JP2011053023A - 電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価法 - Google Patents

Abstract

【課題】Pool Frenkel障壁高さを求めることにより電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価を行う方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様は、ＭＬＣＣ１を用意し、ＭＬＣＣの第１の導電体が抵抗素子２の一方端に電気的に接続され、抵抗素子２の他方端が直流電源３に電気的に接続され、直流電源３がＭＬＣＣ１の第２の導電体に電気的に接続された接続状態で、直流電源３によって抵抗素子２の他方端と第２の導電体との間に電圧Ｖを印加した時に抵抗素子２に流れる電流Ｉを測定し、測定された前記電流Ｉと前記電圧Ｖからｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ^１／２の関係を求め、前記関係を直線近似した近似直線を求め、前記近似直線によってＶ^１／２が０である時のｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）の値Ｃを求め、前記値ＣからPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦを求めることにより、前記絶縁性薄膜の質が良いか悪いかを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価法に関する。

従来、Pool Frenkel電流は電子デバイス等を構成する絶縁性薄膜中のトンネル電流として物理的に測定されていたのみであり、ショットキー電流ほど積極的にデバイスの評価に用いられていなかった。これは、Pool Frenkel電流がデバイス特性に直接関わることがないと考えられていたためであり、またPool Frenkel電流は通常ｐＡからμＡの微少電流であって測定が難しいためである。

一方、最近の技術開発によって、自動車用あるいは自動二輪用の電源回路への適用を想定して１００Ｖを超える高電圧用のＭＬＣＣ（積層セラミックコンデンサ；Multi-Layer Ceramic Capacitor）が開発されており、また電力用のＭＯＳＦＥＴも５００Ｖを超すデバイスが開発されている。

ＭＬＣＣの絶縁性薄膜の信頼性評価法としては、加速寿命試験（ＭＴＴＦ；Mean Time To Failure）が用いられている。

上述したＭＴＴＦでは、専用の評価装置を用いて長時間の評価試験が必要となるという課題がある。そこで、短時間で絶縁性薄膜の信頼性を評価できる評価法が求められている。

本発明の一態様は、Pool Frenkel障壁高さを求めることにより電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価を行う方法を提供することを課題とする。

本発明の一態様は、絶縁性薄膜の一方面に形成された第１の導電体と、前記絶縁性薄膜の他方面に形成された第２の導電体を有する電子デバイスを用意する第１工程と、
前記第１の導電体が抵抗素子の一方端に電気的に接続され、前記抵抗素子の他方端が直流電源に電気的に接続され、前記直流電源が前記第２の導電体に電気的に接続された接続状態で、前記直流電源によって前記抵抗素子の他方端と前記第２の導電体との間に電圧Ｖを印加した時に前記抵抗素子に流れる電流Ｉを測定する第２工程と、
前記第２工程によって測定された前記電流Ｉと前記電圧Ｖからｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ^１／２の関係を求め、前記関係を直線近似した近似直線を求め、前記近似直線によってＶ^１／２が０である時のｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）の値Ｃを求め、前記値ＣからPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦを下記式（１）によって求める第３工程と、
前記第３工程で求められたPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが高い場合は、前記絶縁性薄膜の質が良いと判定し、前記第３工程で求められたPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが低い場合は、前記絶縁性薄膜の質が悪いと判定する第４工程と、
を具備することを特徴とする電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価法である。

但し、上記式（１）において、ｄは前記絶縁性薄膜の厚さ(ｍ)であり、σは前記絶縁性薄膜の伝導率(S/m)であり、Ｓは前記第１の導電体、前記絶縁性薄膜及び前記第２の導電体によって形成される容量の総面積(m²)であり、ｑは電子素電荷1.6x10^-19 Cであり、Ｔは電子デバイスの温度（Ｋ）であり、ｋはボルツマン定数1.38x10^-23 J/Kである。

また、本発明の一態様は、前記第３工程の後に、前記近似直線の勾配Δを求め、前記勾配Δから前記絶縁性薄膜の実効誘電率ε^＊を下記式（２）によって求め、この求められた実効誘電率ε^＊を同一LOT電子デバイス間で相互に比較し作成プロセスならびに材料から決まる所定の比誘電率に達する場合は前記第４工程で判定された前記絶縁性薄膜の質の評価の信頼性が高いと判定し、前記求められた実効誘電率ε^＊が前記絶縁性薄膜の作成プロセスならびに材料から決まる所定の比誘電率に達しない場合は、前記第４工程で判定された前記絶縁性薄膜の質の評価の信頼性が低いと判定する工程をさらに具備する。

