JP2009239201A - Method of evaluating gate insulating film - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that when a leakage current failure occurs while there causes no breakdown in a gate insulating film and when the gate voltage dependent failure occurs in the leakage current, measurement of C-V waveform for evaluating the gate insulating film is taken into consideration, and further when abnormal conditions occur in the C-V waveform, it is required to review the existence of the charge in the gate insulating film and the like but it is impossible to accurately verify the existence in an intrinsic element by a conventional method. <P>SOLUTION: With respect to a defective element (intrinsic element) of a discrete insulating gate semiconductor device, it is possible to check the existence and polarity of the charge in the gate insulating film and the like without cutting off a protective diode. It is possible to verify the charge existed in the gate insulating film and the like even if the number of samples sent back from a user is one. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、絶縁ゲート型半導体装置のゲート絶縁膜の評価方法に係り、特にC−V測定により実素子(製品)のゲート絶縁膜を評価可能なゲート絶縁膜の評価方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating a gate insulating film of an insulated gate semiconductor device, and more particularly to a method for evaluating a gate insulating film capable of evaluating a gate insulating film of an actual element (product) by CV measurement.

半導体素子の評価方法として、電圧変化による容量変化の特性を測定するC−V(Capasitance−Voltage)測定法が知られている。例えば、MOS(Metal Oxide Semiconductor )−LSI(Large Scale Integration)のゲート絶縁膜(膜質)の評価として、評価用素子(Test Element Group:以下TEG)を用いて、C−V測定を行う方法が知られている(例えば特許文献1参照)。
特許公開平9−246343号公報
As a method for evaluating a semiconductor element, a CV (Capasitance-Voltage) measurement method for measuring characteristics of capacitance change due to voltage change is known. For example, a method of performing CV measurement using an evaluation element (Test Element Group: TEG) as an evaluation of a gate insulating film (film quality) of MOS (Metal Oxide Semiconductor) -LSI (Large Scale Integration) is known. (See, for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Publication No. 9-246343

MOS−LSIのゲート絶縁膜のTEGによる評価としては、大面積の容量素子の入ったTEGを用いて、容量素子のC−V測定を行う方法もある。   As an evaluation of the gate insulating film of the MOS-LSI by TEG, there is a method of performing CV measurement of the capacitive element using a TEG containing a large-area capacitive element.

このようなC−V測定法では、評価用素子ではなく、実際にLSI上に形成されているMOSトランジスタ(実際に製品となる素子(以下実素子))の、容量及び電圧について測定することが理想的である。しかし現実には、例えば大面積の容量素子の入ったTEGを用いて、容量素子のC−V特性を測定せざるを得ない。これはC−V測定を行うにはある程度の容量面積が必要になるためである。   In such a CV measurement method, it is possible to measure the capacitance and voltage of a MOS transistor (an element that is actually a product (hereinafter, an actual element)) actually formed on an LSI, not an evaluation element. Ideal. However, in reality, the CV characteristics of the capacitive element must be measured using, for example, a TEG containing a large-area capacitive element. This is because a certain capacity area is required to perform CV measurement.

この方法は、ディスクリート素子(個別半導体素子)のパワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート絶縁膜(酸化膜)の評価でも全く同様であり、すなわち、パワーMOSFETにおいても従来よりプレーナ型のTEGの容量素子による評価が行われている。   This method is exactly the same in the evaluation of a gate insulating film (oxide film) of a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) of a discrete element (individual semiconductor element), that is, a planar type TEG is also conventionally used in a power MOSFET. Evaluation using a capacitive element is performed.

パワーMOSFETではLSIと比較してゲート絶縁膜の面積が大きいため、LSIでは不可能なC−V波形を直接測定できる可能性はある。しかし、パワーMOSFETの平面形状(2次元構造)と断面形状(3次元構造)は複雑で、さまざまな寄生容量が形成されているため、評価に使用できるレベルのC−V波形を得ることはできないのが現状であった。   In the power MOSFET, the area of the gate insulating film is larger than that of the LSI, and therefore there is a possibility that a CV waveform that is impossible with the LSI can be directly measured. However, the planar shape (two-dimensional structure) and cross-sectional shape (three-dimensional structure) of the power MOSFET are complex and various parasitic capacitances are formed, so that a CV waveform of a level that can be used for evaluation cannot be obtained. Was the current situation.

また、特にディスクリート素子のパワーMOSFETではゲート絶縁膜を保護する保護ダイオード等の保護回路が、半導体基板(同一チップ)上に併設されている場合が多い。つまり保護回路が寄生容量を形成することや、保護回路に流れるリーク電流が存在することによっても、安定したC−V波形を得ることができない問題がある。   In particular, in a power MOSFET of a discrete element, a protection circuit such as a protection diode that protects a gate insulating film is often provided on a semiconductor substrate (same chip). That is, there is a problem that a stable CV waveform cannot be obtained even if the protection circuit forms a parasitic capacitance or a leak current flows through the protection circuit.

更に、低電圧化に伴ってゲート絶縁膜の薄膜化が進んでおり、ゲート絶縁膜厚が50ナ以下となる場合には、トンネル効果によるリーク電流が流れる。このため、C−V測定を行っても正確な容量を求められない問題もあり、これらのことからパワーMOSFETにおいても結局、LSIと同様にTEGの容量素子を使わざるを得なかった。   Further, as the voltage is lowered, the gate insulating film is made thinner, and when the gate insulating film thickness is 50 or less, a leakage current due to the tunnel effect flows. For this reason, there is a problem that an accurate capacity cannot be obtained even if CV measurement is performed. Therefore, in the power MOSFET as well, a TEG capacitive element has to be used as in the LSI.

実素子と同一の製造プロセスにより製造されたTEGの測定から、実素子を間接的に評価することは可能である。しかし、実素子において何等かの不良が発生した場合には、その不良の解析には当該実素子を用いることが最も望ましい。   It is possible to indirectly evaluate the actual element from the measurement of the TEG manufactured by the same manufacturing process as the actual element. However, when any defect occurs in the actual element, it is most desirable to use the actual element for analysis of the defect.

例えば、リーク電流不良が発生した素子において、DC測定(静的な直流測定)からゲート・ソース間電流Igsにリーク異常がなければその素子のゲート絶縁膜には破壊が発生していない。しかし、弱反転領域においてリーク電流が発生し、尚且つリーク電流にゲート電圧の依存性があるような場合には、ゲート絶縁膜中に、あるいは、ゲート絶縁膜と半導体結晶の界面に、あるいは界面近くの前記半導体結晶中にリーク電流の原因になる電荷が存在している可能性がある。ゲート絶縁膜の品質を評価するための方法としてC−V波形の測定がある。C-V波形からゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の電荷の種類を推定することができ、電荷の種類がわかれば、対策を講じることが可能だからである。つまりC−V波形に異常が現れた場合は、ゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の電荷の存在を検討する必要がある。   For example, in a device where a leakage current failure has occurred, if there is no leakage abnormality in the gate-source current Igs from DC measurement (static direct current measurement), the gate insulating film of the device is not broken. However, if a leakage current occurs in the weak inversion region and the leakage current depends on the gate voltage, the gate insulating film, the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or the interface There is a possibility that a charge causing a leakage current exists in the nearby semiconductor crystal. As a method for evaluating the quality of the gate insulating film, there is a measurement of a CV waveform. The type of charge in the gate insulating film, the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or the semiconductor crystal near the interface can be estimated from the CV waveform. If the type of charge is known, measures can be taken. Because it is possible. That is, when an abnormality appears in the C-V waveform, it is necessary to examine the presence of electric charge in the gate insulating film, or at the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal or in the semiconductor crystal near the interface.

