JP2584093B2 - 絶縁膜の信頼性評価方法 - Google Patents
絶縁膜の信頼性評価方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、絶縁膜の経時信頼性を評価する測定方法に
関するものである。
関するものである。
従来の技術 近年、VLSIの高集積化，大容量化に伴い、設計寸法お
よび加工の微細化が必須のものとなっている。これらの
素子の微細化にともないMOSトランジスタのゲート絶縁
膜や、DRAMの容量絶縁膜に使用される絶縁膜も薄膜化せ
ざるをえず、加えてこれらの絶縁膜には高い信頼性を確
保することが要求されている。
よび加工の微細化が必須のものとなっている。これらの
素子の微細化にともないMOSトランジスタのゲート絶縁
膜や、DRAMの容量絶縁膜に使用される絶縁膜も薄膜化せ
ざるをえず、加えてこれらの絶縁膜には高い信頼性を確
保することが要求されている。
このため、高信頼性の絶縁膜の形成方法はもとより、
これらの絶縁膜の信頼性を短時間で簡便に、かつ精度よ
く評価する信頼性測定方法が必要不可欠のものとなって
いる。これらの、絶縁膜の信頼性測定方法としては従来
から絶縁膜を挟む上下の電極にストレス電圧もしくはス
トレス電流を印加し、絶縁膜が破壊に至る時間を測定す
る経時変化による破壊測定（Time Dependent Dielectri
c Breakdown:TDDB）法が広く用いられている。とりわけ
絶縁膜に一定電流ストレスを印加し、絶縁破壊に至る時
間を測定する定電流TDDB法は、注入電流密度と絶縁破壊
に至る時間の積（Ｊ×ｔ）から絶縁破壊に至る総電荷量
（QBD:Charge to breakdown）を算出することができる
ためよく用いられる。第６図は定電流TDDBにおける印加
ストレス電流およびそのときの印加電圧の変化を示した
ものである。
これらの絶縁膜の信頼性を短時間で簡便に、かつ精度よ
く評価する信頼性測定方法が必要不可欠のものとなって
いる。これらの、絶縁膜の信頼性測定方法としては従来
から絶縁膜を挟む上下の電極にストレス電圧もしくはス
トレス電流を印加し、絶縁膜が破壊に至る時間を測定す
る経時変化による破壊測定（Time Dependent Dielectri
c Breakdown:TDDB）法が広く用いられている。とりわけ
絶縁膜に一定電流ストレスを印加し、絶縁破壊に至る時
間を測定する定電流TDDB法は、注入電流密度と絶縁破壊
に至る時間の積（Ｊ×ｔ）から絶縁破壊に至る総電荷量
（QBD:Charge to breakdown）を算出することができる
ためよく用いられる。第６図は定電流TDDBにおける印加
ストレス電流およびそのときの印加電圧の変化を示した
ものである。
発明が解決しようとする課題 この定電流TDDB法は絶縁破壊に至る総電荷量を正確に
把握することができるため絶縁膜の信頼性評価には非常
に有効な方法である。しかし、QBDは注入電流密度と絶
縁破壊に至る時間の積であるため、印加ストレス電流密
度が非常に低い場合、正常な絶縁膜では絶縁破壊に至る
時間は非常に長くなる。また、逆に印加ストレス電流密
度が高すぎる場合や絶縁膜の欠陥時の異常が存在した場
合、非常に短い時間で破壊してしまい、時間分解能およ
び精度が十分に得られないといった現象が起こる。した
がって、定電流TDDBではあらかじめ予備測定などを行っ
て、適正なストレス電流密度を設定してやることが必要
となる。しかし、この作業を行った場合でも通常、絶縁
膜には欠陥が含まれているため、非常に寿命の短いもの
から非常に寿命の長い正常なものまで種々の寿命の絶縁
膜がある。一般に、これらの信頼性測定は統計処理を行
う必要があるので被測定試料は最低でも100個以上必要
である。したがって、被測定試料には潜在的に欠陥を含
み非常に寿命の短いものから、欠陥がなく寿命の長いも
のまであらゆる寿命を持つ試料を測定することになる。
このような状況では予備測定により大部分の試料に対し
ては最適な条件を設定しても残りの試料に対しては、必
ずしも最適な条件であるとは言えない。信頼性測定は多
数の試料を測定するため測定時間の短縮が要求されるの
で一般に、注入ストレス電流密度は比較的高い値を使用
する。この場合、信頼性に問題のある試料ではストレス
電流印加と同時に瞬時にして絶縁破壊が生じ、正確な信
頼性測定ができない。一方、これらの信頼性に問題のあ
る試料で十分な精度が得られるような注入ストレスを設
定すると逆に正常な試料では膨大な測定時間を要する。
また、トータルの測定時間はこれらの試料の信頼性に左
右され一定ではない。信頼性の測定では信頼性にやや問
題のある試料の抽出が非常に重要であり、正常な試料の
信頼性とともに正確に把握する必要がある。したがっ
