欠点を解決した電圧履歴記録素
子およびそれを用いた電圧記録方法を提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の電圧履歴記録素
子は、半導体基板上に形成された下部電極と、該下部電
極上に形成された極薄誘電体膜と、該極薄誘電体膜上に
形成された上部電極と、該上部電極を含む全面に堆積さ
れた絶縁層と、該絶縁層の表面から前記下部電極および
前記上部電極のそれぞれの表面に貫通するコンタクトホ
ールに形成され、前記絶縁層表面に導出された下部電極
引き出し電極および上部引出し電極とを備えたMOSキ
ャパシタから構成されることを特徴とする。
【0010】前記極薄誘電体膜の好ましい厚さは1〜6
nmであり、より好ましくは2〜5nmである。
【0011】本発明の電圧履歴記録素子はMOSキャパ
シタから構成され、該MOSキャパシタの誘電体膜に上
記のような極薄誘電体膜を使用したことに特徴があり、
電子デバイスの電圧印加端子に前記電圧履歴記録素子を
接続した場合、電子デバイスの印加電圧に応じて前記極
薄誘電体膜を貫通するリーク電流(以下、絶縁リーク電
流と称す)の大きさが増加し、この電流増加は非可逆的
であり、印加電圧により増加した絶縁リーク電流はその
後減少することはないために、絶縁リーク電流の大きさ
の増加から印加された電圧の大きさが推定できる。即
ち、前記極薄誘電体膜の絶縁リーク電流の変化の大きさ
から印加電圧履歴が推定できる。
【0012】前記極薄誘電体膜の厚さが1nmより小さ
くなると直接トンネル現象によるリーク電流が著しく増
大するために膜厚は1nm以上に設定される。また膜厚
が6nmを越えると絶縁破壊電圧まで絶縁リーク電流値
に変化は生じないために膜厚の上限は6nmと設定され
る。
【0013】前記極薄誘電体膜としては、酸化珪素(S
iO2)、オキシナイトライド(SiON)、窒化珪素
(Si34)または高誘電体膜などが使用できる。
【0014】前記キャパシタの下部電極としては前記半
導体基板上に形成したN型またはP型の拡散層や半導体
基板上に絶縁層を介して形成されたポリシリコンを使用
することができる。
【0015】また、前記上部電極としてポリシリコン,
金属または導電性金属酸化物を使用することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。
【0017】図1は本発明の実施の形態の電圧履歴記録
素子の構造断面図である。図1のように、本素子はシリ
コン等の半導体基板1上に形成されたN型またはP型の
拡散層(下部電極として使用)、下部電極上に形成され
た極薄誘電体膜3と、極薄誘電体膜3上に形成された上
部電極4と、上部電極4を含む全面に堆積された絶縁層
5と、この絶縁層の表面から拡散層2(下部電極)およ
び上部電極4のそれぞれの表面に貫通するコンタクトホ
ールに形成され、絶縁層5表面に導出された下部電極引
き出し電極6および上部引出し電極7とを備えたキャパ
シタから構成されている。
【0018】拡散層2の代わりに、半導体基板上に絶縁
層を介してポリシリコン膜を形成してパターニングし、
下部電極を形成してもよい。
【0019】極薄誘電体膜3としては、酸化珪素(Si
2)、オキシナイトライド(SiON)、窒化珪素
(Si34)または高誘電体膜を使用でき、その膜厚は
1〜6nmに設定される。なお、高誘電体膜としては、
PZT(PbZr1-xTix3),PLZT(Pb1-x
xZr1-yTiy3),BTO(BaTiO3),BS
T(Ba1-xSrxTiO3),STO(SrTiO3)な
どを使用することができる。
【0020】上部電極4としてはポリシリコン、AlS
iCu,AlCu等のAl合金や、IrO2等の導電性
金属酸化膜を使用できる。極薄誘電体膜3の特性を損な
わないものであれば、これらの電極材料に限定されるも
のではない。なお、下部電極または上部電極にポリシリ
コンを使用する場合には低抵抗化するためにAs,P,
Bなどの不純物イオンが添加される。
【0021】絶縁層5の材料には、CVD法で形成した
SiO2膜などが使用される。