しかし上記のような状況から、従来では不良素子の直接測定が難しく、実素子においてこれを正確に検証することができなかった。従って、TEGによる間接的な解析に頼らざるを得ないが、この方法では不良現象の再現が困難であった。このような理由から、ゲート絶縁膜に関わる不良について、その原因を詳細に検証していないのが現状であった。   However, from the above situation, it has been difficult to directly measure a defective element in the past, and it has not been possible to accurately verify this in an actual element. Therefore, it is necessary to rely on indirect analysis by TEG, but it is difficult to reproduce the defective phenomenon by this method. For these reasons, the cause of defects related to the gate insulating film has not been verified in detail.

本発明は上述した諸々の事情に鑑み成されたものであり、第1に、半導体基板に設けられ、所望の拡散領域とゲート電極とゲート絶縁膜と前記拡散領域に接続するソース電極と前記半導体基板に接続するドレイン電極とを有する絶縁ゲート半導体素子の実素子であって、該実素子の電気的特性が不良な不良素子を準備する工程と、前記不良素子について所定の周波数における前記ゲート電極−前記ソース電極間または前記ゲート電極−前記ドレイン電極間のC−V測定法によって第1のC−V波形を取得する工程と、前記第1のC−V波形を、基準となる第3のC−V波形と比較する工程と、を具備することにより解決するものである。   The present invention has been made in view of the various circumstances described above. First, a desired diffusion region, a gate electrode, a gate insulating film, a source electrode connected to the diffusion region, and the semiconductor, which are provided on a semiconductor substrate. A real element of an insulated gate semiconductor element having a drain electrode connected to the substrate, the step of preparing a defective element having a defective electric characteristic of the real element, and the gate electrode at a predetermined frequency for the defective element A step of acquiring a first CV waveform by a CV measurement method between the source electrodes or between the gate electrode and the drain electrode, and the first CV waveform as a reference third CV And a step of comparing with the −V waveform.

第2に、半導体基板に設けられ、所望の拡散領域とゲート電極とゲート絶縁膜と前記拡散領域に接続するソース電極と前記半導体基板に接続するドレイン電極とを有するトレンチ型絶縁ゲート半導体素子の実素子であって、該実素子の電気的特性が不良な不良素子を準備する工程と、前記不良素子について所定の周波数における前記ゲート電極−前記ソース電極間および前記ゲート電極−前記ドレイン電極間のC−V測定法によって第1のC−V波形を取得する工程と、前記第1のC−V波形から前記ゲート電極−前記ソース電極間および前記ゲート電極−前記ドレイン電極間の容量を用い前記第1のC−V波形を補正した第2のC−V波形を取得する工程と、前記第2のC−V波形を、基準となる第3のC−V波形と比較する工程と、を具備することにより解決するものである。   Second, a trench type insulated gate semiconductor device provided on a semiconductor substrate and having a desired diffusion region, a gate electrode, a gate insulating film, a source electrode connected to the diffusion region, and a drain electrode connected to the semiconductor substrate. A step of preparing a defective element having a defective electric characteristic of the actual element, and C between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode at a predetermined frequency with respect to the defective element. Obtaining a first CV waveform by a -V measurement method, and using the capacitance between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode from the first CV waveform. A step of acquiring a second CV waveform obtained by correcting the CV waveform of one, and a step of comparing the second CV waveform with a reference third CV waveform. It solves by.

本発明に依れば以下の効果が得られる。   According to the present invention, the following effects can be obtained.

第1に、ディスクリートの絶縁ゲート型半導体素子で、電気的特性からゲート絶縁膜には破壊がなく、ゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中に電荷の存在している可能性があると判定された不良素子において、ゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の電荷の存在と電荷の極性を確認することができる。   First, it is a discrete insulated gate semiconductor device, and there is no breakdown in the gate insulating film due to its electrical characteristics, and there is a charge in the gate insulating film, the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or in the semiconductor crystal near the interface. Check the presence of charges and the polarity of charges in the gate insulating film, or at the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or in the semiconductor crystal near the interface in a defective device that is determined to have the presence of be able to.

本実施形態は、実素子のC−V測定が可能なC−V測定器を用いて、実素子の不良素子を測定し、実際に不良が発生した実素子のC−V測定結果と良品の実素子のC−V測定と比較するものである。これにより、実素子の直接的な分析が可能となるので、TEGのプレーナ型の容量素子を用いてウエハプロセスを間接的に評価する従来方法と比較して、ゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の電荷の存在について正確に確認することができる。   In the present embodiment, a CV measuring device capable of measuring CV of a real element is used to measure a defective element of the real element, and the CV measurement result of the real element in which a defect actually occurs and the non-defective product This is to be compared with the CV measurement of an actual element. As a result, the actual element can be directly analyzed. Therefore, in the gate insulating film or in the gate insulating film as compared with the conventional method in which the wafer process is indirectly evaluated using the TEG planar type capacitive element. It is possible to accurately confirm the presence of electric charges in the interface between the semiconductor crystal and the semiconductor crystal near the interface.

また、ユーザから返品されたサンプルが1個であっても、ゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の電荷の存在の検証が可能となる利点を有する。   In addition, even if only one sample is returned from the user, it is possible to verify the presence of charges in the gate insulating film, the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or in the semiconductor crystal near the interface. Have.

第2に、実素子の測定であり同一チップ上に併設される保護ダイオードを切除しなくてもC−V測定が可能であるので、サンプルの特性を維持した状態で測定が可能である。   Secondly, since it is a measurement of an actual element and CV measurement is possible without removing a protection diode provided on the same chip, measurement can be performed while maintaining the characteristics of the sample.

例えば不良素子において、解析のために保護ダイオード等の切除を行うと、不良時の特性が変化する可能性がある。従って、できる限り不良が発生した状態を維持して測定することが望ましい。本実施形態によれば保護ダイオードの切除が不要となり、できる限り不良時の状態を維持してゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の電荷の存在を評価できる。   For example, in the case of a defective element, if a protective diode or the like is removed for analysis, the characteristics at the time of failure may change. Therefore, it is desirable to perform measurement while maintaining a state where a defect has occurred as much as possible. According to the present embodiment, it is not necessary to cut off the protective diode, and the presence of charges in the gate insulating film, or at the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or in the semiconductor crystal near the interface while maintaining the defective state as much as possible. Can be evaluated.

従来では、保護回路も寄生容量を形成し、更に保護回路に流れるリーク電流が存在することにより、安定したC−V波形が得られない問題があったが、本実施形態によれば、パワーMOSFETの実素子のC-V測定ができること、更に保護ダイオードの付いたパワーMOSFETの場合であっても保護ダイオードを除去せずに、実素子を用いたゲート絶縁膜の評価が可能となる。   Conventionally, the protection circuit also forms a parasitic capacitance, and there is a problem that a stable CV waveform cannot be obtained due to the presence of a leak current flowing through the protection circuit. The CV measurement of the actual element can be performed, and even in the case of a power MOSFET with a protection diode, the gate insulating film using the actual element can be evaluated without removing the protection diode.