て、従来の定電流TDDB法は測定のダイナミックレンジが
狭いためこのような欠陥に起因する信頼性不良の測定に
は問題があった。
把握することができるため絶縁膜の信頼性評価には非常
に有効な方法である。しかし、QBDは注入電流密度と絶
縁破壊に至る時間の積であるため、印加ストレス電流密
度が非常に低い場合、正常な絶縁膜では絶縁破壊に至る
時間は非常に長くなる。また、逆に印加ストレス電流密
度が高すぎる場合や絶縁膜の欠陥時の異常が存在した場
合、非常に短い時間で破壊してしまい、時間分解能およ
び精度が十分に得られないといった現象が起こる。した
がって、定電流TDDBではあらかじめ予備測定などを行っ
て、適正なストレス電流密度を設定してやることが必要
となる。しかし、この作業を行った場合でも通常、絶縁
膜には欠陥が含まれているため、非常に寿命の短いもの
から非常に寿命の長い正常なものまで種々の寿命の絶縁
膜がある。一般に、これらの信頼性測定は統計処理を行
う必要があるので被測定試料は最低でも100個以上必要
である。したがって、被測定試料には潜在的に欠陥を含
み非常に寿命の短いものから、欠陥がなく寿命の長いも
のまであらゆる寿命を持つ試料を測定することになる。
このような状況では予備測定により大部分の試料に対し
ては最適な条件を設定しても残りの試料に対しては、必
ずしも最適な条件であるとは言えない。信頼性測定は多
数の試料を測定するため測定時間の短縮が要求されるの
で一般に、注入ストレス電流密度は比較的高い値を使用
する。この場合、信頼性に問題のある試料ではストレス
電流印加と同時に瞬時にして絶縁破壊が生じ、正確な信
頼性測定ができない。一方、これらの信頼性に問題のあ
る試料で十分な精度が得られるような注入ストレスを設
定すると逆に正常な試料では膨大な測定時間を要する。
また、トータルの測定時間はこれらの試料の信頼性に左
右され一定ではない。信頼性の測定では信頼性にやや問
題のある試料の抽出が非常に重要であり、正常な試料の
信頼性とともに正確に把握する必要がある。したがっ
て、従来の定電流TDDB法は測定のダイナミックレンジが
狭いためこのような欠陥に起因する信頼性不良の測定に
は問題があった。
本発明は、印加ストレス電流密度を決める予備実験を
行わず、ある定まった時間内に、短時間でかつ、正常な
試料から信頼性に問題がある試料まで正確に広いダイナ
ミックレンジで信頼性の高い測定を行うことを目的とし
ている。
行わず、ある定まった時間内に、短時間でかつ、正常な
試料から信頼性に問題がある試料まで正確に広いダイナ
ミックレンジで信頼性の高い測定を行うことを目的とし
ている。
課題を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明では、絶縁膜を挟む
電極に、絶縁膜中を流れる電流が所定の電流値を保持す
るような電圧を印加しながら、絶縁膜が絶縁破壊に至る
時間を測定する定電流ストレス印加による経時絶縁破壊
（定電流TDDB）測定で、ストレス電流として所定のデュ
ーティー比（パルス幅），くり返し周期が一定の矩形波
を印加し、第一のパルス電流印加後、絶縁破壊の判定を
ストレス電流が印加されていない時に行い、絶縁破壊し
ていなければ、ストレス電流とストレス電流の印加時間
の積から注入電荷量を計算し、以降、絶縁破壊を生ずる
まで複数のパルス電流ストレスを印加絶縁破壊を生ずる
まで複数のパルス電流ストレスを印加する方法におい
て、電流パルスのデューティー比（パルス幅）およびく
り返し周期を一定とし、注入電荷量の桁が１桁増加する
たびにストレス電流を10倍にして印加する。ストレス電
流密度の上限は0.1〜1A/cm2もしくはQBDに注入電流密度
が大きく依存しはじめる電流密度である。
電極に、絶縁膜中を流れる電流が所定の電流値を保持す
るような電圧を印加しながら、絶縁膜が絶縁破壊に至る
時間を測定する定電流ストレス印加による経時絶縁破壊
（定電流TDDB）測定で、ストレス電流として所定のデュ
ーティー比（パルス幅），くり返し周期が一定の矩形波
を印加し、第一のパルス電流印加後、絶縁破壊の判定を
ストレス電流が印加されていない時に行い、絶縁破壊し
ていなければ、ストレス電流とストレス電流の印加時間
の積から注入電荷量を計算し、以降、絶縁破壊を生ずる
まで複数のパルス電流ストレスを印加絶縁破壊を生ずる
まで複数のパルス電流ストレスを印加する方法におい
て、電流パルスのデューティー比（パルス幅）およびく
り返し周期を一定とし、注入電荷量の桁が１桁増加する
たびにストレス電流を10倍にして印加する。ストレス電
流密度の上限は0.1〜1A/cm2もしくはQBDに注入電流密度
が大きく依存しはじめる電流密度である。
作用 本発明の検討によれば、印加ストレス電流のパルス幅
を十分制御可能な時間に選択し、ストレス電流密度を十