但し、上記式（２）において、ｄは前記絶縁性薄膜の厚さ(m)であり、ｑは電子素電荷1.6x10^-19 Cであり、Ｔは電子デバイスの温度（Ｋ）であり、ｋはボルツマン定数1.38x10^-23 J/Kであり、ε_０は真空の誘電率8.85x10^-12 F/mである。

また、本発明の一態様は、前記電子デバイスがＭＬＣＣであることが好ましい。

本発明の一態様を適用することにより、Pool Frenkel障壁高さを求めることにより電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価を行うことができる。

本発明の一態様に係るＭＬＣＣの電圧−電流特性を測定する方法を説明するための回路図。 図１に示すＭＬＣＣの電圧−電流特性をｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ^１／２の関係に計算しなおした図。

以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

従来より用いられてきたＴｉＯ_２容量、低電圧型ＭＬＣＣ等の耐圧は１０Ｖ程度であり、この低電圧型ＭＬＣＣの電圧−電流関係は１０Ｖ以下の範囲に限られるため十分なPool Frenkel電流の観測ができなかった。

これに対して高電圧型ＭＬＣＣでは、耐圧１００Ｖを超えるものが開発されており、十分なPool Frenkel電流の観測が可能となる。そこで、高電圧型ＭＬＣＣの電圧−電流特性を測定する方法について図１を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態で測定対象とされるＭＬＣＣは、その耐圧が10 Ｖ以上であることが好ましい。

図１に示す測定対象の電子デバイスであるＭＬＣＣ１は、絶縁性薄膜の一方面に形成された例えばＮｉからなる第１の導電体（一方の電極）と、前記絶縁性薄膜の他方面に形成された例えばＮｉからなる第２の導電体（他方の電極）を有する。

ＭＬＣＣ１の一方の電極は抵抗素子２の一方端に電気的に接続され、抵抗素子２の他方端は可変直流電源３に電気的に接続される。可変直流電源３はＭＬＣＣ１の他方の電極に電気的に接続される。ＭＬＣＣ１の抵抗は非常に高いので、ＭＬＣＣ１と直列に抵抗素子２を挿入している。

図１に示す接続状態で、可変直流電源３によって抵抗素子２の他方端とＭＬＣＣ１の他方の電極との間に0.1〜100Ｖの範囲で電圧Ｖを印加した時に抵抗素子２に流れる電流Ｉを測定する。これにより、ＭＬＣＣ１の電圧−電流特性が測定される。

次に、ＭＬＣＣ１の電圧−電流特性をｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ^１／２の関係に計算しなおすと図２のようになる。

図２では、表１に示すＭＬＣＣのサンプルであるLOTＡ、LOTＢ、LOTＣについて具体的な測定結果を示している。コンデンサ（ＭＬＣＣ１）の容量をＣ、等価直列抵抗をＲ_１、測定周波数をｆとすると、表１に示すtan δは２πｆＲ_１Ｃで与えられ、tan δが小さい程損失が少なくＭＬＣＣの性能が良いことになる。また、BDVは絶縁破壊電圧であり、その電圧が高い程、絶縁性薄膜の性能が良いことになる。IRは素子の等価直列抵抗値であり、この場合6.3Ｖが１秒後の抵抗である。

図２に示すように、LOTＡ、LOTＢ、LOTＣそれぞれにおいてｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ^１／２の関係を直線近似した近似直線を最小二乗法で求めると、LOTＡの近似直線は、ｙ＝0.7488ｘ−12.044となり、LOTＢの近似直線は、ｙ＝0.7623ｘ−12.816となり、LOTＣの近似直線は、ｙ＝0.852ｘ−14.846及びｙ＝0.8772ｘ−15.27となる。LOTＣは２個の試料（試料１，２）について電圧−電流特性を測定しているため、試料１，２それぞれに対応する近似直線が得られている。なお、ｙは縦軸ｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）を示し、ｘは横軸Ｖ^１／２を示す。

図２に示すようにｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ^１／２に直線関係が実験的に成立する。そして、LOTＡ、LOTＢ、LOTＣそれぞれの近似直線によってＶ^１／２が０である時のｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）の値Ｃ（即ち、近似直線とｙ軸であるｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）軸との交点Ｃ）を求めると、LOTＡの交点Ｃは−12.044であり、LOTＢの交点Ｃは−12.816であり、LOTＣの交点Ｃは試料１が−14.846であり、試料２が−15.27である。

次に、これらの値ＣからPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦを下記式（１）によって求める。

