JP2921270B2 - 経時絶縁膜破壊評価方法および経時絶縁膜破壊評価装置 - Google Patents

経時絶縁膜破壊評価方法および経時絶縁膜破壊評価装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体デバイスに用
いられる絶縁膜の破壊評価法とステップストレス法を用
いた経時絶縁膜破壊評価方法(TDDB)および経時絶
縁膜破壊評価装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図9に絶縁膜を挟んで電圧を印加したと
きの代表的なI−V特性を示す。従来の絶縁膜破壊評価
方法は、観測した電流が1つの絶縁膜破壊判断基準電流
Icrに達したときの電圧VBDを破壊電圧とみなしてい
た。
【0003】しかしながら、熱酸化膜などの絶縁膜は、
K.Yamabe and Taniguchi,IEEE Trans.Electron Devices
ED-32,P423(1985) の文献に示されるように、絶縁膜中
の欠陥に起因してAモード、Bモード、Cモードの3種
類の故障モードに分類される。これら3種類の故障モー
ドの絶縁膜のI−V特性は、図10に示すように、曲線
2、曲線3、曲線1のようになる。この時従来の絶縁膜
破壊評価方法では1つの基準電流Icrに対してのVBDを
調べることしか出来ないため図10のIcr,1によって曲
線2、曲線3、の破壊電圧VA,1 ,VB,1 を正確に調べ
ることは出来るが、曲線1の破壊電圧VC,1 が正確でな
くなってしまう。そこで曲線1の正確な破壊電圧VC,2
を知るために、絶縁膜破壊判断基準電流Icr,2によって
破壊電圧を調べると、今度はVA,2 ,VB,2 が不正確に
なってしまう。
【0004】また、絶縁膜破壊評価法を用いると、ステ
ップストレス法によるTDDB特性を予測する事が出
来、絶縁膜の信頼性評価を早期に行える長所がある。そ
こで、従来のステップストレス法TDDB評価法は、図
11に示すように絶縁膜破壊寿命tBD∝exp(−β・
EG )の関係から
【0005】
【数7】
【0006】によって電界EG のときのtBDを推定して
いた。しかしながら、熱酸化膜の詳細な破壊メカニズム
を調べてみるとI.C.Chen,SS.E.Holland,and C.Hu,IEEE
Trans.Electron Devices ED-32,P413(1985) の文献に従
うことが分かった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の絶縁膜破壊評価
方法は以上のように1つの規定電流Icrで破壊電圧を調
べていたため、多種類の故障モードを持つ絶縁膜に対し
ては、正確な破壊電圧を知ることは不可能であった。
【0008】また数7によって得られるステップストレ
スTDDB評価法は、絶縁膜破壊評価方法tBD∝exp
(−β・EG )の関係を用いていたため多種類の故障モ
ードを持つ絶縁膜に対しては、正確なTDDB特性を得
ることは不可能であった。
【0009】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、多種類の故障モードを持つ絶縁
膜に対して、正確なTDDB特性の得られる経時絶縁膜
破壊評価方法及び経時絶縁膜破壊評価装置を得ることを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる経時絶
縁膜破壊評価方法は、絶縁膜に電界強度Eiのi番目の
ステップストレス電界を時間Δti 印加して絶縁膜のI
ーV特性を測定する工程と、絶縁膜を流れる電流Iと絶
縁膜破壊判断基準電流Icrとを比較する工程と、絶縁膜
が絶縁膜破壊に至るステップ数Nを数えるステップ数計
数工程と、ステップ数Nに基づき、電界強度EG の全域