分低い電流密度にすることにより、欠陥を含み信頼性に
問題のある試料も精度よく測定することができる。さら
に、正常な試料についても最初の注入電荷量の桁で絶縁
破壊しなければ、ストレス電流を１桁高くしてさらに測
定するので、破壊に至る電荷量の大きい試料についても
短時間で測定できる。測定時間は最大でも印加ストレス
電流パルス幅×注入電荷量が１桁高くなるまでの印加パ
ルス数×絶縁破壊に至るまでの印加ストレス電流の変更
回数で計算される。また上限電流密度を設定することに
より物理的に意味のあるQBDを測定することができ、短
時間にダイナミックレンジの広い測定を実現することが
できる。
を十分制御可能な時間に選択し、ストレス電流密度を十
分低い電流密度にすることにより、欠陥を含み信頼性に
問題のある試料も精度よく測定することができる。さら
に、正常な試料についても最初の注入電荷量の桁で絶縁
破壊しなければ、ストレス電流を１桁高くしてさらに測
定するので、破壊に至る電荷量の大きい試料についても
短時間で測定できる。測定時間は最大でも印加ストレス
電流パルス幅×注入電荷量が１桁高くなるまでの印加パ
ルス数×絶縁破壊に至るまでの印加ストレス電流の変更
回数で計算される。また上限電流密度を設定することに
より物理的に意味のあるQBDを測定することができ、短
時間にダイナミックレンジの広い測定を実現することが
できる。
実施例 本発明の実施例を被測定絶縁膜として、酸化シリコン
膜を用いた場合を例に説明する。第１図と第２図は本測
定方法における印加ストレス電流パルスの印加方法を示
したものである。通常、酸化シリコン膜の絶縁破壊に至
る電荷量（QBD）は10C/cm2程度であるから、本実施例で
はQBDのダイナミックレンジとして10-5〜10C/cm2の６桁
となる。測定はまず、10-6A/cm2の電流密度で0.1秒のパ
ルスを印加する。その後、直ちに2MV/cmの電界を印加し
て、電流が100μA/cm2以上流れた場合絶縁破壊と判定す
る。ここで、絶縁破壊が生じていなければ引き続きパル
ス印加をくり返す。以後、破壊に至るまで前記の電流密
度で合計100個のパルスを印加する。100個のパルス印加
後、注入電荷量は10-4C/cm2となるので、ここでストレ
ス電流密度を１桁高くして10-6A/cm2として同様な測定
を行う。ただし、これ以後、印加パルスの数は99個とな
る。前記の電流密度で99個のパルス全部が印加し終わる
と注入電荷量は10-3C/cm2となる。これでも絶縁破壊し
ない場合は順次、電流密度を１桁ずつ高くし、絶縁破壊
に至るまで行う。ただし、この場合、上限のストレス電
流密度は1A/cm2である。これは、第３図に示すように、
酸化シリコン膜においてはQBDは10C/cm2程度であるとと
もに、QBD自体が注入電流密度が1A/cm2を越えると注入
電流密度の関数となり、急激に減少するため、正確なQ
BDが測定できなくなるためである。本実施例の如き条件
を用いると最大10C/cm2程度のQBDを持つ絶縁膜の測定に
要する時間は最大でも100秒程度と短時間で信頼性測定
が可能となる。これを従来の定電流TDDB法を用いて行う
と注入電流密度を分解能および精度を向上させるために
十分低く10-6A/cm2とすると試料一点につき最大106秒の
測定時間を要してしまう。また、逆に注入電流密度を1A
/cm2とした場合、10-4C/cm2程度のQBDを持つ絶縁膜の測
定時間は試料１点につき10-5秒と非常に短い時間となり
測定精度，再現性がまったく得られない。第４図は本実
施例で用いた信頼性評価システムの構成図を示したもの
である。システムは定電流源１および電圧源２および電
流計３および全自動プローバー４から構成される。定電
流源１から試料５にストレスが印加されているときには
電圧源２および電流計３はシステムから切り離される。
定電流源１からストレス電流パルスを印加した後、電圧
源２および電流計３が接続され、絶縁破壊の判定が行わ
れる。
膜を用いた場合を例に説明する。第１図と第２図は本測
定方法における印加ストレス電流パルスの印加方法を示
したものである。通常、酸化シリコン膜の絶縁破壊に至
る電荷量（QBD）は10C/cm2程度であるから、本実施例で
はQBDのダイナミックレンジとして10-5〜10C/cm2の６桁
となる。測定はまず、10-6A/cm2の電流密度で0.1秒のパ
ルスを印加する。その後、直ちに2MV/cmの電界を印加し
て、電流が100μA/cm2以上流れた場合絶縁破壊と判定す
る。ここで、絶縁破壊が生じていなければ引き続きパル
ス印加をくり返す。以後、破壊に至るまで前記の電流密
度で合計100個のパルスを印加する。100個のパルス印加
後、注入電荷量は10-4C/cm2となるので、ここでストレ