【0022】また、下部電極引出し電極6および上部引
出し電極7にはAl合金などが使用される。
【0023】次に、図1の電圧履歴記録素子を用いた電
子デバイスの印加電圧履歴記録方法について図面を参照
して説明する。
【0024】図2は本発明の電圧履歴記録素子を用いた
電子デバイスの印加電圧履歴記録方法について説明する
ための回路模式図である。本素子(電圧履歴記録素子1
0)は電子デバイス、例えば半導体LSIチップ上のモ
ニタ対象素子、またはモニタ回路に対し並列に挿入され
る。本素子から引き出されている電極(下部電極引出し
電極6および上部電極引出し電極7はそれぞれ、任意の
入出力信号端子とGND、あるいは電源端子とGNDに
接続され、モニタ対象素子、またはモニタ回路に印加さ
れる電圧と等しい電圧が本素子(電圧履歴記録素子1
0)に印加される。
【0025】モニタ対象素子、またはモニタ回路に所定
の電圧が所定時間印加された後、本素子の電極に接続さ
れたモニタピン8とGND9端子を使用して本素子のリ
ーク電流増加率を測定し、予め求めた本素子の印加電圧
とリーク電流増加率の関係データよりモニタ対象素子、
またはモニタ回路に印加された電圧を推定することがで
きる。
【0026】図3は本素子の極薄誘電体膜の例としてS
iO2膜(膜厚:2.6nm)を使用した場合の印加電
圧と絶縁リーク電流の増加率の関係の測定結果である。
【0027】通常、6nmを越える厚さのSiO2膜に
高電圧を印加した場合には、絶縁破壊に至る直前まで絶
縁リーク電流値に変化は見られないが、厚さ1〜5nm
領域のSiO2膜では、絶縁破壊に至らない電界領域の
ストレスによっても、経時的に絶縁リーク電流は増大す
る。以降この効果をソフトブレークダウン効果と呼ぶ。
【0028】このソフトブレークダウン効果は印加電圧
に強く依存する。異なる電界下におけるSiO2膜の絶
縁リーク電流増加率のストレス時間依存性を示す。図3
に示されるように、絶縁リーク電流の増加率は印加電界
に応じて増大する性質を持つ。
【0029】本素子に電圧が印加された場合、素子内の
SiO2膜の絶縁リーク電流は、このソフトブレークダ
ウン効果により印加された電圧に応じて増大する。絶縁
リーク電流の増加は印加電圧に対して敏感であり、かつ
非可逆的な性質を有するため、印加電圧により増加した
絶縁リーク電流はその後減少することはない。
【0030】図3の極薄誘電体膜として2.6nm厚さ
のSiO2膜を使用した場合には3〜5Vの範囲の印加
電圧の履歴特定ができる。極薄誘電体膜の膜厚を調整す
ることにより測定電圧範囲を調整できる。
【0031】その他の極薄誘電体膜のSiON,Si3
4やPZT,PLZT,BTO,BST,STOなど
の高誘電体膜についても図3のSiO2膜と類似の絶縁
リーク電流特性が得られた。
【0032】本発明では、本素子に十分に長い時間電圧
が印加されると、絶縁リーク電流値は印加された電圧に
応じて増加する特性を有している。従って、あらかじめ
使用する極薄誘電体膜の印加電圧対絶縁リーク電流の関
係を明らかにしておけば、本素子のリーク電流レベルを
測定することにより、半導体デバイス等に印加された電
圧を印加後のあらゆる時点で特定することができる。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の極薄誘電
体膜を備えたMOS型キャパシタにより構成された電圧
履歴記録素子では、印加電圧に応じて非可逆的に絶縁リ
ーク電流増加する特性を有し、予め求めた本発明の電圧
履歴記録素子の印加電圧と絶縁リーク電流増加率の関係
データとモニタ電子デバイスに所定の時間接続した本素
子の絶縁リーク電流増加率とを比較することにより、モ
ニタ電子デバイスに印加された電圧履歴を任意の時点で
容易に特定できる効果がある。
【0034】また、電圧履歴情報は本素子の物理的特性
の変化として非可逆的に記録されるため、電圧印加後の
改ざん・変更は不可能であり信頼度の高い客観的な情報
を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の電圧履歴記録素子の構造