において1種類の加速ファクターG(後述する)を有す
るときの絶縁膜破壊寿命tBDを(式1)により求め、ま
た臨界電界強度Ecrを境に2種類の加速ファクターGA
,GB を有するとき絶縁膜破壊寿命tBDを(式2)ま
たは(式3)により求める工程とを備えたものである。
【0011】またこの発明に係わる経時絶縁膜破壊評価
装置は、絶縁膜にステップストレス電界を印加して前記
絶縁膜を流れる電流を測定するIーV特性測定装置と、
絶縁膜破壊判断基準電流を発生する基準電流発生装置
と、前記絶縁膜を流れる電流と前記絶縁膜破壊判断基準
電流とを比較する電流比較器と、前記絶縁膜が絶縁膜破
壊に至るステップ数Nを計数するステップ数計数装置
と、前記ステップ数Nに基づき、電界強度EG の全域に
おいて1種類の加速ファクターGを有するときの絶縁膜
破壊寿命tBDを、(式1)により求め、また臨界電界強
度Ecrを境に2種類の加速ファクターGA ,GB を有す
るとき絶縁膜破壊寿命tBDを、(式2)または(式3)
により算出する計算装置と、前記絶縁膜破壊寿命tBDに
基づき累積故障率を算出する累積故障率算出装置とを備
えたものである。
【0012】
【作用】この発明における経時絶縁膜破壊評価方法は、
臨界電界強度Ecrを境に2種類の加速ファクターGA ,
GB を有するとき絶縁膜破壊寿命tBDを、請求項1の
(式2)または(式3)により求める工程とを備えたの
で、加速ファクターに依存したステップストレス電界の
絶縁膜破壊寿命への寄与分を付与することができる。
【0013】この発明における経時絶縁膜破壊評価装置
は、臨界電界強度Ecrを境に2種類の加速ファクターG
A ,GB を有するとき絶縁膜破壊寿命tBDを(式2)ま
たは(式3)により求める計算装置を備えたので、加速
ファクターに依存したステップストレス電界の絶縁膜破
壊寿命への寄与分を付与することができる。
【0014】(測定評価例) 図1に、絶縁膜破壊評価装置の構成を示す。被測定試料
である絶縁膜11をはさんで、電極12の両端に電圧印加装
置13より電圧Vを印加する。これに直列に入れた電流計
Aにより絶縁膜11中を流れる電流Iを測り、V−I特性
を得る。次に測定した電流値Iと、基準電流発生装置19
により発生された絶縁膜破壊判定の基準電流値Icrとを
比較器15にて比較し、I>Icrのとき絶縁破壊と判定す
る。
【0015】図2は、図1の絶縁膜破壊評価装置で測定
したSiO2 膜に関する印加電界Eと絶縁膜を流れる電
流密度Jとの関係を示したものである。ここで電界強度
E=印加電圧V/試料の厚み、及び電流密度J≡単位面
積当りの電流値Iである。
【0016】図2の点線1は膜欠陥のないSiO2 膜試
料のV−I特性を、又点線2は、膜にピンホール等の初
期不良のある試料の、又点線3は膜に一部弱い部分が存
在するような試料についてのV−I特性を示す。点線1
の試料では印加電界7MV/cm位までは、電流密度Jは10
-9A/cm2 以下の電流しか流れないが、印加電界が7MV
/cmをこえると急激に電流が増加し、11MV/cm附近で遂
に破壊する(Cモード故障)。一方点線2の試料では、
印加電界0.2 MV/cm以下で急激に電流が流れ、初期破壊
が生ずる(Aモード故障)。又、点線3の試料では、印
加電界4MV/cmをこえると膜弱い部分による破壊が生ず
る(Bモード故障)。
【0017】次に絶縁膜破壊評価方法を示す。図2にお
いて、実線5は印加電界により2種類の絶縁破壊の判定
基準電流密度を設けた例を示し、印加電界が6MV/cm以
下のときJcr1 =10-4A/cm2 、6MV/cm以上のときJ
cr2 =1A/cm2 と設定すると、電界の低い方からJcr
1 の基準によりAモード故障、Bモード故障が、続いて
Jcr2 の規準によりCモード故障が確認される。
【0018】2の点線6は、印加電界の関数として基