第3に、良品の実素子の信頼性試験の前後におけるC−V波形を比較することで、信頼性試験におけるゲート絶縁膜中、あるいはゲート絶縁膜と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の電荷の存在を評価できる。   Third, by comparing the CV waveforms before and after the reliability test of a good real device, the semiconductor crystal in the gate insulating film, the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or near the interface in the reliability test. The presence of charge inside can be evaluated.

以下に本発明の実施の形態について図1のフロー図に沿って、また図2から図7を参照し、絶縁ゲート半導体素子としてnチャネル型のMOSFETを例に詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. 1 and with reference to FIGS. 2 to 7, taking an n-channel MOSFET as an example of an insulated gate semiconductor element.

図1は、本実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明するフロー図であり、ゲート絶縁膜の評価方法は、半導体基板に設けられ、所望の拡散領域とゲート電極とゲート絶縁膜と前記拡散領域に接続するソース電極と前記半導体基板に接続するドレイン電極とを有するトレンチ型絶縁ゲート半導体素子の実素子であって、該実素子の電気的特性が不良な不良素子を準備する工程と、前記不良素子について所定の周波数における前記ゲート電極−前記ソース電極間および前記ゲート電極−前記ドレイン電極間のC−V測定法によって第1のC−V波形を取得する工程と、前記第1のC−V波形から前記ゲート電極−前記ソース電極間および前記ゲート電極−前記ドレイン電極間の容量を用い前記第1のC−V波形を補正した第2のC−V波形を取得する工程と、前記第2のC−V波形を、基準となる第3のC−V波形と比較する工程とから構成される。   FIG. 1 is a flowchart for explaining a gate insulating film evaluation method according to the present embodiment. The gate insulating film evaluation method is provided on a semiconductor substrate and includes a desired diffusion region, a gate electrode, a gate insulating film, and the diffusion. Preparing a defective element having a trench-type insulated gate semiconductor element having a source electrode connected to a region and a drain electrode connected to the semiconductor substrate, the electric characteristics of the real element being poor, Obtaining a first CV waveform by a CV measurement method between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode at a predetermined frequency for a defective element; A second CV waveform obtained by correcting the first CV waveform using a capacitance between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode is obtained from a V waveform. A step of, constituted the second C-V waveform, and a step of comparing the third C-V waveform as a reference.

第1工程(図1 ステップS1、図2):半導体基板に設けられ、所望の拡散領域とゲート電極とゲート絶縁膜と拡散領域に接続するソース電極と半導体基板に接続するドレイン電極とを有するトレンチ型絶縁ゲート半導体素子の実素子であって、実素子の電気的特性が不良な不良素子を準備する工程。   First step (FIG. 1, step S1, FIG. 2): a trench provided in a semiconductor substrate and having a desired diffusion region, a gate electrode, a gate insulating film, a source electrode connected to the diffusion region, and a drain electrode connected to the semiconductor substrate A step of preparing a defective element which is an actual element of a type insulated gate semiconductor element and has poor electrical characteristics.

図2は本実施形態のトレンチ型MOSFETの断面構造を示す概略図である。   FIG. 2 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the trench MOSFET of this embodiment.

MOSFET100は、n++型シリコン半導体基板1上にn−型半導体層2を積層したドレイン領域と、n−型半導体層2表面に設けられたp−型のチャネル領域3と、チャネル領域3を貫通するトレンチ4と、トレンチ4内を被覆するゲート絶縁膜(例えば酸化膜)5と、トレンチ4内に埋設されたゲート電極6(ゲートG)と、トレンチ4に隣接してチャネル領域3表面に設けられたn+型のソース領域7と、チャネル領域3表面に設けられたp+型のボディ領域8と、ソース領域7及びボディ領域8に接続するソース電極9(ソースS)と、n++型シリコン半導体基板1の裏面に設けられたドレイン電極10(ドレインD)と、を有する。またソース電極9と同じ金属層によりゲート電極6に接続するゲートパッド電極(不図示)が設けられる。   MOSFET 100 has a drain region in which an n− type semiconductor layer 2 is stacked on an n ++ type silicon semiconductor substrate 1, a p− type channel region 3 provided on the surface of the n− type semiconductor layer 2, and a channel region 3. A trench 4, a gate insulating film (for example, an oxide film) 5 covering the trench 4, a gate electrode 6 (gate G) embedded in the trench 4, and a surface of the channel region 3 adjacent to the trench 4. N + type source region 7, p + type body region 8 provided on the surface of channel region 3, source region 7 and source electrode 9 (source S) connected to body region 8, and n ++ type silicon semiconductor substrate 1 And a drain electrode 10 (drain D) provided on the back surface of the substrate. A gate pad electrode (not shown) connected to the gate electrode 6 is provided by the same metal layer as the source electrode 9.

MOSFET100は、ディスクリート素子(単機能の個別半導体素子)であり、図示は省略するが1つのチップ内に図2のMOSFET100のセルが多数配置され、ゲート酸化膜5を保護する保護ダイオードも併設される。保護ダイオードの一端はゲートパッド電極と接続し、他端はソース電極9と接続する。   The MOSFET 100 is a discrete element (single-function individual semiconductor element). Although not shown, many cells of the MOSFET 100 of FIG. 2 are arranged in one chip, and a protection diode for protecting the gate oxide film 5 is also provided. . One end of the protection diode is connected to the gate pad electrode, and the other end is connected to the source electrode 9.

本実施形態のMOSFETは、評価用素子ではなく、実際に製品となる素子(以下実素子)であり、更に、実素子のうち電気的特性の測定において不良と判定された素子(不良素子)である。より詳細には、不良素子(MOSFET)100は、ドレイン−ソース間のリーク電流不良が発生している素子であり、リーク電流にゲート電圧の依存性がある(ゲート電圧によって、ドレイン−ソース間電流Idsが変化する)電気的特性を有する素子である。更に、DC測定によってゲート電流Igsに異常がないことが明らかな、すなわちゲート酸化膜に破壊はないと判断される素子である。   The MOSFET of this embodiment is not an evaluation element, but an element that is actually a product (hereinafter, an actual element), and further, an element (defect element) that is determined to be defective in the measurement of electrical characteristics among the actual elements. is there. More specifically, the defective element (MOSFET) 100 is an element in which a leakage current failure between the drain and the source occurs, and the leakage current depends on the gate voltage (the drain-source current depends on the gate voltage). It is an element having electrical characteristics (in which Ids changes). Furthermore, it is an element whose gate current Igs is clearly not abnormal by DC measurement, that is, it is determined that there is no breakdown in the gate oxide film.

第2工程(図1 ステップS2、図3): 不良素子について所定の周波数におけるゲート電極−ソース電極間およびゲート電極−ドレイン電極間のC−V測定法によって第1のC−V波形を取得する工程。   Second Step (FIG. 1, Step S2, FIG. 3): The first CV waveform is acquired for the defective element by the CV measurement method between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode at a predetermined frequency. Process.