但し、上記式（１）において、ｄはＭＬＣＣ１の絶縁性薄膜（誘電体）の厚さ(ｍ)であり、σはＭＬＣＣ１の絶縁性薄膜（誘電体）の伝導率(S/m)であり、ＳはＭＬＣＣ１の第１の導電体、絶縁性薄膜及び第２の導電体によって形成される容量の総面積、即ちＭＬＣＣ１の第１及び第２の導電体それぞれと絶縁性薄膜との接合面積(m²)であり、ｑは電子素電荷1.6x10^-19 Cであり、Ｔは測定時のＭＬＣＣ１の温度（Ｋ）であり、ｋはボルツマン定数1.38x10^-23 J/Kである。

上記式（１）は次のようにして求められる。
温度T（K），面積S（ｍ^２），導電率σ（S/M）の絶縁性薄膜に電圧Vを印加すると、流れるPoole-Frenkel電流Iは次式で表わされる。ここでΦ_Bは障壁高さ、β_PFはプールフレンケル係数である。

この式の両辺の対数をとると、次式となる。

実験値 V,Iから変数変換してV^１／２とlog_e(I/V)の関係を求めれば直線関係を示すはずであるから、最小二乗近似によってV^１／２とlog_e(I/V)直線を求め、log_e(I/V)軸との交点をCとすると、Φ_Bは次式で与えられる。

またV^１／２とlog_e(I/V)直線の勾配をΔとすると、ε・ｄの積は次式で与えられる。

LOTＡ、LOTＢ及びLOTＣそれぞれのｄ、σ、Ｓ、ｑ、Ｔは、表２に示すとおりである。

LOTＡ、LOTＢ及びLOTＣそれぞれの交点Ｃ、表２に示すｄ、σ、Ｓ、ｑ、Ｔの値からPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦを上記式（１）によって求めると、LOTＡのΦ_ＰＦは1.07となり、LOTＢのΦ_ＰＦは1.18となり、LOTＣのΦ_ＰＦは1.44となる。

表１に示すLOTＡ、LOTＢ、LOTＣそれぞれのＭＴＴＦ（時間）と上記のLOTＡ、LOTＢ、LOTＣそれぞれのPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦを比較すると、ＭＴＴＦが短いLOTＡはPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが低く、ＭＴＴＦが長いLOTＢ及びLOTＣはPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが高いことが確認された。このような結果から、LOTＡのようにPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが低いほうが絶縁性薄膜の質が悪く、LOTＢ及びLOTＣのようにPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが高いほうが絶縁性薄膜の質が良いことが裏付けられた。従って、Pool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦを求めることにより、従来技術のようなＭＴＴＦの試験を行わなくても絶縁性薄膜の良否の評価（判定）が可能となる。このような絶縁性薄膜の評価方法は、絶縁性薄膜の設計・グリンシートのアニール時間等のプロセス技術開発にも役立てることができる。

また、前記のLOTＡの近似直線から勾配Δ＝0.7488を求め、LOTＢの近似直線から勾配Δ＝0.7623を求め、LOTＣの近似直線から勾配Δ＝0.852及び勾配Δ＝0.8772を求める。次いで、これらの勾配ΔからLOTＡ、LOTＢ、LOTＣそれぞれの絶縁性薄膜の実効誘電率ε^＊を下記式（２）によって求める。

但し、上記式（２）において、ｄはＭＬＣＣ１の絶縁性薄膜（誘電体）の厚さ(m)であり、ｑは電子素電荷1.6x10^-19 Cであり、Ｔは測定時のＭＬＣＣ１の温度（Ｋ）であり、ｋはボルツマン定数であり、ε_０は真空の誘電率8.85x10^-12 F/mである。

上記式（２）は次のようにして求められる。
式（６）において、qは電子素電荷、eは自然数、ε＝ε₀・ε^＊と置き換えると容易に（２）式の関係が導かれる。

LOTＡ、LOTＢ及びLOTＣそれぞれのｄ、ｑ、Ｔは表２に示すとおりであり、ε*及びPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦは表３に示すとおりである。

LOTＡ、LOTＢ及びLOTＣそれぞれのｄ、ｑ、Ｔ及びε_０の値からLOTＡ、LOTＢ、LOTＣそれぞれの絶縁性薄膜の実効誘電率ε^＊を上記式（６）によって求めると、LOTＡのε^＊は2.48となり、LOTＢのε^＊は2.83となり、LOTＣのε^＊は2.13となる。