断面図である。
【図2】本発明の電圧履歴記録素子を用いた電子デバイ
スの印加電圧履歴記録方法について説明するための回路
模式図である。
【図3】本発明の電圧履歴記録素子の印加電圧と絶縁リ
ーク電流の増加率の関係の測定結果例である。
【図4】従来の電圧履歴記録方法を説明する回路模型図
である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 拡散層 3 極薄誘電体膜 4 上部電極 5 絶縁層 6 下部電極引出し電極 7 上部電極引出し電極 8 モニタピン 9,23 GND 10 電圧履歴記録素子 20 モニタ対象デバイス 21 測定器 22 電源もしくは任意の信号ピン

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成された下部電極と、
    該下部電極上に形成された極薄誘電体膜と、該極薄誘電
    体膜上に形成された上部電極と、該上部電極を含む全面
    に堆積された絶縁層と、該絶縁層の表面から前記下部電
    極および前記上部電極のそれぞれの表面に貫通するコン
    タクトホールに形成され、前記絶縁層表面に導出された
    下部電極引き出し電極および上部引出し電極とを備えた
    MOSキャパシタから構成されることを特徴とする電圧
    履歴記録素子。
  2. 【請求項2】 前記極薄誘電体膜の厚さが1〜6nmで
    あることを特徴とする請求項1記載の電圧履歴記録素
    子。
  3. 【請求項3】 前記極薄誘電体膜が、酸化珪素(SiO
    2)、オキシナイトライド(SiON)、窒化珪素(S
    34)または高誘電体膜で構成されたことを特徴とす
    る請求項1または2記載の電圧履歴記録素子。
  4. 【請求項4】 前記下部電極として前記半導体基板上に
    形成されたN型またはP型の拡散層を使用したことを特
    徴とする請求項1記載の電圧履歴記録素子。
  5. 【請求項5】 前記下部電極としてポリシリコンを使用
    したことを特徴とする請求項1記載の電圧履歴記録素
    子。
  6. 【請求項6】 前記上部電極としてポリシリコン,金属
    または導電性金属酸化物を使用したことを特徴とする請
    求項1記載の電圧履歴記録素子。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の電圧履歴記録素子を使用
    した電子デバイスの印加電圧履歴記録方法において、前
    記電子デバイスの電圧印加端子の両端に前記電圧履歴記
    録素子の前記下部電極引き出し電極および前記上部引出
    し電極を接続した後、前記電子デバイスに所定の電圧を
    所定の時間印加し、前記電圧履歴記録素子に印加電圧を
    記録することを特徴とする電子デバイスの印加電圧履歴
    記録方法。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の電子デバイスの印加電圧
    履歴記録方法によって電圧印加された前記電子デバイス
    に接続された前記電圧履歴記録素子の前記極薄誘電体膜
    を貫通するリーク電流の増加率と、予め求められた前記
    電圧履歴記録素子の印加電圧と前記リーク電流の増加率
    の関係データを比較し、前記電子デバイスの印加電圧の
    履歴を推定することを特徴とする電子デバイスの印加電
    圧履歴推定方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006054402A (ja) * 2004-08-16 2006-02-23 Nec Electronics Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2012199545A (ja) * 2011-03-18 2012-10-18 Altera Corp 低電圧参照回路

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