不良素子100のゲート電極6(ゲートパッド電極)およびソース電極9にそれぞれプローブを接触させ所定周波数(例えば100Hz)でC−V測定法によりC−V波形(電圧変化に対する容量変化)を取得する。   A probe is brought into contact with the gate electrode 6 (gate pad electrode) and the source electrode 9 of the defective element 100, respectively, and a CV waveform (capacitance change with respect to voltage change) is obtained by a CV measurement method at a predetermined frequency (for example, 100 Hz).

一般的なTEGによるC−V測定は、半導体チップ表面に容量素子(コンデンサ)を形成してMOS構造とし、これを測定する。しかし、MOS構造のコンデンサ(以下MOS容量素子)は普通のコンデンサとは異なり、絶縁体の直下に反転層(空乏層から反転層に変わる)が形成される。この反転層の存在により、MOS特有のC−V波形を得ることができる。C−V波形(C−V曲線)というMOS構造の交流特性によって、絶縁体(シリコン酸化膜)と下部電極(シリコン結晶)の性質を特徴付けることができる。尚、ゲート電極の材料である多結晶シリコン中に欠陥があっても、C−V曲線に影響を与えることはないと考えられる。   In general CV measurement by TEG, a capacitive element (capacitor) is formed on the surface of a semiconductor chip to form a MOS structure, and this is measured. However, unlike an ordinary capacitor, a MOS capacitor (hereinafter referred to as a MOS capacitor) has an inversion layer (changed from a depletion layer to an inversion layer) immediately below the insulator. Due to the presence of the inversion layer, a CV waveform peculiar to a MOS can be obtained. The characteristics of the insulator (silicon oxide film) and the lower electrode (silicon crystal) can be characterized by the AC characteristics of the MOS structure called the CV waveform (CV curve). Note that even if there is a defect in the polycrystalline silicon which is the material of the gate electrode, it is considered that the CV curve is not affected.

欠陥の無い(少ない)MOS容量素子と欠陥のあるMOS容量素子では、絶縁膜(ゲート酸化膜)直下の空乏層と反転層の状態が異なり、C−V曲線に差が生ずるため、MOS特性(主として絶縁性と反転層の形成状態の特性(絶縁耐量と弱反転特性および閾値電圧Vthの特性))の評価に利用することができる。理想的なC−V波形(曲線)は理論式から数学的に導ける為、理論C−V波形が存在する。しかし、実際の評価は良品のC−V波形と、不良品のC−V波形との比較で行う必要がある。   In a MOS capacitor element having no defect (small) and a MOS capacitor element having a defect, the depletion layer and the inversion layer immediately below the insulating film (gate oxide film) are in different states, resulting in a difference in the CV curve. It can be used mainly for evaluation of insulation and characteristics of the formation state of the inversion layer (insulation resistance, weak inversion characteristics, and threshold voltage Vth characteristics). Since an ideal CV waveform (curve) can be mathematically derived from a theoretical formula, a theoretical CV waveform exists. However, the actual evaluation needs to be performed by comparing the CV waveform of the non-defective product with the CV waveform of the defective product.

従来では、実素子の測定は困難であったが、本実施形態では、実素子をC−V測定法により測定する。そして後の工程で、実際に不良が発生した実素子(不良素子100)と良品の実素子のC−V波形を比較する。これにより実際に不良の原因となっているゲート絶縁膜を直接評価することができる。   Conventionally, measurement of an actual element has been difficult, but in the present embodiment, an actual element is measured by a CV measurement method. Then, in a later process, the CV waveforms of the actual element (defective element 100) where the defect actually occurs and the non-defective actual element are compared. As a result, it is possible to directly evaluate the gate insulating film that is actually causing the defect.

図3は不良素子100のC−V測定の結果を示す。横軸がゲートG−ソースS間電圧Vgs、あるいはゲートG−ドレインD間電圧Vgdであり、縦軸がゲート電極6−ソース電極9間(以下ゲートG−ソースS間)容量Cgsあるいは、ゲート電極6−ドレイン電極10間(以下ゲートG−ドレインD間)の容量Cgdである。また一点鎖線がゲートG−ドレインD間のC−V波形であり、実線がゲートG−ソースS間のC−V波形(第1のC−V波形)である。   FIG. 3 shows the result of CV measurement of the defective element 100. The horizontal axis is the gate G-source S voltage Vgs or the gate G-drain D voltage Vgd, and the vertical axis is the gate electrode 6-source electrode 9 (hereinafter referred to as gate G-source S) capacitance Cgs or gate electrode. 6 -capacitance Cgd between the drain electrodes 10 (hereinafter, between the gate G and the drain D). A one-dot chain line is a CV waveform between the gate G and the drain D, and a solid line is a CV waveform between the gate G and the source S (first CV waveform).

図3の如く、トレンチ型MOSFETの不良素子100を測定すると、ゲートG−ソースS間のC−V波形がV字状の如き特性となることがわかる。本来、C−V波形によって、ゲート酸化膜5の特性を評価できるのであるが、このような波形では、厳密な分析が困難である。そこで、この波形に対して補正を行うこととする。   As shown in FIG. 3, when the defective element 100 of the trench MOSFET is measured, it can be seen that the CV waveform between the gate G and the source S has a V-shaped characteristic. Originally, the characteristics of the gate oxide film 5 can be evaluated by the CV waveform, but it is difficult to perform a strict analysis with such a waveform. Therefore, correction is performed on this waveform.

図4は、MOS容量素子のC−V波形について示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a CV waveform of the MOS capacitor element.

図4(A)がゲートG−ソースS間の特性を測定する際に用いる容量素子の構造原理図であり、p型半導体層11にゲート酸化膜15およびゲート電極16を設けた構造を有する。これはnチャネル型MOSFETのゲートGとソースSに相当する容量素子であり、p型半導体層11はチャネルの形成領域である。   FIG. 4A is a structural principle diagram of a capacitor used when measuring the characteristics between the gate G and the source S, and has a structure in which a gate oxide film 15 and a gate electrode 16 are provided on the p-type semiconductor layer 11. This is a capacitive element corresponding to the gate G and source S of the n-channel MOSFET, and the p-type semiconductor layer 11 is a channel formation region.

また図4(B)は図4(A)のC−V波形を示す図である。ゲート酸化膜15中に正電荷が存在することは、ゲート電極に正の電圧を加えることに等しい電気的状態である。つまり、図4(B)において、ゲート酸化膜15中に正電荷がある場合には、C−V波形はゲート−ソース間電圧Vgsの負電圧方向へシフトし、ゲート酸化膜15中に負電荷があればゲート−ソース間電圧Vgsの正電圧方向へシフトする。   FIG. 4B is a diagram showing the CV waveform of FIG. The presence of a positive charge in the gate oxide film 15 is an electrical state equivalent to applying a positive voltage to the gate electrode. That is, in FIG. 4B, when there is a positive charge in the gate oxide film 15, the CV waveform shifts in the negative voltage direction of the gate-source voltage Vgs and the negative charge is present in the gate oxide film 15. If there is, there is a shift in the positive voltage direction of the gate-source voltage Vgs.