次に、上記のLOTＡ、LOTＢ及びLOTＣそれぞれの実効誘電率ε^＊、及び表３に示すLOTＡ、LOTＢ及びLOTＣそれぞれの障壁高さΦ_ＰＦを比較する。V^１／２とlog_e(I/V)直線の勾配Δから得られる実効誘電率ε^＊は、図２に見るように勾配が３LOTともほぼ等しいから等しい値となっている。これに較べて図２の縦軸切片はLOTＡ、Ｂ、Ｃの順に小さくなっている。即ち端子間電圧V=0における電流値から得られる障壁高さΦ_ＰＦがLOTＡよりLOTＣが大きく、有効に障壁が利いており漏洩電流が小さい結果が与えられている。従って、LOTＡよりLOTＣのほうがコンデンサとしての特性が優れていることが示されている。

また、上記のLOTＡ、LOTＢ及びLOTＣそれぞれの試料を複数用意し、前記V^１／２とlog_e(I/V)直線の勾配Δを求め、前記勾配Δから前記試料の絶縁性薄膜の実効誘電率ε^＊を上記式（６）によって求め、この求められた実効誘電率ε^＊を同一LOTの試料間で相互に比較し作成プロセスならびに材料から決まる所定の比誘電率に達する場合は前述した絶縁性薄膜の質の評価の信頼性が高いと判定し、前記求められた実効誘電率ε^＊が前記絶縁性薄膜の作成プロセスならびに材料から決まる所定の比誘電率に達しない場合は、前述した絶縁性薄膜の質の評価の信頼性が低いと判定することができる。

１ ＭＬＣＣ
２ 抵抗素子
３ 可変直流電源

Claims (3)

1. 絶縁性薄膜の一方面に形成された第１の導電体と、前記絶縁性薄膜の他方面に形成された第２の導電体を有する電子デバイスを用意する第１工程と、
   前記第１の導電体が抵抗素子の一方端に電気的に接続され、前記抵抗素子の他方端が直流電源に電気的に接続され、前記直流電源が前記第２の導電体に電気的に接続された接続状態で、前記直流電源によって前記抵抗素子の他方端と前記第２の導電体との間に電圧Ｖを印加した時に前記抵抗素子に流れる電流Ｉを測定する第２工程と、
   前記第２工程によって測定された前記電流Ｉと前記電圧Ｖからｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）とＶ^１／２の関係を求め、前記関係を直線近似した近似直線を求め、前記近似直線によってＶ^１／２が０である時のｌｏｇ（Ｉ／Ｖ）の値Ｃを求め、前記値ＣからPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦを下記式（１）によって求める第３工程と、
   前記第３工程で求められたPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが高い場合は、前記絶縁性薄膜の質が良いと判定し、前記第３工程で求められたPool Frenkel障壁高さΦ_ＰＦが低い場合は、前記絶縁性薄膜の質が悪いと判定する第４工程と、
   を具備することを特徴とする電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価法。
   

   

   但し、上記式（１）において、ｄは前記絶縁性薄膜の厚さ(ｍ)であり、σは前記絶縁性薄膜の伝導率(S/m)であり、Ｓは前記第１の導電体、前記絶縁性薄膜及び前記第２の導電体によって形成される容量の総面積(ｍ^２)であり、ｑは電子素電荷1.6x10^-19 Cであり、Ｔは電子デバイスの温度（Ｋ）であり、ｋはボルツマン定数1.38x10^-23 J/Kである。
   
2. 請求項１において、前記第３工程の後に、前記近似直線の勾配Δを求め、前記勾配Δから前記絶縁性薄膜の実効誘電率ε^＊を下記式（２）によって求め、この求められた実効誘電率ε^＊を同一LOT電子デバイス間で相互に比較し作成プロセスならびに材料から決まる所定の比誘電率に達する場合は前記第４工程で判定された前記絶縁性薄膜の質の評価の信頼性が高いと判定し、前記求められた実効誘電率ε^＊が前記絶縁性薄膜の作成プロセスならびに材料から決まる所定の比誘電率に達しない場合は、前記第４工程で判定された前記絶縁性薄膜の質の評価の信頼性が低いと判定する工程をさらに具備することを特徴とする電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価法。
   

   

   但し、上記式（２）において、ｄは前記絶縁性薄膜の厚さ(ｍ)であり、ｑは電子素電荷1.6x10^-19 Cであり、Ｔは電子デバイスの温度（Ｋ）であり、ｋはボルツマン定数1.38x10^-23 J/Kであり、ε_０は真空の誘電率8.85x10^-12 F/mである。
   
3. 請求項１又は２において、
   前記電子デバイスがＭＬＣＣであることを特徴とする電子デバイスの絶縁性薄膜の信頼性評価法。

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