JP2002100663A - 半導体素子の電圧計測装置および電圧計測方法並びに測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】直列抵抗成分の大きさの異なる試料間で絶縁破
壊に至るまでの測定結果を統一的に扱えるようにする。 【解決手段】半導体素子に通電される電流ｉが、ファウ
ラ−ノルドハイムトンネル電流式にしたがって変化し、
かつ絶縁膜以外の寄生抵抗が無視できる所定電圧まで外
部電圧Ｖを上昇変化させ、当該外部電圧Ｖと電流値ｉを
測定する。次に測定されたＶとｉに基づいて、半導体素
子についてのファウラ−ノルドハイムトンネル電流式を
演算し、理想曲線１０９を求める。所定電圧になったと
きの電流値からｉを所定の比率で段階的に上昇させる毎
にｉとＶを測定し、Ｖが急減したとき、直線１０８で示
す絶縁破壊が生じたときの電流値を絶縁破壊時電流値と
する。この絶縁破壊時電流値に対応する絶縁破壊電圧
値、つまり曲線１０９と直線１０８との交点の電圧値Ｖ
bd3を、フェウラ−ノルドハイムトンネル電流式から演
算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＩＳ構造の半導
体素子の絶縁破壊電圧を計測する装置および方法並びに
その測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９に示すようにシリコン基板などの半
導体基板２上に、酸化膜などの絶縁膜３を形成しこの絶
縁膜３上に電極４を形成したＭＩＳ（Metal-Ｉnsulator
-Semiconductor）構造の半導体素子１はＭＯＳ構造のト
ランジスタなどとして使用される。ＭＩＳ構造の半導体
素子１の絶縁膜３の品質の評価法の一つに、ＴＺＤＢ
（Time Zro-Dielectric Break down）法がある。

【０００３】図９はＴＺＤＢ法で絶縁膜３の品質を評価
するために用いられる測定装置を示している。すなわち
この測定装置では半導体素子１が測定対象の試料（以下
ＭＩＳ試料という）１として試料台５上に載置される。
そして試料台５とＭＩＳ試料１の電極４との間に電源６
が電気的に接続され、電源６から探針（プローブ）７を
介して電極４に電圧（以下外部電圧という）が印加され
る。外部電圧値Ｖは電圧計８で測定される。またＭＩＳ
試料１に通電される電流の電流値ｉは電流計９で測定さ
れる。電源６から電極４に印加される電圧は図示しない
コントローラによって制御される。

【０００４】ＴＺＤＢ法は図１０の特性１００に示すよ
うにＭＩＳ試料１の電極４に印加する電圧を単位時間
（たとえば０．２ｓ）ごとにステップ状に段階的に（た
とえば１．２５Ｖづつ）、最大印加電圧（たとえば３
７．５Ｖ）に至るまで上昇変化させていき、各ステップ
の終端１０１で外部電圧値ＶとＭＩＳ試料１に通電され
る電流値ｉを測定し、電流が急激に上昇したときの外部
電圧値Ｖをもって絶縁膜３の絶縁破壊電圧値とする計測
方法のことである。なお絶縁破壊電圧Ｖbdは必要に応じ
て下記（２０）式に基づいて絶縁破壊電界値Ｅbdに換算
される。

【０００５】Ｅbd＝Ｖbd/ｄox …（２０） ただしｄoxは絶縁膜３の厚さ（たとえば２５ｎｍ）であ
る。この式ではフラットバンド電圧は無視している。

【０００６】図１１は外部電圧Ｖと電流ｉとの関係を示
している。ＭＩＳ試料１は図示するような電圧−電流特
性１０４を備えている。

【０００７】絶縁破壊電圧の計測はつぎの（１）、
（２）で示すいずれかの方法で行われる。

【０００８】（１）絶縁破壊を判定するための判定電流
値ｉc（たとえば２Ｅ−２Ａ）が設定される。たとえば
外部電圧ＶがＶaに達したときに１１０で示すように絶
縁破壊が生じ電流が判定電流値ｉcを超えたならば、そ
のときの外部電圧値Ｖaを絶縁破壊電圧値とする。また
外部電圧ＶがＶbに達したときに１１１で示すように絶
縁破壊が生じ電流が判定電流値ｉcを超えたならば、そ
のときの外部電圧値Ｖbを絶縁破壊電圧値とする。

【０００９】（２）電圧−電流特性１０４の傾きが急峻
に変化した時点の電圧を絶縁破壊電圧とみなす。

【００１０】この結果絶縁破壊電圧値が高い場合には絶
縁膜３の絶縁耐圧が良好と評価し、絶縁破壊電圧値が低
い場合には絶縁膜３の絶縁耐圧が不良と評価する。

【００１１】しかし図９に示すＭＩＳ試料１においては
絶縁膜３で電圧降下が生じるのみならず、絶縁膜３以外
の部分でも電圧降下が生じる。すなわち電極４、半導体
基板２、試料１の裏面と試料台５の接触部がそれぞれも
っている直列抵抗成分１２（図９で破線にて仮想的に示
す）によっても電圧降下が生じる。この直列抵抗成分１
２を寄生抵抗という。この直列抵抗成分１２の大小いか
んは絶縁破壊電圧の計測に影響を与える。これを図１
２、図１３を参照して説明する。

【００１２】図１２は絶縁膜３にかかる電界Ｅと電流ｉ
との関係を示している。ＭＩＳ試料１は図示するような
電界−電流特性１１２を備えている。

【００１３】同図１２に示すようにＭＩＳ試料１に通電
される電流ｉは様々な要因による電流の和で表される。
低電界の領域では絶縁膜３に対する充電、電極４の周辺
からのリークなどによる電流成分１１３が支配的とな
る。これに対して高電界の領域ではファウラ−ノルドハ
イム（Fowler-Nordheim）トンネル電流の成分１０９が
支配的となる。以下適宜ＦＮトンネル電流と略称する。