一方図4(C)がゲートG−ドレインD間の特性を測定する際に用いる容量素子の構造原理図であり、n型半導体層12にゲート絶縁膜15およびゲート電極16を設けた構造を有する。これはnチャネル型MOSFETのゲートGとドレインDに相当する容量素子であり、n型半導体層12はドレインDである。   On the other hand, FIG. 4C is a structural principle diagram of a capacitive element used when measuring the characteristics between the gate G and the drain D, and has a structure in which a gate insulating film 15 and a gate electrode 16 are provided on the n-type semiconductor layer 12. . This is a capacitive element corresponding to the gate G and drain D of the n-channel MOSFET, and the n-type semiconductor layer 12 is the drain D.

また図4(D)はそのC−V波形を示す図である。ゲート酸化膜15中、あるいはゲート酸化膜15と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中に正電荷が存在することは、ゲート電極に正の電圧を加えることに等しい電気的状態である。   FIG. 4D shows the CV waveform. The presence of a positive charge in the gate oxide film 15, or at the interface between the gate oxide film 15 and the semiconductor crystal or in the semiconductor crystal near the interface is an electrical state equivalent to applying a positive voltage to the gate electrode.

尚、以下の説明において、ゲート酸化膜(絶縁膜)15中などに電荷が存在する、と表記した場合は、ゲート酸化膜15中あるいは、ゲート酸化膜15と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中に電荷が存在する、いう意味である。   In the following description, when it is described that charges exist in the gate oxide film (insulating film) 15 or the like, the gate oxide film 15 or the interface between the gate oxide film 15 and the semiconductor crystal or near the interface. This means that electric charges exist in the semiconductor crystal.

つまり、図4(D)において、ゲート酸化膜15中などに正電荷がある場合には、C−V波形はゲート−ドレイン間電圧Vgdの負電圧方向へシフトし、ゲート酸化膜15中などに負電荷があればゲート−ドレイン間電圧Vgdの正電圧方向へシフトする。   That is, in FIG. 4D, when there is a positive charge in the gate oxide film 15 or the like, the CV waveform shifts in the negative voltage direction of the gate-drain voltage Vgd, and in the gate oxide film 15 or the like. If there is a negative charge, it shifts in the positive voltage direction of the gate-drain voltage Vgd.

図4(B)(D)の如く、ゲートG−ソースS間のC−V波形と、ゲートG−ドレインD間のC−V波形とは対称的になる。   As shown in FIGS. 4B and 4D, the CV waveform between the gate G and the source S and the CV waveform between the gate G and the drain D are symmetrical.

再び図3を参照する。尚図3では、ゲートG−ドレインD間のC−V波形とゲートG−ソースS間のC−V波形を1つのグラフに示している。   Refer to FIG. 3 again. In FIG. 3, the CV waveform between the gate G and the drain D and the CV waveform between the gate G and the source S are shown in one graph.

トレンチ型MOSFETの場合には、ゲートG−ドレインD間のC−V波形は、図4(D)に示した容量素子の場合とほぼ同様な波形(一点鎖線)を示しており、これを良品の実素子のC−V波形と比較することで(そのシフト方向で)、ゲート酸化膜15中などの電荷の存在を検証できる。   In the case of the trench type MOSFET, the CV waveform between the gate G and the drain D shows a waveform (dot chain line) almost the same as that in the case of the capacitive element shown in FIG. By comparing with the CV waveform of the actual element (in the shift direction), the existence of charges in the gate oxide film 15 can be verified.

しかし、不良素子100のゲートG−ソースS間のC−V波形は、プレーナ型容量素子のC−V波形(図4(B))とは大幅に異なっており、このまま比較しても正確な判断はできない。そこで、以下の工程により得られた不良素子100のゲートG−ソースS間のC−V波形の補正を行う。   However, the CV waveform between the gate G and the source S of the defective element 100 is significantly different from the CV waveform of the planar type capacitive element (FIG. 4B). Judgment is not possible. Therefore, the CV waveform between the gate G and the source S of the defective element 100 obtained by the following process is corrected.

第3工程(図1 ステップS3、図3、図4): 第1のC−V波形からゲート電極−ソース電極間およびゲート電極−ドレイン電極間の容量を用い第1のC−V波形を補正した第2のC−V波形を取得する工程。   Third step (FIG. 1, step S3, FIG. 3, FIG. 4): The first CV waveform is corrected from the first CV waveform using the capacitance between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode. Obtaining the second CV waveform.

トレンチ型MOSFETのゲートG−ソースS間のC−V波形がV字形状のようになるのは、その構造上、ゲート電極がドレイン層となるn−型半導体層2上にゲート絶縁膜5を介して配置されているためである。   The CV waveform between the gate G and the source S of the trench MOSFET becomes V-shaped because of its structure, the gate insulating film 5 is formed on the n − type semiconductor layer 2 whose gate electrode is the drain layer. It is because it is arranged via.

図5は、トレンチ型MOSFETにおけるゲート−ドレイン間容量Cgdおよびゲート−ソース間容量Cgsを説明する図であり、図5(A)が等価回路図、図5(B)が容量の集合と、重複する容量の集合範囲を示すベン図である。   5A and 5B are diagrams for explaining the gate-drain capacitance Cgd and the gate-source capacitance Cgs in the trench MOSFET. FIG. 5A is an equivalent circuit diagram, and FIG. It is a Venn diagram which shows the collection range of the capacity | capacitance to perform.

トレンチ型MOSFETはその構造上、ゲート−ソース間容量Cgsと、ゲート−ドレイン容量Cgdが並列に接続されている回路が構成される。このため、ゲートG−ソースS間容量Cgsを測定すると、電気的にはソースSとドレインDがショートしている場合と等価の入力容量Ciss(=ゲート−ドレイン間容量Cgd+ゲート−ソース間容量Cgs)を測定している場合と同じになってしまう。   The trench MOSFET has a structure in which a gate-source capacitance Cgs and a gate-drain capacitance Cgd are connected in parallel. For this reason, when the capacitance Cgs between the gate G and the source S is measured, the input capacitance Ciss equivalent to the case where the source S and the drain D are short-circuited (= gate-drain capacitance Cgd + gate-source capacitance Cgs). ) Is the same as when measuring.

そこで、不良素子100を測定して得られたゲートG−ソースS間のC−V波形(第1のC−V波形)から、算術的にゲート−ドレイン間容量Cgdを除くこととする。   Therefore, the gate-drain capacitance Cgd is arithmetically excluded from the CV waveform (first CV waveform) between the gate G and the source S obtained by measuring the defective element 100.

ゲート−ソース間容量Cgsには、ゲート−ドレイン間容量Cgdの容量が重複するので、実際の(正確な)ゲートG−ソースS間のC−V波形を取得するために、以下の式1で示す条件で集合の演算を行う(図5(B)参照)。   Since the capacitance of the gate-drain capacitance Cgd overlaps the gate-source capacitance Cgs, in order to obtain an actual (exact) gate G-source S CV waveform, A set operation is performed under the conditions shown (see FIG. 5B).

Figure 2009239201
Figure 2009239201

ここで、(Cgs∩Cgd)は、重複する容量である。   Here, (Cgs∩Cgd) is an overlapping capacity.