ス電流密度を１桁高くして10-6A/cm2として同様な測定
を行う。ただし、これ以後、印加パルスの数は99個とな
る。前記の電流密度で99個のパルス全部が印加し終わる
と注入電荷量は10-3C/cm2となる。これでも絶縁破壊し
ない場合は順次、電流密度を１桁ずつ高くし、絶縁破壊
に至るまで行う。ただし、この場合、上限のストレス電
流密度は1A/cm2である。これは、第３図に示すように、
酸化シリコン膜においてはQBDは10C/cm2程度であるとと
もに、QBD自体が注入電流密度が1A/cm2を越えると注入
電流密度の関数となり、急激に減少するため、正確なQ
BDが測定できなくなるためである。本実施例の如き条件
を用いると最大10C/cm2程度のQBDを持つ絶縁膜の測定に
要する時間は最大でも100秒程度と短時間で信頼性測定
が可能となる。これを従来の定電流TDDB法を用いて行う
と注入電流密度を分解能および精度を向上させるために
十分低く10-6A/cm2とすると試料一点につき最大106秒の
測定時間を要してしまう。また、逆に注入電流密度を1A
/cm2とした場合、10-4C/cm2程度のQBDを持つ絶縁膜の測
定時間は試料１点につき10-5秒と非常に短い時間となり
測定精度，再現性がまったく得られない。第４図は本実
施例で用いた信頼性評価システムの構成図を示したもの
である。システムは定電流源１および電圧源２および電
流計３および全自動プローバー４から構成される。定電
流源１から試料５にストレスが印加されているときには
電圧源２および電流計３はシステムから切り離される。
定電流源１からストレス電流パルスを印加した後、電圧
源２および電流計３が接続され、絶縁破壊の判定が行わ
れる。
第５図に絶縁膜として酸化シリコン膜厚30nm,電極面
積1mm2を有するMOS容量を本発明の方法によりQBDを測定
した結果および、従来例の定電流TDDB法により測定した
結果を示す。従来例の定電流TDDB法におけるストレス電
流密度は0.1および0.4A/cm2であり、本発明の実施例で
はストレス電流密度を10-6〜1A/cm2に変化させて測定し
た。第５図の結果から従来例の定電流TDDB法で測定を行
うとストレス電流印加とほぼ同時に全測定試料の70％以
上が絶縁破壊を生じ、QBDは10-5C/cm2以下となり正確な
測定が全くできていない。これに対し、本発明による実
施例では、ストレス印加の初期に破壊するのは全試料の
10％以下であり、正確なQBD測定が可能となっている。
この10％の破壊についてもストレス電流密度をさらに低
い電流密度から測定することにより正確に測定すること
ができる。このような場合、従来例ではストレス電流密
度を１桁低下させる毎に測定に要する時間はストレス電
流密度の低下桁数をｎとすると、10n倍になるのに比
べ、本発明の実施例ではｎ倍になるに過ぎず、測定精度
およびダイナミックレンジ、高スループットの３項目を
満足することができる。
積1mm2を有するMOS容量を本発明の方法によりQBDを測定
した結果および、従来例の定電流TDDB法により測定した
結果を示す。従来例の定電流TDDB法におけるストレス電
流密度は0.1および0.4A/cm2であり、本発明の実施例で
はストレス電流密度を10-6〜1A/cm2に変化させて測定し
た。第５図の結果から従来例の定電流TDDB法で測定を行
うとストレス電流印加とほぼ同時に全測定試料の70％以
上が絶縁破壊を生じ、QBDは10-5C/cm2以下となり正確な
測定が全くできていない。これに対し、本発明による実
施例では、ストレス印加の初期に破壊するのは全試料の
10％以下であり、正確なQBD測定が可能となっている。
この10％の破壊についてもストレス電流密度をさらに低
い電流密度から測定することにより正確に測定すること
ができる。このような場合、従来例ではストレス電流密
度を１桁低下させる毎に測定に要する時間はストレス電
流密度の低下桁数をｎとすると、10n倍になるのに比
べ、本発明の実施例ではｎ倍になるに過ぎず、測定精度
およびダイナミックレンジ、高スループットの３項目を
満足することができる。
発明の効果 以上のように、本発明による絶縁膜の信頼性評価方法
を用いると、短時間に広いダイナミックレンジで精度よ
く絶縁膜の絶縁破壊に至るまでの電荷量を測定すること
ができ、迅速かつ正確な絶縁膜の信頼性評価を可能とし
ている。
を用いると、短時間に広いダイナミックレンジで精度よ
く絶縁膜の絶縁破壊に至るまでの電荷量を測定すること
ができ、迅速かつ正確な絶縁膜の信頼性評価を可能とし
ている。
第１図はストレス電流の印加方法を示す図、第２図は測
定のアルゴリズムを示す図、第３図は酸化シリコン膜の
QBDとストレス電流密度の関係を示す特性図、第４図は
測定システムの構成図、第５図は本発明および従来方法