準電流密度Jcr(E)の変化を示したものである。請求
項1においては、印加電圧の関数としての基準電流値と
記述したが、電界、電流密度に置きかえても同じ効果を
示すことは云うまでもない。点線6を Jcr(E)=κ・E+Jcr1 を満すものとすれば、実施例1で示した場合と同様に、
電界の低い方から順にAモード故障、Bモード故障、C
モード故障に対し、正確な絶縁膜破壊電界値を知ること
が出来る。
【0019】
【実施例】実施例1. 絶縁膜破壊寿命評価装置からステップストレス法による
TDDB特性の予測が可能である。Chen-Holland-Hu モ
デル(以下CHHモデルと呼ぶ)によれば、印加電界強
度EG と絶縁膜破壊寿命tBDとの関係は tBD=τ0exp(G/EG ) によって与えられる。ここでτ0は比例係数、Gは加速
ファクターと呼ばれる係数である。図3にこの関係を示
す。直線7の傾きが加速ファクターGである。
【0020】今、絶縁膜にi番目のステップストレス電
界Ei をΔti 時間かけ、これをN行程続けた時に絶縁
破壊が生じたとすると
【0021】
【数8】
【0022】で表わされる。ここでti は任意の印加電
界EG を印加した時の絶縁膜破壊寿命tBDに対し、ステ
ップストレス電界Ei をΔti 時間印加したことによる
絶縁膜破壊寿命への寄与分を示す換算時間であり、 ti =(Δti exp(−G/Ei ))exp(G/EG ) と表わされる。即ち
【0023】
【数9】
【0024】と書ける。即ち上式によりステップストレ
ス方式による絶縁膜破壊寿命tBDが評価出来ることが示
されており、絶縁膜試料に電界Ei をΔti 時間順次印
加してゆき、絶縁膜を流れる電流Iが請求項第1項又は
第2項で示した絶縁膜破壊判断基準電流値Icrを超えて
絶縁破壊に至った時までのステップ数Nを求めることに
より絶縁膜破壊寿命tBDを求めることが出来る。
【0025】ここで加速ファクターGは絶縁破壊のメカ
ニズムに密着した係数であり、G=B+Hで表わされ
る。
【0026】Bは図5に示すファウラーノルドハイムの
トンネル電流JFNの測定から得られるもので、トンネル
電流JFNの電界依存性
【0027】
【数10】
【0028】の係数として求められ、例えばB=240 MV
/cmである。又、Hは衝突電離におけるホール生成率
【0029】
【数11】
【0030】の関係から求められ、例えばH=80MV/cm
である。
【0031】図4は、経時絶縁膜破壊評価方法の工程を
示すフローチャート、及び経時絶縁膜破壊評価装置の構
成を示すブロック図である。まず左側のフローに従って
加速ファクターGの決定を行う。トンネル電流の実験に
より図5に示すFNプロットを作成し、その勾配から係
数Bを求める。同様に衝突電離のホール生成率の実験か
らHを求め、加速ファクターGはその和として求められ
る。次に図4の右側のフローに従って、I−V特性測定
装置により、絶縁膜のI−V特性をとる。ステップスト
レス電界強度Ei をΔti 時間印加し、電流比較器によ
り、観測した電流値Iを絶縁膜破壊判断基準電流Icrと
比較し、ステップ数計数装置(N値計数器)により、絶
縁膜破壊判断基準電流Icrを超えて破壊に至るステップ
数Nを数える。以上のようにN及びGが求められたら、
次式により絶縁膜破壊寿命tBDが求められる。
【0032】
【数12】
【0033】実施例2. 絶縁膜破壊寿命tBDと電界強度EG との関係を調べる
と、図3の点線8に示すように、臨界電界強度Ecrより
も高電界側で、CHHモデルを満足しない場合が生ず
る。このとき、EG <Ecrのときの加速ファクターをG
A ,EG >Ecrのときの加速ファクターをGB としたと
きの改良CHHモデルを提供する。
【0034】実施例1において2種類の加速ファクター
GA ,EB についてtBDを示すと
【0035】
【数13】
【0036】