【００１４】ファウラ−ノルドハイムトンネル電流ＩFN
はつぎの式（これをファウラ−ノルドハイムトンネル電
流式と定義する）で表される。

【００１５】 Ｉ_ＦＮ＝ＣＥ_Ｉ ^２exp（−Ｂ/Ｅ_Ｉ） …（１） ここで、Ｃ、Ｂは次式で表される。

【００１６】 …（２） である。ただしＥ_Ｉ は絶縁膜３にかかる電界で、ｄは
絶縁膜３の厚さで、ｑは電子の電荷で、ｈはプランク定
数で、φ_Ｂ は電子に対する絶縁膜３の障壁高さで、ｍ
は電子の有効質量である。

【００１７】図１３はＭＩＳ試料１の電圧−電流特性
を、直列抵抗成分１２が大きい場合の特性１０４（実線
にて示す）と小さい場合の理想的な特性１１４（破線に
て示す）とを比較して示している。

【００１８】ＭＩＳ試料１における外部電圧Ｖは、次式
で示すように、絶縁膜３による電圧降下Ｖ_Ｉ とその他
の直列抵抗成分１２による電圧降下Ｖ_ｇ、Ｖ_ｓｕｂ、Ｖ
_ＢＣとの和で表される。

【００１９】 Ｖ＝Ｖ_Ｉ＋Ｖ_ｇ＋Ｖ_ｓｕｂ＋Ｖ_ＢＣ …（３） ただしＶ_ｇは電極４の持つ抵抗による電圧降下で、Ｖ
_ｓｕｂは半導体基板２の持つ抵抗による電圧降下で、Ｖ
_ＢＣ はＭＩＳ試料１の裏面と試料台５との接触部の抵
抗による電圧降下である。

【００２０】外部電圧Ｖが高い領域では絶縁膜３をとお
してＦＮトンネル電流が流れ、絶縁膜３のもつ抵抗に対
して相対的に直列抵抗成分１２の影響が大きくなる。こ
のため高電圧（高電界）領域では、図１３に示すように
直列抵抗成分１２の大きい場合（実線）と小さい場合
（破線）とで特性が大きく異なってしまう。

【００２１】複数のＭＩＳ試料１を評価する場合、複数
の試料間で直列抵抗成分１２の大きさが常に同じとみな
せるのであれば、実際に測定される特性１０４がたとえ
理想的な特性１１４からかけ離れていたとしても、直列
抵抗成分１２による影響は各試料間で共通であるので絶
縁膜３の良否の判定を同じ基準で行うことができる。し
かしながら複数の試料間で直列抵抗成分１２の大きさが
互いに異なる場合には、直列抵抗成分１２による影響は
各試料間で互いに異なり実際に得られる特性１０４がば
らつくので絶縁膜３の良否の判定を同じ基準で行うこと
はできない。つまり各試料間で高電界領域における絶縁
破壊電圧の大小を比較したり各試料を定量的に評価する
ことはできない。

【００２２】図１４は図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に
それぞれ示す直列抵抗成分１２の大きさが異なる試料１
１５、１１６、１１７間で電圧−電流特性を実際に測定
した結果を示している。

【００２３】図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す各試
料１１５、１１６、１１７は絶縁膜３が厚さ２５ｎｍの
シリコン酸化膜で共通しており、電極４についても厚さ
４００ｎｍの低抵抗多結晶シリコン電極で共通してい
る。しかし半導体基板２については各試料１１５、１１
６、１１７間で厚さ、抵抗率などが異なっており、直列
抵抗成分１２の大きさが異なっている。

【００２４】このため図１４に示すように各試料１１
５、１１６、１１７毎に実際に得られる特性がばらつ
き、絶縁膜３の良否の判定を同じ基準で行うことはでき
ない。

【００２５】そこで高電圧領域における寄生抵抗の影響
を無視できる判定方法が、つぎの文献に記載されてい
る。すなわち「ASTM F1771-97゛Standard Test Method
for Evaluating Gate Oxide Integrity by Voltage Ram
p Technique゛」には、寄生抵抗が事実上無視できるよ
うな低電圧つまりシリコン酸化膜にかかる電界にして８
ＭＶ/ｃｍ以下で絶縁破壊が発生した場合には絶縁耐圧
不良と判定し、それ以上の耐圧をもつ場合には絶縁耐圧
良好（合格）と判定するという方法が記載されている。
しかしこの文献には寄生抵抗が無視できないような高電
圧の領域で判定を定量的に行う方法については記載され
ていない。

【００２６】また直列抵抗成分１２を別途測定し、その
測定結果を用いて絶縁破壊電圧値を補正して判定を同じ
基準で行い判定を定量的に行うことも考えられる。しか
し直列抵抗成分１２を別途測定することにした場合には
評価のプロセスが複雑となるという問題が発生する。ま
た以下に述べる公報記載の発明と同様の問題が発生す
る。

【００２７】ここに特開平６−３３４０１５号公報に
は、ＴＺＤＢ法によって低電界領域で測定された電圧値
と電流値を用いてＦＮトンネル電流式を求め、高電界領
域で実測された電流値をＦＮトンネル電流式に代入する
ことによって酸化膜にかかる真の電界値を求めるという
発明が記載されている。