次に、図1に示した不良素子100のゲート酸化膜5、ゲート電極6、n−型半導体層2で形成されるMOS容量素子の容量Cは、ゲート酸化膜容量Coxと空乏層容量Cdによって以下の式2で表される。   Next, the capacitance C of the MOS capacitive element formed by the gate oxide film 5, the gate electrode 6 and the n − type semiconductor layer 2 of the defective element 100 shown in FIG. 1 is determined by the gate oxide film capacitance Cox and the depletion layer capacitance Cd. It is represented by the following formula 2.

Figure 2009239201
Figure 2009239201

そして、蓄積領域の容量Cは、ゲート酸化膜容量Coxに漸近する(C≒Cox)という原則を用いて、以下の式3、式4により、(Cgs∩Cgd)を算出する。   Then, (Cgs と い う Cgd) is calculated by the following equations 3 and 4, using the principle that the capacitance C of the storage region is asymptotic to the gate oxide film capacitance Cox (C≈Cox).

Figure 2009239201
Figure 2009239201

Figure 2009239201
Figure 2009239201

ここで蓄積側での空乏層厚さは限りなく0(ゼロ)に近いので、数学的にはCdは限りなく無限大に近づくとみなせる。   Here, since the depletion layer thickness on the accumulation side is as close to 0 (zero) as possible, it can be considered mathematically that Cd approaches infinity as much as possible.

このように算出した(Cgs∩Cgd)によって、図3に示す実線のゲートG−ソースS間のC−V波形(第1のC−V波形)から、一点鎖線で示すゲートG−ドレインD間のC−V波形を減じて、ゲートG−ソースS間のC−V波形を補正する。本実施形態では、(Cgs∩Cgd)の値は例えば0.5nF程度である。   From the CV waveform (first CV waveform) between the solid gate G and the source S shown in FIG. 3 by (Cgs∩Cgd) calculated in this way, the distance between the gate G and the drain D indicated by the alternate long and short dash line The CV waveform between the gate G and the source S is corrected by subtracting the CV waveform. In the present embodiment, the value of (Cgs∩Cgd) is about 0.5 nF, for example.

図6は、上記の集合演算を行った後の各波形を示す図であり、演算後のゲートG−ソースS間のC−V波形(第2のC−V波形)を実線で示した。   FIG. 6 is a diagram showing each waveform after performing the above set operation, and the CV waveform (second CV waveform) between the gate G and the source S after the calculation is shown by a solid line.

ゲートG−ソースS間のC−V波形(第2のC−V波形)と、ゲートG−ドレインD間のC−V波形(一点鎖線)とは厳密には軸対称にはならない。これは、ゲートG−ドレインD間にはpn接合が形成され、接合容量が含まれるからである。但し接合容量は酸化膜容量に比較して小さいため、C−V波形に与える影響が小さい。   Strictly speaking, the CV waveform between the gate G and the source S (second CV waveform) and the CV waveform between the gate G and the drain D (one-dot chain line) are not axially symmetric. This is because a pn junction is formed between the gate G and the drain D and includes a junction capacitance. However, since the junction capacitance is smaller than the oxide film capacitance, the influence on the CV waveform is small.

この接合容量の補正を行い、容量の補正後のゲートG−ソースS間のC−V波形(第4のC−V波形)を二点鎖線で示した。ゲート酸化膜容量Coxに漸近するからである。   The junction capacitance was corrected, and the CV waveform (fourth CV waveform) between the gate G and the source S after the capacitance correction was indicated by a two-dot chain line. This is because it is asymptotic to the gate oxide film capacitance Cox.

第4工程(図1 ステップ4): 第2のC−V波形を、基準となる第3のC−V波形と比較する工程。   Fourth step (FIG. 1, step 4): A step of comparing the second CV waveform with the reference third CV waveform.

上記のようにC−V波形を補正した後、基準となる良品の実素子のC−V波形(第3のC−V波形)(図4(B))と不良品のC−V波形(第2のC−V波形:図6の実線)とを比較する。また良品の実素子のC−V波形を補正し、不良素子100の容量の補正後の第4のC−V波形(図6の二点差線)と比較してもよい。   After correcting the CV waveform as described above, the reference CV waveform (third CV waveform) (FIG. 4B) of the non-defective product and the CV waveform ( The second CV waveform (solid line in FIG. 6) is compared. Further, the CV waveform of the non-defective real element may be corrected and compared with the fourth CV waveform after correction of the capacity of the defective element 100 (two-dot line in FIG. 6).

図7は、同じ周波数において基準となる第3のC−V波形(破線)と、第2のC−V波形(実線)を比較した図である。尚、ここではいずれも容量の補正を行わない状態のC−V波形を比較している。   FIG. 7 is a diagram comparing a third CV waveform (broken line) serving as a reference at the same frequency with a second CV waveform (solid line). Here, the CV waveforms in a state where no correction of the capacitance is performed are compared here.

C−V波形に左右にシフトする変化がある場合、ゲート酸化膜中などに電荷が存在することがわかる。また、C−V波形の変化方向から電荷の極性がわかる。つまりnチャネル型MOSFETのゲートG−ソースS間の場合、C−V波形が負電圧方向(左方向)にシフトしていれば正電荷がゲート酸化膜中15などに存在することを証明できる。   When the CV waveform shifts to the left and right, it can be seen that charges exist in the gate oxide film. In addition, the charge polarity can be seen from the changing direction of the CV waveform. That is, in the case between the gate G and the source S of the n-channel MOSFET, if the CV waveform is shifted in the negative voltage direction (left direction), it can be proved that positive charges exist in the gate oxide film 15 and the like.

一方、C−V波形が正電圧方向(右方向)にシフトしていれば負電荷がゲート酸化膜15中などに存在することを証明できる(図4参照)。   On the other hand, if the CV waveform is shifted in the positive voltage direction (right direction), it can be proved that negative charges exist in the gate oxide film 15 (see FIG. 4).

図7の如く、本実施形態の不良素子100は、ゲートG−ソースS間のC−V波形が左にシフトしており、これによりゲート酸化膜5中に酸化膜の中を動き回ることのできる可動電荷(mobile ion charge:Qm)の例えばナトリウムイオン(Na)、カリウムイオン(K)、マグネシウムイオン(Mg2+)、カルシウムイオン(Ca2+)などの軽金属の可動イオンが存在している可能性がある。あるいは、固定酸化膜電荷(fixed oxide charge:Qf)と呼ばれる界面近傍の酸化膜中に存在する過剰なシリコンの陽イオンである可能性もある。 As shown in FIG. 7, in the defective element 100 of the present embodiment, the CV waveform between the gate G and the source S is shifted to the left, so that it can move around in the oxide film in the gate oxide film 5. There may exist mobile ions of light metals such as sodium ions (Na + ), potassium ions (K + ), magnesium ions (Mg 2+ ), calcium ions (Ca 2+ ), etc. There is sex. Alternatively, it may be an excess of silicon cations existing in an oxide film in the vicinity of the interface called fixed oxide charge (Qf).

このように、本実施形態によれば、不良が発生した実素子のゲート酸化膜について直接評価することができる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to directly evaluate the gate oxide film of the real element in which the defect has occurred.