【数14】
【0037】で与えられる。ここで、jはEi >Ecrと
なる時までのステップの数を表わす。即ち、印加電
G <Ecr の場合の絶縁膜破壊寿命tBDを求める時、
13において、右辺の第1項は、ステップストレスEi
<Ecrに対する寿命への寄与分を、又第2項はEi >E
crのステップストレスEi に対する寿命への寄与分を示
している。同様に数14についても右辺第1項は、ステ
ップストレスEi >Ecrに対する寿命への寄与分を、又
右辺第2項はEi <Ecrに対する寿命への寄与分を示し
ている。
【0038】以上のように、加速ファクターGが臨界電
強度Ecrを境にG1 とG2 をとるときの絶縁膜破壊寿
命tBDを求める工程を図4のフローチャートで説明する
と、まず左のフローからトンネル電流の実験による図5
のFNプロットにより、臨界電界強度Ecrと、2つの加
速ファクターB1 ,B2 が得られる。よってG=B+H
からG1,G2 が得られる。次に右のフローから、ステ
ップストレスEi が臨界電界強度Ecrを越えるまでのス
テップ数jを求める。I−V特性測定装置により、観測
する絶縁膜にステップストレスEi をΔti時間づつ印
加してゆき、電流比較器及びステップ数N計数装置(N
値計数器)により絶縁膜を流れる電流Iが絶縁膜破壊判
断基準電流値Icrを越える絶縁破壊を起こすまでのステ
ップ数Nを数える。以上求めたj,N,G1 ,G2 ,E
crを用いて絶縁膜破壊寿命tBDは数12、或いは数13
及び数14から求められる。
【0039】実施例3. 以上の実施例1,2で求めた絶縁膜破壊評価寿命tBDを
用いて、ステップストレス法による経時絶縁膜破壊寿命
TDDB特性を得ることが出来る。絶縁膜破壊寿命tBD
が求まると、累積故障率F(tBD)は、例えばワイブル
分布を用いて
【0040】
【数15】
【0041】により求めることが出来る。ここでt0 ,
mはワイブルプロット図で実験に合わせて決められる定
数である。
【0042】図6は、実施例2に示した、改良型CHH
モデルによるtBDを印加電界EG をパラメーターにして
プロットしたもので、図において実線が本発明による計
算値を、又図中のマーク(○□×)は実験値を示す。以
上を比較すると初期故障の段階から摩耗故障に至るまで
良好な一致を得られることがわかる。
【0043】参考のため、図7、図8に加速パラメータ
ーが一定とした時のTDDB曲線を示すが、図7の低電
界の加速ファクター(Gファクター)だけを用いた場
合、寿命の長い部分で計算と実験との大きなずれを生
じ、又図8の高電界のGファクターだけを用いた場合
は、寿命の短い部分で計算と実験との大きなずれが生じ
ている。
【0044】
【発明の効果】この発明の経時絶縁膜破壊評価方法によ
れば、絶縁膜にステップストレス電界を印加して絶縁膜
のIーV特性を測定する工程と、絶縁膜を流れる電流I
と絶縁膜破壊判断基準電流Icrとを比較する工程と、絶
縁膜が絶縁膜破壊に至るステップ数Nを数えるステップ
数計数工程と、ステップ数Nに基づき、電界強度EG の
全域において、臨界電界強度Ecrを境に2種類の加速フ
ァクターGA ,GB を有する場合は絶縁膜破壊寿命tBD
を、(式2)または(式3)により求める工程とを備え
たので、多種類の故障モードを持つ絶縁膜に対して、正
確な経時絶縁膜破壊評価方法を提供することができる。
【0045】また、この発明の経時絶縁膜破壊評価装置
によれば、絶縁膜が2種類の加速ファクターGA ,GB
を有する場合は、(式2)または(式3)により絶縁膜
破壊寿命tBDを算出する計算装置を備えたので、多種類
の故障モードを持つ絶縁膜に対して、正確な時絶縁膜
破壊寿命を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】縁膜破壊評価装置のブロック図である。