【００２８】しかしこの公報には、図１６（ａ）に示す
ようにＴＺＤＢ法によって低電界領域のみならず高電界
領域においても外部電圧値Ｖを段階的にステップ状に上
昇変化させていく点しか記載されていない。図１６
（ｂ）は低電界領域のみならず高電界領域においても外
部電圧値を段階的にステップ状に上昇変化させていった
場合の時間ｔと電界Ｅとの関係を示している。同図１６
（ｂ）は各ＭＩＳ試料間で直列抵抗成分１２の大きさが
異なる場合の特性を比較して示す図であり、実線で示す
特性１１８は直列抵抗成分１２が大きい場合であり、破
線で示す特性は直列抵抗成分１２が小さい場合である。
この図から明らかなように、高電界領域では外部電圧を
同じ上昇率で上昇させていったとして直列抵抗成分１２
の大きさが異なる試料間で電界Ｅの上昇率が異なってし
まう。このため直列抵抗成分１２の大きさの異なる試料
間で、絶縁破壊に至るまでの測定結果を統一的に扱えな
いという問題が発生する。

【００２９】ところで図１に示すようにＭＩＳ試料１の
電極４には、絶縁膜３上にＣＶＤ法（化学的気相堆積
法）で堆積させ不純物をドープした多結晶シリコンが広
く用いられる。そこで図示するように多結晶シリコン電
極４の面内の一点に探針７を電気的に接触させて絶縁破
壊電圧を計測する際には、上述した直列抵抗成分１２に
よる電圧降下の影響のみならず電極面の横方向の抵抗成
分による電圧降下の影響をも受けることになる。すなわ
ち電極４の面内で探針７の接触点と絶縁破壊が生じた点
とが離れている場合には、その離間距離に応じて抵抗成
分が発生し、これに応じて電圧降下が生じ、この電圧降
下が絶縁破壊電圧の計測結果に影響を与える。

【００３０】この電極面における横方向の抵抗成分によ
る電圧降下の影響を抑えるために、多結晶シリコン電極
４の上に、低抵抗の金属膜を形成して電極を二重にして
測定することが考えられる。しかしこの方法によると試
料を作成する工程が複雑となり時間を要するという問題
が発生する。したがって電極自体は簡易な方法で作成さ
れる電極を用いることが望ましい。

【００３１】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、直列
抵抗成分１２の大きさの異なる試料間で絶縁破壊に至る
までの測定結果を統一的に扱えるようにすることを第１
の解決課題とするものである。

【００３２】また本発明は、半導体素子の電圧または電
流を測定する測定装置において、試料を作成する工程を
複雑にすることなく、電極面の横方向における電圧降下
の影響を受けることのない測定を行えるようにすること
を第２の解決課題とするものである。

【００３３】

【課題を解決するための手段および効果】そこで、第１
発明では、第１の解決課題を達成するために、半導体基
板上に絶縁膜を形成しこの絶縁膜上に電極を形成した半
導体素子の前記電極に外部より電圧を印加し、この外部
電圧を上昇変化させる毎に当該外部電圧値と前記半導体
素子に通電される電流値を測定することにより、前記絶
縁膜の絶縁破壊電圧を計測するようにした半導体素子の
電圧計測装置において、前記半導体素子に通電される電
流が、ファウラ−ノルドハイムトンネル電流式にしたが
って変化し、かつ前記絶縁膜以外の寄生抵抗が無視でき
る所定電圧値まで前記外部電圧を上昇変化させ、当該外
部電圧値と電流値を測定する第１の測定手段と、前記第
１の測定手段によって測定された外部電圧値と電流値に
基づいて、前記半導体素子についてのファウラ−ノルド
ハイムトンネル電流式を演算する第１の演算手段と、前
記所定電圧値になったときの電流値から更に電流を所定
の比率で段階的に上昇変化させる毎に当該電流値と外部
電圧値を測定し、外部電圧値が急激に減少したときの電
流値を絶縁破壊時電流値として測定する第２の測定手段
と、前記第２の測定手段によって測定された絶縁破壊時
電流値に対応する絶縁破壊電圧値を、前記第１の演算手
段で演算されたファウラ−ノルドハイムトンネル電流式
から演算する第２の演算手段とを具えたことを特徴とす
る。

【００３４】第１発明を図１、図２、図３、図４を参照
して説明する。

【００３５】第１発明によれば、半導体素子１に通電さ
れる電流ｉが、ファウラ−ノルドハイムトンネル電流式
（Ｉ_ＦＮ＝ＣＥ_Ｉ ^２exp（−Ｂ/Ｅ_Ｉ））にしたがって変
化し、かつ絶縁膜３以外の寄生抵抗１２が無視できる所
定電圧値αまで外部電圧Ｖを上昇変化させ、当該外部電
圧値Ｖと電流値ｉを測定する。

【００３６】そして測定された外部電圧値Ｖと電流値ｉ
に基づいて、半導体素子１についてのファウラ−ノルド
ハイムトンネル電流式を演算する。これにより図４で破
線で示す理想曲線１０９が求められる。

【００３７】つぎに所定電圧値αになったときの電流値
から更に電流ｉを図２（ｂ）に示すように所定の比率で
段階的に上昇変化させる毎に当該電流値ｉと外部電圧値
Ｖを測定し、外部電圧値Ｖが急激に減少したとき、つま
り直線１０８で示すように絶縁破壊が生じたときの電流
値を絶縁破壊時電流値として測定する。

【００３８】つぎに、この測定された絶縁破壊時電流値
に対応する絶縁破壊電圧値Ｖbdつまり理想曲線１０９と
直線１０８との交点の電圧値Ｖbdを、ファウラ−ノルド
ハイムトンネル電流式から演算する。