以上、本実施形態ではnチャネル型MOSFETについて説明したが、導電型を逆にしたpチャネル型MOSFETについても同様に実施できる。更にユニポーラ型トランジスタとバイポーラ型トランジスタを組み合わせた構造のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であっても同様にできる。また、C−V測定の周波数fが100Hzの場合を例に説明したが、周波数fが10KHz、1MHzの場合も同様に評価することができた。   As described above, the n-channel type MOSFET has been described in the present embodiment, but the present invention can be similarly applied to a p-channel type MOSFET whose conductivity type is reversed. Further, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a structure in which a unipolar transistor and a bipolar transistor are combined can be similarly applied. Moreover, although the case where the frequency f of CV measurement was 100 Hz was demonstrated to the example, it was able to evaluate similarly when the frequency f was 10 KHz and 1 MHz.

最適な周波数は容量(ゲート酸化膜厚とゲート面積)によって異なり、100Hzが最適という訳ではない。但し周波数の低い場合は、C−V波形の差が出やすいが、周波数が高くなるにつれてC−V波形の差が少なくなるという傾向はある。この理由は周波数が高くなると、ゲート酸化膜15中などの電荷の動きがゲート電圧の変化に追従できなくなるためである。従って評価方法としては、一般的には低周波数が有利である。   The optimum frequency depends on the capacity (gate oxide film thickness and gate area), and 100 Hz is not necessarily optimum. However, when the frequency is low, the difference between the CV waveforms tends to appear, but the difference between the CV waveforms tends to decrease as the frequency increases. This is because, as the frequency increases, the movement of charges in the gate oxide film 15 cannot follow the change in the gate voltage. Therefore, a low frequency is generally advantageous as an evaluation method.

また、良品の実素子のC−V波形と不良素子のC−V波形が比較できれば、ゲートG−ソースS間のC−V波形同士の比較、あるいはゲートG−ドレインD間のC−V波形同士の比較のいずれでもよい。   Further, if the CV waveform of the non-defective element can be compared with the CV waveform of the defective element, the CV waveform between the gate G and the source S or the CV waveform between the gate G and the drain D can be compared. Any of comparisons may be used.

しかし、ゲートG−ドレインD間のC−V波形は、ドレイン層となるn−型半導体層2とチャネル領域との接合容量を含んでしまうので、良品と不良品でn−型半導体層2の不純物濃度や不純物濃度分布に差があると、その違いが影響してしまう。一方、ゲートG−ソースS間のC−V波形であれば、ゲート酸化膜にソース領域が接触しているため、このようなリスクを回避することができる。   However, the CV waveform between the gate G and the drain D includes the junction capacitance between the n − type semiconductor layer 2 serving as the drain layer and the channel region. If there is a difference in impurity concentration or impurity concentration distribution, the difference affects. On the other hand, the CV waveform between the gate G and the source S can avoid such a risk because the source region is in contact with the gate oxide film.

特に、プレーナ型MOSFETの場合は、上記の接合容量の影響が大きくなるので、ゲートG−ソースS間のC−V波形で評価した方が好適である。   In particular, in the case of a planar type MOSFET, the influence of the above-described junction capacitance becomes large, so it is preferable to evaluate with a CV waveform between the gate G and the source S.

以上、不良素子を良品の実素子と比較する場合を例に説明したが、良品の実素子の信頼性試験を実施し、その前後でC−V波形を取得し、これを比較してもよい。信頼性試験の主な目的は、良品に内在する欠陥を顕在化させること、耐久性を調べること、寿命を推定すること、であるが、ここでは欠陥を顕在化させる目的で行われる試験に該当する。   As described above, the case where the defective element is compared with the good real element has been described as an example. However, the reliability test of the good real element may be performed, and the CV waveform may be obtained before and after the reliability test. . The main purpose of the reliability test is to reveal defects inherent in non-defective products, to investigate durability, and to estimate the lifetime, but here it corresponds to tests performed for the purpose of revealing defects. To do.

すなわち、信頼性試験を行う前に、基準となる第3のC−V波形を取得し、信頼性試験を実施した後、当該実素子のC−V波形(第1のC−V波形)を取得する。得られた第1のC−V波形に補正を行って第2のC−V波形を行い、第3のC−V波形(信頼性試験実施前の波形)と比較する。   That is, before the reliability test is performed, a reference third CV waveform is acquired, and after the reliability test is performed, the CV waveform (first CV waveform) of the actual element is obtained. get. The obtained first CV waveform is corrected to obtain a second CV waveform, which is compared with a third CV waveform (a waveform before the reliability test is performed).

これにより、信頼性試験前後におけるゲート酸化膜15中、あるいはゲート酸化膜15と半導体結晶の界面、あるいは界面近くの半導体結晶中の可動電荷を評価することができる。   Thereby, it is possible to evaluate the movable charges in the gate oxide film 15 before and after the reliability test, or in the semiconductor crystal near the interface between the gate oxide film 15 and the semiconductor crystal, or in the vicinity of the interface.

尚、この場合は、同一の素子の信頼性試験前後で比較しているため、n−型半導体層2の不純物濃度や不純物濃度分布に差がないので、ゲートG−ソースS間のC−V波形および、ゲートG−ドレインD間のC−V波形のいずれでもよい。   In this case, since the comparison is performed before and after the reliability test of the same element, there is no difference in the impurity concentration or impurity concentration distribution of the n − type semiconductor layer 2, so that CV between the gate G and the source S can be obtained. Either a waveform or a CV waveform between the gate G and the drain D may be used.

本発明の実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the evaluation method of the gate insulating film of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the evaluation method of the gate insulating film of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明する特性図である。It is a characteristic view explaining the evaluation method of the gate insulating film of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明するための(A)原理図、(B)特性図、(C)原理図、(D)特性図である。It is (A) principle figure, (B) characteristic figure, (C) principle figure, and (D) characteristic figure for demonstrating the evaluation method of the gate insulating film of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明するための(A)等価回路図、(B)ベン図である。It is (A) an equivalent circuit diagram and (B) Venn diagram for demonstrating the evaluation method of the gate insulating film of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明する特性図である。It is a characteristic view explaining the evaluation method of the gate insulating film of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のゲート絶縁膜の評価方法を説明する特性図である。It is a characteristic view explaining the evaluation method of the gate insulating film of embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 半導体層
3 チャネル領域
4 トレンチ
5 ゲート絶縁膜(酸化膜)
6 ゲート電極
7 ソース領域
8 ボディ領域
9 ソース電極
10 ドレイン電極
11 p型半導体層
12 n型半導体層
15 ゲート酸化膜
16 ゲート電極
S ソース
G ゲート
D ドレイン
Cgs ゲート−ソース間容量
Cgd ゲート−ドレイン間容量
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Semiconductor layer 3 Channel area | region 4 Trench 5 Gate insulating film (oxide film)
6 gate electrode 7 source region 8 body region 9 source electrode 10 drain electrode 11 p-type semiconductor layer 12 n-type semiconductor layer 15 gate oxide film 16 gate electrode S source G gate D drain Cgs gate-source capacitance Cgd gate-drain capacitance

Claims (8)