【図2】 絶縁膜のI−V特性を示す図である。
【図3】 印加電界EGと絶縁膜破壊寿命tBDとの関
係を示す図である。
【図4】 実施例1及び実施例2の経時絶縁膜破壊評価
方法の工程を示すフローチャート及び経時絶縁膜破壊評
価装置の構成を示すブロック図である。
【図5】 F−Nプロットを示す図である。
【図6】 実施例3の経時絶縁膜破壊寿命TDDB特性
を示す図である。
【図7】 低電界の加速(G)ファクターのみを用いた
ときの経時絶縁膜破壊寿命TDDB特性である。
【図8】 高電界の加速(G)ファクターのみを用いた
ときの経時絶縁膜破壊寿命TDDB特性である。
【図9】 従来の絶縁膜破壊評価方法を示す図である。
【図10】 各故障モードに対する絶縁膜のI−V特性
を示す図である。
【図11】 従来の絶縁膜破壊寿命推定方法を示す図で
ある。
【符号の説明】
tBD 絶縁膜破寿命 G,GA ,GB 加速ファクター EG 印加電界強度 Ecr 臨界電界強度 Ei i番目のステップストレス電界の電界強度 Δti i番目のステップストレス印加時間 j Ei >Ecrとなるまでのステップ数 N 絶縁膜破壊を生ずるまでのステップ数 1 膜欠陥のない試料のV−I特性(Cモード) 2 初期不良のある試料のV−I特性(Aモード) 3 膜に弱い部分を持つ試料のV−I特性(Bモード) 4 従来の絶縁膜破壊寿命と印加電界強度の関係 5 印加電圧に応じて設けた複数の絶縁膜破壊判断基準
電流Icrのカーブ 6 印加電圧の関数として設けた絶縁膜破壊判断基準電
流Icr(V)のカーブ 7 CHHモデルによる絶縁膜破壊寿命の推定カーブ 8 改良CHHモデルによる絶縁膜破壊寿命の推定カー
ブ 10 電圧計 11 被測定試料絶縁膜 12 電極 13 電圧印加装置 14 電流計 15 比較器 16 絶縁膜を流れた電流I 17 絶縁膜破壊判断基準電流値Icr 18 判定出力

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁膜に電界強度Eiのi番目のステッ
    プストレス電界を時間Δti 印加して前記絶縁膜のIー
    V特性を測定する工程と、前記絶縁膜を流れる電流Iと
    絶縁膜破壊判断基準電流Icrとを比較する工程と、前記
    絶縁膜が絶縁膜破壊に至るステップ数Nを数えるステッ
    プ数計数工程と、前記ステップ数Nに基づき、電界強度
    EG の全域において1種類の加速ファクターGを有する
    ときの絶縁膜破壊寿命tBDを、 【数1】 により求め、また臨界電界強度Ecrを境に2種類の加速
    ファクターGA ,GB を有するとき絶縁膜破壊寿命tBD
    を、 【数2】 または 【数3】 により求める工程とを備えた経時絶縁膜破壊評価方法。
  2. 【請求項2】 絶縁膜にステップストレス電界を印加し
    て前記絶縁膜を流れる電流を測定するIーV特性測定装
    置と、絶縁膜破壊判断基準電流を発生する基準電流発生
    装置と、前記絶縁膜を流れる電流と前記絶縁膜破壊判断
    基準電流とを比較する電流比較器と、前記絶縁膜が絶縁
    膜破壊に至るステップ数Nを計数するステップ数計数装
    置と、前記ステップ数Nに基づき、電界強度EG の全域
    において1種類の加速ファクターGを有するときの絶縁
    膜破壊寿命tBDを、 【数4】 により求め、また臨界電界強度Ecrを境に2種類の加速
    ファクターGA ,GB を有するとき絶縁膜破壊寿命tBD
    を、 【数5】 または 【数6】 により算出する計算装置と、前記絶縁膜破壊寿命tBDに
    基づき累積故障率を算出する累積故障率算出装置とを備
    えたことを特徴とする経時絶縁膜破壊評価装置。
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