【００３９】第１発明によれば、測定された絶縁破壊時
電流値に対応する絶縁破壊電圧値Ｖbdを、ファウラ−ノ
ルドハイムトンネル電流式から演算するようにしている
ので、真の絶縁破壊電圧値Ｖbdを求めることができる。
また図２（ｂ）に示すように高電界領域において電流値
ｉを所定の比率で段階的に上昇変化させるようにしてい
るので、高電界領域では絶縁膜３にかかる電界Ｅを所定
の比率で上昇させることができる。このため図１６
（ｂ）に示す従来技術のように直列抵抗成分１２の大き
さが異なる試料間で電界Ｅの上昇率が異なってしまうこ
とはない。このため直列抵抗成分１２の大きさの異なる
試料間で、絶縁破壊に至るまでの測定結果を統一的に扱
うことができるという効果が得られる。

【００４０】また第２発明は第１発明において、前記第
１の測定手段は、外部電圧を所定の比率で段階的に上昇
変化させ、段階的に所定の比率で外部電圧を上昇変化さ
せる毎に当該外部電圧値と電流値を測定し、測定された
電流値が急激に上昇した場合には、この電流値に対応す
る外部電圧値を絶縁破壊電圧値とすることを特徴とす
る。

【００４１】第３発明は第１発明の装置の発明を方法の
発明に置換したものである。

【００４２】第４発明は第２発明の装置の発明を方法の
発明に置換したものである。

【００４３】また第５発明は第１発明または第２発明に
おいて、第２の解決課題を達成するために、前記電極の
面内の複数点で電気的に接触する複数の接触子を介して
前記電極に外部電圧を印加することを特徴とする。

【００４４】第５発明を図１（ｂ）を参照して説明す
る。

【００４５】第５発明によれば、電極４の面内の複数点
で電気的に接触する複数の接触子７ａ、７ｂ、７ｃ、７
ｄを介して電極４に外部電圧Ｖを印加するようにしてい
るので、電極面の横方向における電圧降下の影響を受け
ることなく電圧または電流を測定することができる。ま
た電極を二重にして電極面の横方向の抵抗成分による電
圧降下の影響を抑える必要がないので、試料１を作成す
る工程が複雑にならない。

【００４６】第６発明は第２の解決課題を達成するため
に、半導体基板上に絶縁膜を形成しこの絶縁膜上に電極
を形成した半導体素子の前記電極の面内で接触子を電気
的に接触させ、この接触子を介して外部より前記電極に
電圧を印加したときの外部電圧値または前記半導体素子
に通電される電流値を測定するようにした半導体素子の
測定装置において、前記電極の面内の複数点で電気的に
接触するように前記接触子を複数設けたことを特徴とす
る。

【００４７】第６発明は第５発明を独立の請求項とした
ものである。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。なお本実施形態ではＰ型シリ
コン基板を半導体基板２とするＭＩＳ試料１を想定す
る。

【００４９】図１（ａ）は実施形態の第１の測定装置を
示す図であり、図１（ｂ）は実施形態の第２の測定装置
を示す図である。

【００５０】図１に示すようにＭＩＳ試料１は、Ｐ型シ
リコンからなる半導体基板２上に、シリコン酸化膜から
なる絶縁膜３を形成しこの絶縁膜３上に、低抵抗多結晶
シリコンからなる電極４を形成して、構成されている。

【００５１】ＭＩＳ試料１を作成する工程を図５、図
６、図７を参照して説明する。

【００５２】（工程１）図７に示すように、たとえば直
径２００ｍｍのＰ型シリコン基板２が酸化性雰囲気中で
熱処理される。Ｐ型シリコン基板２の抵抗率はたとえば
１０Ω・ｃｍで、厚さはたとえば７２５μｍである。そ
してＰ型シリコン基板２の表面にたとえば厚さ２５ｎｍ
のシリコン酸化膜が絶縁膜３として成長される。

【００５３】（工程２）つぎにＬＰＣＶＤ法によって多
結晶シリコン膜が堆積される。この多結晶シリコン膜に
ガス拡散によってリンがドーピングされる。

【００５４】（工程３）つぎにフォトリソグラフィーに
よって多結晶シリコン膜をたとえば２．５ｍｍ×４ｍｍ
（縦×横）のサイズの電極４に整形する。こうして低抵
抗多結晶シリコンの電極４が形成される。電極４の抵抗
率はたとえば１．６Ｅ−３Ω・ｃｍで、厚さはたとえば
４００ｎｍである。

【００５５】上記（工程１）、（工程２）、（工程３）
が終了した時点のＭＩＳ試料１の断面構造を図５（ａ）
に示している。またＰ型シリコン基板２の裏面にアルミ
を真空蒸着によって堆積したＭＩＳ試料１も図５（ｂ）
に示すように作成される。この裏面アルミ蒸着のＭＩＳ
試料１の場合には、ＭＩＳ試料１の裏面と試料台５との
間の接触抵抗が下がり、直列抵抗成分１２を小さくする
ことができる。

【００５６】図６は２．５ｍｍ×４ｍｍ（縦×横）のサ
イズの電極４を有する４つのＭＩＳ試料１が配置された
ＴＥＧ（テストエレメントグループ）１１を示してい
る。後述するようにＴＥＧ１１の４つのＭＩＳ試料１は
それぞれ異なる測定条件で絶縁破壊電界Ｅが計測され
る。測定条件を区別するためにＴＥＧ１１上の各ＭＩＳ
試料を１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとする。

【００５７】図７に示すように図６のＴＥＧ１１は１枚
のＰ型シリコン基板２の面内に７２個作成される。した
がって全体で７２×４＝２８８個のＭＩＳ試料１が作成
される。