半導体基板に設けられ、所望の拡散領域とゲート電極とゲート絶縁膜と前記拡散領域に接続するソース電極と前記半導体基板に接続するドレイン電極とを有する絶縁ゲート半導体素子の実素子であって、該実素子の電気的特性が不良な不良素子を準備する工程と、
前記不良素子について所定の周波数における前記ゲート電極−前記ソース電極間または前記ゲート電極−前記ドレイン電極間のC−V測定法によって第1のC−V波形を取得する工程と、
前記第1のC−V波形を、基準となる第3のC−V波形と比較する工程と、
を具備することを特徴とするゲート絶縁膜の評価方法。
An actual element of an insulated gate semiconductor device provided on a semiconductor substrate, having a desired diffusion region, a gate electrode, a gate insulating film, a source electrode connected to the diffusion region, and a drain electrode connected to the semiconductor substrate, A step of preparing a defective element having a defective electric characteristic of the real element;
Obtaining a first CV waveform by a CV measurement method between the gate electrode and the source electrode or between the gate electrode and the drain electrode at a predetermined frequency for the defective element;
Comparing the first CV waveform with a reference third CV waveform;
A method for evaluating a gate insulating film, comprising:
前記第3のC−V波形は、前記絶縁ゲート半導体素子の良品の実素子の前記所定の周波数におけるゲート電極−ソース電極間または前記ゲート電極−ドレイン電極間をC−V測定法により測定した波形であることを特徴とする請求項1に記載のゲート絶縁膜の評価方法。   The third CV waveform is a waveform measured by a CV measurement method between a gate electrode and a source electrode or a gate electrode and a drain electrode at the predetermined frequency of a good real element of the insulated gate semiconductor element. The method for evaluating a gate insulating film according to claim 1, wherein: 前記不良素子は、前記絶縁ゲート半導体素子の良品の実素子について信頼性試験を実施した後に電気的特性が不良になった素子であり、
前記第1のC−V波形は、前記良品の実素子を信頼性試験実施後にC−V測定法により測定した波形であり、
前記第3のC−V波形は、信頼性試験実施前の前記良品の実素子の前記所定の周波数におけるゲート電極−ソース電極間または前記ゲート電極−ドレイン電極間をC−V測定法により測定した波形であることを特徴とする請求項1に記載のゲート絶縁膜の評価方法。
The defective element is an element whose electrical characteristics have become defective after performing a reliability test on a good real element of the insulated gate semiconductor element,
The first CV waveform is a waveform measured by a CV measurement method after performing a reliability test on the non-defective real element,
The third CV waveform was measured by the CV measurement method between the gate electrode and the source electrode or the gate electrode and the drain electrode at the predetermined frequency of the good real element before the reliability test. The method for evaluating a gate insulating film according to claim 1, wherein the method is a waveform.
前記第1のC−V波形の前記第3のC−V波形からのシフト方向によって前記ゲート絶縁膜中の電荷、あるいは前記ゲート絶縁膜と半導体結晶の界面の電荷、あるいは界面近くの前記半導体結晶中の電荷の存在を評価する請求項2または請求項3に記載のゲート絶縁膜の評価方法。   Depending on the shift direction of the first CV waveform from the third CV waveform, the charge in the gate insulating film, the charge at the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or the semiconductor crystal near the interface 4. The method for evaluating a gate insulating film according to claim 2, wherein the presence of electric charge in the gate is evaluated. 半導体基板に設けられ、所望の拡散領域とゲート電極とゲート絶縁膜と前記拡散領域に接続するソース電極と前記半導体基板に接続するドレイン電極とを有するトレンチ型絶縁ゲート半導体素子の実素子であって、該実素子の電気的特性が不良な不良素子を準備する工程と、
前記不良素子について所定の周波数における前記ゲート電極−前記ソース電極間および前記ゲート電極−前記ドレイン電極間のC−V測定法によって第1のC−V波形を取得する工程と、
前記第1のC−V波形から前記ゲート電極−前記ソース電極間および前記ゲート電極−前記ドレイン電極間の容量を用い前記第1のC−V波形を補正した第2のC−V波形を取得する工程と、
前記第2のC−V波形を、基準となる第3のC−V波形と比較する工程と、
を具備することを特徴とするゲート絶縁膜の評価方法。
An actual element of a trench-type insulated gate semiconductor element provided on a semiconductor substrate and having a desired diffusion region, a gate electrode, a gate insulating film, a source electrode connected to the diffusion region, and a drain electrode connected to the semiconductor substrate. A step of preparing a defective element having a defective electric characteristic of the real element;
Obtaining a first CV waveform by a CV measurement method between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode at a predetermined frequency for the defective element;
A second CV waveform obtained by correcting the first CV waveform using the capacitance between the gate electrode and the source electrode and between the gate electrode and the drain electrode is obtained from the first CV waveform. And a process of
Comparing the second CV waveform with a reference third CV waveform;
A method for evaluating a gate insulating film, comprising:
前記第3のC−V波形は、前記絶縁ゲート半導体素子の良品の実素子の前記所定の周波数におけるゲート電極−ソース電極間および前記ゲート電極−ドレイン電極間をC−V測定法により測定した波形を補正した波形であることを特徴とする請求項1に記載のゲート絶縁膜の評価方法。   The third CV waveform is a waveform measured by a CV measurement method between a gate electrode and a source electrode and a gate electrode and a drain electrode at the predetermined frequency of a good real element of the insulated gate semiconductor element. 2. The method for evaluating a gate insulating film according to claim 1, wherein the waveform is a waveform obtained by correcting the above. 前記不良素子は、前記絶縁ゲート半導体素子の良品の実素子について信頼性試験を実施した後に電気的特性が不良になった素子であり、
前記第1のC−V波形は、前記良品の実素子を信頼性試験実施後にC−V測定法により測定した波形であり、
前記第3のC−V波形は、信頼性試験実施前の前記良品の実素子の前記所定の周波数におけるゲート電極−ソース電極間および前記ゲート電極−ドレイン電極間をC−V測定法により測定した波形を補正した波形であることを特徴とする請求項1に記載のゲート絶縁膜の評価方法。
The defective element is an element whose electrical characteristics have become defective after performing a reliability test on a good real element of the insulated gate semiconductor element,
The first CV waveform is a waveform measured by a CV measurement method after performing a reliability test on the non-defective real element,
The third CV waveform was measured by the CV measurement method between the gate electrode and the source electrode at the predetermined frequency and between the gate electrode and the drain electrode of the good real element before the reliability test. 2. The method for evaluating a gate insulating film according to claim 1, wherein the waveform is a waveform obtained by correcting the waveform.
前記第2のC−V波形の前記第3のC−V波形からのシフト方向によって前記ゲート絶縁膜中の電荷、あるいは前記ゲート絶縁膜と半導体結晶の界面の電荷、あるいは界面近くの前記半導体結晶中の電荷の存在を評価する請求項6または請求項7に記載のゲート絶縁膜の評価方法。   Depending on the shift direction of the second CV waveform from the third CV waveform, the charge in the gate insulating film, the charge at the interface between the gate insulating film and the semiconductor crystal, or the semiconductor crystal near the interface 8. The method for evaluating a gate insulating film according to claim 6, wherein the presence of electric charges in the gate insulating film is evaluated.
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