による測定結果を示す特性図、第６図は従来方法におけ
るストレス電荷印加の方法とそのときの電圧変化とQBD
の変化を示した特性図である。 １……定電流源、２……電圧源、３……電流計、４……
全自動ウェーハプローバ、５……試料、６……制御用コ
ンピュータ。
定のアルゴリズムを示す図、第３図は酸化シリコン膜の
QBDとストレス電流密度の関係を示す特性図、第４図は
測定システムの構成図、第５図は本発明および従来方法
による測定結果を示す特性図、第６図は従来方法におけ
るストレス電荷印加の方法とそのときの電圧変化とQBD
の変化を示した特性図である。 １……定電流源、２……電圧源、３……電流計、４……
全自動ウェーハプローバ、５……試料、６……制御用コ
ンピュータ。
Claims (1)
- 【請求項１】電流値Ｊ＝J0×10nのｎが零の電流パルス
を印加する第１の手段と、絶縁破壊を判定する第２の手
段と、前記第２の手段で絶縁破壊が起こった場合には測
定を終了し、絶縁破壊が起こらない場合には前記第１の
手段と第２の手段が最大100回繰り返される第３の手段
と、前記第１の手段の電流値Ｊ＝J0×10nのｎがｎ＋１
の電流パルスを印加して第２の手段と第３の手段を行う
第５の手段を有し、前記ｎ＋１の値が所定の値になるま
で繰り返し実行されることを特徴とする絶縁膜の信頼性
評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2053432A JP2584093B2 (ja) | 1990-03-05 | 1990-03-05 | 絶縁膜の信頼性評価方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2053432A JP2584093B2 (ja) | 1990-03-05 | 1990-03-05 | 絶縁膜の信頼性評価方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03255644A JPH03255644A (ja) | 1991-11-14 |
| JP2584093B2 true JP2584093B2 (ja) | 1997-02-19 |
Family
ID=12942684
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2053432A Expired - Fee Related JP2584093B2 (ja) | 1990-03-05 | 1990-03-05 | 絶縁膜の信頼性評価方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2584093B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006109501A1 (ja) * | 2005-03-18 | 2006-10-19 | Ngk Insulators, Ltd. | 圧電素子の検査方法、検査装置及び分極処理方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100515880B1 (ko) * | 1998-05-08 | 2005-12-08 | 삼성전자주식회사 | 반도체 소자의 게이트 산화막 항복 전압 측정 방법 |
-
1990
- 1990-03-05 JP JP2053432A patent/JP2584093B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006109501A1 (ja) * | 2005-03-18 | 2006-10-19 | Ngk Insulators, Ltd. | 圧電素子の検査方法、検査装置及び分極処理方法 |
| US7525324B2 (en) | 2005-03-18 | 2009-04-28 | Ngk Insulators, Ltd. | Inspection method, inspection apparatus, and polarization method for piezoelectric element |
| JP4845879B2 (ja) * | 2005-03-18 | 2011-12-28 | 日本碍子株式会社 | 圧電素子の検査方法、検査装置及び分極処理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03255644A (ja) | 1991-11-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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