【００５８】ＭＩＳ試料１は試料台５上に載置されてい
る。試料台５とＭＩＳ試料１の電極４との間に電源６が
電気的に接続され、電源６から１本の探針（プローブ）
７を介して電極４に外部電圧が印加される。外部電圧値
Ｖは電圧計８で測定される。またＭＩＳ試料１に通電さ
れる電流の電流値ｉは電流計９で測定される。電源６か
ら電極４に印加される電圧は図示しないコントローラに
よって制御される。

【００５９】図１（ｂ）に示す第２の測定装置の場合
は、電源６に対して４本の接触子７ａ、７ｂ、７ｃ、７
ｄが電気的に並列に接続される。そして４本の７ａ、７
ｂ、７ｃ、７ｄが電極４の面内の複数点で電気的に接触
している。接触子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは１．５ｍｍ
の間隔で隣接するように配置されている。第２の測定装
置によれば、４本の接触子７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを介
して電極４に外部電圧Ｖを印加するようにしているの
で、電極面の横方向における電圧降下の影響を受けるこ
となく電圧または電流を測定することができる。また電
極を二重にして電極面の横方向の抵抗成分による電圧降
下の影響を抑える必要がないので、従来のように試料１
を作成する工程が複雑にならない。

【００６０】つぎに図１（ａ）または（ｂ）に示す測定
装置を用いてＭＩＳ試料１の絶縁膜３の絶縁破壊電界を
計測する処理手順について説明する。

【００６１】図２（ａ）、（ｂ）は外部電圧Ｖおよび電
流ｉを測定する処理手順を示している。測定装置の図示
しないコントローラは図２（ａ）、（ｂ）で示すような
特性１００、１０２で外部電圧、電流が所定の比率で上
昇変化するように外部電圧を制御する。

【００６２】（測定過程１）図２（ａ）に特性１００で
示すようにＴＺＤＢ法と同様に、ＭＩＳ試料１の電極４
に印加する電圧を単位時間（たとえば０．２ｓ）ごとに
ステップ状に段階的に（たとえば１．２Ｖづつ）、最大
印加電圧α（たとえば２５Ｖ）に至るまで上昇変化させ
ていき、各ステップの終端１０１で外部電圧値ＶとＭＩ
Ｓ試料１に通電される電流値ｉを測定する。

【００６３】図１１は外部電圧Ｖと電流ｉとの関係を示
している。ＭＩＳ試料１は図示するような電圧−電流特
性１０４を備えている。同図１１に示すように最大印加
電圧αはＭＩＳ試料１の寄生抵抗１２の影響が無視で
き、かつＭＩＳ試料１に通電される電流ｉに対してＦＮ
トンネル電流が支配的となる、つまり電圧−電流特性が
ＦＮ電流式（Ｉ_ＦＮ＝ＣＥ_Ｉ ^２exp（−Ｂ/Ｅ_Ｉ））にし
たがって変化する所定の電圧値に設定される。最大印加
電圧αは絶縁膜３の種類、厚さ等に影響されるので、実
験結果に基づいて設定される。

【００６４】測定過程１では図３に矢印１０５で示す電
圧−電流特性が得られる。

【００６５】（測定過程２）つぎに図２（ｂ）に１０２
で示すように最大印加電圧値αになったときの電流値Ｉ
(v=α)から更に電流ｉを単位時間（たとえば０．０５
ｓ）ごとにステップ状に段階的に（たとえば１．２
６）、比率Ｃ1（たとえば１．２６）で、最大電流（た
とえば０．１Ａ）または最大電圧（たとえば６０Ｖ）に
至るまで上昇変化させていき、各ステップの終端１０３
で電流値ｉと外部電圧値Ｖを測定する。

【００６６】すなわちＣ1を定数とし、ｎをステップの
番号（ｎ＝１、２、３…ｎ、ｎ＋１…）として、電流Ｉ
1、Ｉ2、Ｉ3…Ｉn、Ｉn+1が下記（４）式に示される関
係で順次変化するようにＭＩＳ試料１に電流ｉが通電さ
れる。

【００６７】Ｉn+1/Ｉn＝Ｃ1 …（４） また（４）式の代わりに下記（５）式に示される関係で
ＭＩＳ試料１に電流ｉを通電させてもよい。

【００６８】ΔＩ/Ｉn＝Ｃ2 …（５） ここでＣ2は定数で、ΔＩはＩn+1−Ｉnである。

【００６９】（４）式に従い電流ｉを変化させるときの
１番目のステップ（ｎ＝１）の電流Ｉn=1は下記（６）
式に示す値となり、（５）式に従い電流ｉを変化させる
ときの１番目のステップ（ｎ＝１）の電流Ｉn=1は下記
（７）式に示す値となる。

【００７０】Ｉn=1＝Ｃ1・Ｉ(v=α) …（６） Ｉn=1＝（Ｃ2＋１）・Ｉ(v=α) …（７） 測定過程２で最大電流（たとえば０．１Ａ）または最大
電圧（たとえば６０Ｖ）に達したときをもって測定終了
とする。測定過程２では図３に矢印１０６で示す電圧−
電流特性が得られる。

【００７１】図３、図４は測定過程１、２の測定結果を
解析処理する手順を示している。測定装置の図示しない
コントローラでは下記の解析処理が実行される。

【００７２】（解析過程１）測定過程１の判定電流ｉc
が図１１と同様に設定される。測定過程１の測定中に、
測定電流値ｉが判定電流値ｉcに達した場合には、その
ときの測定外部電圧Ｖを絶縁破壊電圧値Ｖbd1とする。

【００７３】絶縁破壊電圧Ｖbd1は必要に応じて下記
（８）式に基づいて絶縁破壊電界Ｅbdに換算される。

【００７４】Ｅbd＝｜Ｖbd−ＶFB｜/ｄ …（８） ここでｄは絶縁膜３の厚さであり、ＶFBはフラットバン
ド電圧である。フラットバンド電圧ＶFBとは絶縁膜３が
フラットバンド条件になる電圧のことであり、電極４と
シリコン基板２の仕事関数差、絶縁膜３中の電荷分布等
で定まり、ＭＩＳ試料１の容量−電圧特性を別途測定す
ることによって求められる。絶縁破壊電圧Ｖbdと比較し
てフラットバンド電圧ＶFBが十分小さい場合にはこのフ
ラットバンド電圧ＶFBを（８）式で無視することができ
る。

【００７５】測定過程１で測定電流値ｉが判定電流値ｉ
cに達した場合には、解析処理はこれで終了する。

【００７６】また測定過程１で測定電流値ｉが判定電流
値ｉcに達しない場合には解析処理はつぎの解析過程２
に移行する。

【００７７】（解析過程２）つぎに測定過程１の測定結
果に基づいて上記（１）式のＦＮ電流式（Ｉ_ＦＮ＝ＣＥ
_Ｉ ^２exp（−Ｂ/Ｅ_Ｉ））が演算される。具体的には図３
において外部電圧値Ｖがγ≦Ｖ≦δの範囲の測定結果を
（１）式に回帰させて、係数Ｂ、Ｃが求められる。ただ
しβ≦γ≦δ≦αなる関係があるものとする。ここでβ
は電流ｉのうちＦＮトンネル電流成分が支配的となる外
部電圧下限値である。βは絶縁膜３の種類、厚さ、電極
４の面積/周辺長など試料１の構造等の種々の条件に影
響されるので、実験的に予め求められる。またγ、δは
たとえばγ＝２０Ｖ、δ＝α＝２５Ｖに設定される。

【００７８】測定電流値ｉを（１）式に代入して絶縁膜
３にかかる電界Ｅ_Ｉが求められる。（１）式の電界Ｅ_Ｉ
と外部電圧Ｖとの関係は下記（９）式のように表され、
（９）式から電界Ｅ_Ｉに対応する外部電圧Ｖが求められ
る。

【００７９】Ｅ_Ｉ＝｜Ｖ−ＶFB｜/ｄ …（９） 外部電圧Ｖと比較してフラットバンド電圧ＶFBが十分小
さい場合にはこのフラットバンド電圧ＶFBを（９）式で
無視することができる。

【００８０】以上により図４に示すように電圧−電流特
性の理想的な特性つまり直列抵抗成分１２の影響のない
特性１０９が破線で示すごとく得られる。

【００８１】（解析過程３）解析過程３で得られた理想
的な特性１０９は図４に示すように、実測値の特性（実
線）と重ね合わせられる。

【００８２】測定過程２の測定中に、測定電圧値Ｖが直
線１０８で示すように急減に減少したときには、絶縁破
壊が生じたものと判断し、そのときの測定電流値ｉを絶
縁破壊時電流値ｉとして（１）式に代入することによっ
て絶縁破壊電界Ｅbdが求められる。なお絶縁破壊時に実
測された外部電圧値はＶbd2であるが、これは真の絶縁
破壊電圧ではない。

【００８３】（１）式の絶縁破壊電界Ｅbdと絶縁破壊電
圧Ｖとの関係は下記（１０）式のように表され、（１
０）式から絶縁破壊電界Ｅbdに対応する絶縁破壊電圧Ｖ
bd3が求められる。

【００８４】Ｅbd＝｜Ｖbd3−ＶFB｜/ｄ …（１０） 絶縁破壊電圧Ｖbd3と比較してフラットバンド電圧ＶFB
が十分小さい場合にはこのフラットバンド電圧ＶFBを
（１０）式で無視することができる。

【００８５】具体的には測定された絶縁破壊時電流値ｉ
に対応する絶縁破壊電圧値Ｖbd3が、理想曲線１０９と
実測の直線１０８との交点を読み取ることで求められ
る。

【００８６】以上のように本実施形態によれば、測定さ
れた絶縁破壊時電流値ｉに対応する絶縁破壊電圧値Ｖbd
3を、ファウラ−ノルドハイムトンネル電流式から演算
するようにしているので、真の絶縁破壊電圧値Ｖbd3を
求めることができる。また図２（ｂ）に示すように高電
界領域において電流値ｉを所定の比率Ｃ1またはＣ2で段
階的に上昇変化させるようにしているので、高電界領域
では絶縁膜３にかかる電界Ｅを所定の比率で上昇させる
ことができる。このため図１６（ｂ）に示す従来技術の
ように直列抵抗成分１２の大きさが異なる試料間で電界
Ｅの上昇率が異なってしまうことはない。このため直列
抵抗成分１２の大きさの異なる試料間で、絶縁破壊に至
るまでの測定結果を統一的に扱うことができる。したが
って本実施形態によれば直列抵抗成分１２の大小にかか
わりなく高電界領域で絶縁膜３で生じる絶縁破壊を定量
的に評価することができる。

【００８７】また本実施形態では、図２（ａ）に示すよ
うに低電界領域の測定過程１において、電圧Ｖを段階的
に上昇変化させている。これは低電界領域では電流ｉを
段階的に上昇変化させたとしても電流が微小な量しか変
化せずに測定装置のレスポンスによって測定時間が長く
かかるからである。しかし低電界領域の測定過程１にお
いても、高電界領域の測定過程２と同様にして、電流ｉ
を段階的に上昇変化させるように電圧を制御してもよ
い。

【００８８】また図１（ｂ）に示す第２の測定装置を用
いて計測を行った場合には、第１の測定装置を用いた場
合と比較して、電極面における接触子７ａ〜７ｄの接触
点と絶縁破壊点との距離を短くすることができる。接触
子の数を増やすことで更に距離を短くすることができ
る。このため電極面の横方向における電圧降下の影響を
受けることなく電圧または電流を測定することができ
る。したがって電極４の面に対して垂直な方向の直列抵
抗成分１２のみならず横方向の直列抵抗成分をも減少さ
せることができるので、異なる試料間の評価の精度を更
に向上させることができる。

【００８９】つぎに実施形態と従来技術の効果の差につ
いて図８を参照して説明する。ここで実施形態の測定法
とは、図１（ｂ）に示すように４本の接触子７ａ〜７ｄ
を備えた第２の測定装置を用いて、図２（ａ）、（ｂ）
で説明したように高電界領域では電流を段階的に上昇変
化させていくという測定法のことである。また従来技術
の測定法とは、図１（ａ）に示すように１本の接触子７
を備えた第１の測定装置を用いて、図１０に示すように
ＴＺＤＢ法により高電界領域に至るまで外部電圧を段階
的に上昇変化させていく測定法のことである。図６に示
す測定条件の異なるＭＩＳ試料１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ
について絶縁破壊電界Ｅbdを計測した結果を図８
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）にそれぞれヒストグラ
ムにて示す。図８の各ヒストグラムの横軸は絶縁破壊電
界Ｅbdであり、縦軸は試料個数である。

【００９０】図８（ａ）は図５（ａ）に示すように、裏
面アルミ蒸着の無いＭＩＳ試料１ａについて、従来技術
の測定法を用いて計測した結果を示す。

【００９１】図８（ｂ）は同じく図５（ａ）に示す裏面
アルミ蒸着無しのＭＩＳ試料１ｂについて、実施形態の
測定法を用いて計測した結果を示す。

【００９２】図８（ｃ）は図５（ｂ）に示すように、裏
面アルミ蒸着のあるＭＩＳ試料１ｃについて、従来技術
の測定法を用いて計測した結果を示す。

【００９３】図８（ｂ）は同じく図５（ｂ）に示す裏面
アルミ蒸着ありのＭＩＳ試料１ｄについて、実施形態の
測定法を用いて計測した結果を示す。

【００９４】図８（ａ）と図８（ｂ）を比較すると、従
来技術の測定法で得られたヒストグラム（図８（ａ））
は実施形態の測定法で得られたヒストグラム（図８
（ｂ））と比較して、直列抵抗成分１２の影響を受けて
いるため試料個数を示す山が高電界領域側にシフトして
いる。

【００９５】また裏面アルミ蒸着無しの試料１ａ、１ｂ
について得られたヒストグラム（図８（ａ）、（ｂ））
と裏面アルミ蒸着有りの試料１ｃ、１ｄについて得られ
たヒストグラム（図８（ｃ）、（ｄ））をそれぞれ比較
すると、裏面アルミ蒸着有りの試料１ｃ、１ｄの方が、
直列抵抗成分が小さいので、試料個数を示す山は低電界
領域側にシフトしているのがわかる。

【００９６】また従来技術の測定方法で得られたヒスト
グラム（図８（ａ）、（ｃ））と実施形態の測定方法で
得られたヒストグラム（図８（ｂ）、（ｄ））をそれぞ
れ比較すると、実施形態の測定方法の方が、試料間で直
列抵抗成分１２の大小の影響を受けないので、試料個数
を示す山がばらつかずに大きなピーク値をもっているの
がわかる。この結果から本発明によれば、直列抵抗成分
１２の大小にかかわりなく高電界領域で絶縁膜３で生じ
る絶縁破壊を定量的に評価できることがわかる。

【００９７】なお以上説明した実施形態では４本の接触
子７ａ〜７ｄを備えた第２の測定装置を、絶縁破壊電圧
（電界）の計測に使用する場合を想定した。しかし第２
の測定装置はＴＤＤＢ法で絶縁破壊寿命を計測する際に
使用してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は第１の測定装置を示す図であり、
図１（ｂ）は第２の測定装置を示す図である。

【図２】図２（ａ）は実施形態の測定過程１において外
部電圧が段階的に上昇変化する様子を示す図で、図２
（ｂ）は測定過程２において電流が段階的に上昇変化す
る様子を示す図である。

【図３】図３は実施形態の外部電圧と電流の関係を示す
図である。

【図４】図３は実施形態の外部電圧と電流の関係を示す
図であり、ＦＮ電流式から真の絶縁破壊電圧を求める処
理を説明する図である。

【図５】図５（ａ）、（ｂ）は実施形態のＭＩＳ試料の
断面をそれぞれ示す図である。

【図６】図６は実施形態のＴＥＧを示す図である。

【図７】図７は実施形態のＰ型シリコン基板を示す図で
ある。

【図８】図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は絶縁破
壊電界と試料個数の関係を示す図で、実施形態と従来技
術の効果上の差を説明する図である。

【図９】図９は従来の測定装置を示す図である。

【図１０】図１０はＴＺＤＢ法を説明する図である。

【図１１】図１１は外部電圧と電流の関係を示す図で、
絶縁破壊の判定を説明する図である。

【図１２】図１２は絶縁膜にかかる電界と電流の関係を
示す図で、高電界領域でＦＮトンネル電流が支配的にな
る様子を説明する図である。

【図１３】図１３は外部電圧と電流の関係を示す図で、
高電界領域で直列抵抗成分の影響を受けることを説明す
る図である。

【図１４】図１４は外部電圧と電流の関係を示す図で、
直列抵抗成分の大きさの異なる各試料間で電圧−電流特
性が異なることを説明する図である。

【図１５】図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は直列抵抗成
分の大きさの異なる各試料の断面構造をそれぞれ示す図
である。

【図１６】図１６（ａ）は時間と外部電圧の関係を示す
図であり、また図１６（ｂ）は時間と絶縁膜にかかる電
界の関係を示す図で、直列抵抗成分の大きさによって高
電界領域で電界のステップごとの高さが異なることを説
明する図である。

【符号の説明】 １ ＭＩＳ試料（半導体素子） ２ 半導体基板 ３ 絶縁膜 ４ 電極 ５ 試料台 ６ 電源 ７（７ａ〜７ｄ） 接触子 ８ 電圧計 ９ 電流計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 タイムラーズ・ムチェドリーゼ 仙台市青葉区片平２−１−１ 東北大学金 属材料研究所内 (72)発明者 嶋田 康広 神奈川県平塚市四之宮2612 コマツ電子金 属株式会社内 Ｆターム(参考） 2G032 AB03 AB11 AE14 AF01 4M106 AA01 AA07 AA13 BA14 CA14 DH04 DH16 DJ11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に絶縁膜を形成しこの絶
   縁膜上に電極を形成した半導体素子の前記電極に外部よ
   り電圧を印加し、この外部電圧を上昇変化させる毎に当
   該外部電圧値と前記半導体素子に通電される電流値を測
   定することにより、前記絶縁膜の絶縁破壊電圧を計測す
   るようにした半導体素子の電圧計測装置において、 前記半導体素子に通電される電流が、ファウラ−ノルド
   ハイムトンネル電流式にしたがって変化し、かつ前記絶
   縁膜以外の寄生抵抗が無視できる所定電圧値まで前記外
   部電圧を上昇変化させ、当該外部電圧値と電流値を測定
   する第１の測定手段と、 前記第１の測定手段によって測定された外部電圧値と電
   流値に基づいて、前記半導体素子についてのファウラ−
   ノルドハイムトンネル電流式を演算する第１の演算手段
   と、 前記所定電圧値になったときの電流値から更に電流を所
   定の比率で段階的に上昇変化させる毎に当該電流値と外
   部電圧値を測定し、外部電圧値が急激に減少したときの
   電流値を絶縁破壊時電流値として測定する第２の測定手
   段と、 前記第２の測定手段によって測定された絶縁破壊時電流
   値に対応する絶縁破壊電圧値を、前記第１の演算手段で
   演算されたファウラ−ノルドハイムトンネル電流式から
   演算する第２の演算手段とを具えたことを特徴とする半
   導体素子の電圧計測装置。
2. 【請求項２】 前記第１の測定手段は、外部電圧を所
   定の比率で段階的に上昇変化させ、段階的に所定の比率
   で外部電圧を上昇変化させる毎に当該外部電圧値と電流
   値を測定し、測定された電流値が急激に上昇した場合に
   は、この電流値に対応する外部電圧値を絶縁破壊電圧値
   とすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の電
   圧計測装置。
3. 【請求項３】 半導体基板上に絶縁膜を形成しこの絶
   縁膜上に電極を形成した半導体素子の前記電極に外部よ
   り電圧を印加し、この外部電圧を上昇変化させる毎に当
   該外部電圧値と前記半導体素子に通電される電流値を測
   定することにより、前記絶縁膜の絶縁破壊電圧を計測す
   るようにした半導体素子の電圧計測方法において、 前記半導体素子に通電される電流が、ファウラ−ノルド
   ハイムトンネル電流式にしたがって変化し、かつ前記絶
   縁膜以外の寄生抵抗が無視できる所定電圧値まで前記外
   部電圧を上昇変化させ、当該外部電圧値と電流値を測定
   する第１の測定行程と、 前記第１の測定行程によって測定された外部電圧値と電
   流値に基づいて、前記半導体素子についてのファウラ−
   ノルドハイムトンネル電流式を演算する第１の演算行程
   と、 前記所定電圧値になったときの電流値から更に電流を所
   定の比率で段階的に上昇変化させる毎に当該電流値と外
   部電圧値を測定し、外部電圧値が急激に減少したときの
   電流値を絶縁破壊時電流値として測定する第２の測定行
   程と、 前記第２の測定行程によって測定された絶縁破壊時電流
   値に対応する絶縁破壊電圧値を、前記第１の演算行程で
   演算されたファウラ−ノルドハイムトンネル電流式から
   演算する第２の演算行程とを具えたことを特徴とする半
   導体素子の電圧計測方法。
4. 【請求項４】 前記第１の測定行程は、外部電圧を所
   定の比率で段階的に上昇変化させ、段階的に所定の比率
   で外部電圧を上昇変化させる毎に当該外部電圧値と電流
   値を測定し、測定された電流値が急激に上昇した場合に
   は、この電流値に対応する外部電圧値を絶縁破壊電圧値
   とすることを特徴とする請求項３記載の半導体素子の絶
   縁膜の電圧計測方法。
5. 【請求項５】 前記電極の面内の複数点で電気的に接
   触する複数の接触子を介して前記電極に外部電圧を印加
   することを特徴とする請求項１または２記載の半導体素
   子の電圧計測装置。
6. 【請求項６】 半導体基板上に絶縁膜を形成しこの絶
   縁膜上に電極を形成した半導体素子の前記電極の面内で
   接触子を電気的に接触させ、この接触子を介して外部よ
   り前記電極に電圧を印加したときの外部電圧値または前
   記半導体素子に通電される電流値を測定するようにした
   半導体素子の測定装置において、 前記電極の面内の複数点で電気的に接触するように前記
   接触子を複数設けたことを特徴とする半導体素子の測定
   装置。