JP3230483B2 - Method for testing life of gate insulating film in semiconductor device - Google Patents

Method for testing life of gate insulating film in semiconductor device

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JP3230483B2
JP3230483B2 JP08083898A JP8083898A JP3230483B2 JP 3230483 B2 JP3230483 B2 JP 3230483B2 JP 08083898 A JP08083898 A JP 08083898A JP 8083898 A JP8083898 A JP 8083898A JP 3230483 B2 JP3230483 B2 JP 3230483B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置にお
けるゲート絶縁膜の試験方法に係り、詳しくは、ダイレ
クトトンネル電流が流れる極薄の膜厚を有するゲート絶
縁膜の寿命試験方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for testing a gate insulating film in a semiconductor device, and more particularly to a method for testing the life of a gate insulating film having an extremely thin film thickness through which a direct tunnel current flows.

【0002】[0002]

【従来の技術】メモリ製品、ロジック製品等で代表され
るLSI(大規模集積回路)はほとんどが、集積度の点
で優れているMOS(Metal Oxide Semiconductor)型ト
ランジスタによって構成されている。このように同トラ
ンジスタが集積されているMOS型LSI(以下、単に
LSIと称する)では、その高性能化が図られるにつれ
て同トランジスタのサイズはより微細化されており、こ
れに伴って同トランジスタを構成しているゲート絶縁膜
の膜厚はますます薄くなる傾向にあり、最近では数10
オンク゛ストロームの膜厚が要求されてきている。このようにゲ
ート絶縁膜の膜厚が薄くなると、同ゲート絶縁膜は絶縁
破壊し易くなるので、LSIの信頼性に影響するように
なる。
2. Description of the Related Art Most LSIs (Large Scale Integrated Circuits) represented by memory products, logic products and the like are constituted by MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors which are excellent in integration degree. As described above, in a MOS LSI in which the transistor is integrated (hereinafter simply referred to as LSI), the size of the transistor is further reduced as the performance thereof is improved. The thickness of the constituent gate insulating film tends to become thinner, and recently several tens of
There is a demand for a thickness of on-crystal. As described above, when the thickness of the gate insulating film is reduced, the gate insulating film is easily broken down, which affects the reliability of the LSI.

【0003】このためLSIを製品として出荷するにあ
たっては、予めゲート絶縁膜に寿命試験を施すことによ
りその寿命の予測を行って、ユーザに品質の保証を与え
るようにしている。このような寿命試験は、TDDB(T
ime Dependent Dielectric Breakdown)試験方法により
行われて、同ゲート絶縁膜にゲート電極を介して電圧を
かけてその絶縁破壊に至るまでの時間、すなわち寿命を
予測するようにしている。同ゲート絶縁膜に電圧をかけ
続けると、時間の経過につれてリーク電流が流れ始め
て、ある時間が経過するとリーク電流が増大して同ゲー
ト絶縁膜は絶縁破壊に至ることになる。
For this reason, when an LSI is shipped as a product, a life test is performed on a gate insulating film in advance to predict the life of the gate insulating film, thereby assuring quality to the user. Such a life test is based on TDDB (T
In this method, a voltage is applied to the gate insulating film through the gate electrode, and the time until the dielectric breakdown occurs, that is, the lifetime is predicted. When a voltage is continuously applied to the gate insulating film, a leak current starts to flow as time elapses, and after a certain time elapses, the leak current increases to cause dielectric breakdown of the gate insulating film.

【0004】図6はMOS構造において、金属Mとして
ゲート電極となる多結晶Si膜、酸化物Oとしてゲート
絶縁膜となる酸化膜(SiO2膜)、半導体SとしてS
i基板を用いた場合のエネルギーバンドを説明するもの
で、Efは多結晶Si膜及びSi基板のフェルミ準位、
Φbはバリアハイト、Geは酸化膜のエネルギーギャッ
プを示している。
FIG. 6 shows a MOS structure in which a polycrystalline Si film serving as a gate electrode as a metal M, an oxide film (SiO 2 film) serving as a gate insulating film as an oxide O, and an S film as a semiconductor S
The energy band when an i-substrate is used is described. Ef is a Fermi level of a polycrystalline Si film and a Si substrate,
Φb indicates the barrier height, and Ge indicates the energy gap of the oxide film.

【0005】バリアハイトΦbは、多結晶Si膜のフェ
ルミ準位Efと同酸化膜の菱形状のエネルギーギャップ
Geの左肩部との高さによって表される。同バリアハイ
トΦbの値は、ゲート絶縁膜材料と半導体材料との組み
合わせによって決定され、上述のように酸化膜とSi基
板との組み合わせの場合は、略3.1eV(エレクトロ
ンボルト)になる。ここで、酸化膜のエネルギーギャッ
プGeの勾配θは、同酸化膜にかかる電圧Voxに基づ
いた電界Eoxに応じて変化する。同Eoxが大きくな
るとθは小さくなる。
The barrier height Φb is represented by the height between the Fermi level Ef of the polycrystalline Si film and the left shoulder of the diamond-shaped energy gap Ge of the same oxide film. The value of the barrier height Φb is determined by the combination of the gate insulating film material and the semiconductor material, and is approximately 3.1 eV (electron volt) in the case of the combination of the oxide film and the Si substrate as described above. Here, the gradient θ of the energy gap Ge of the oxide film changes according to the electric field Eox based on the voltage Vox applied to the oxide film. As the Eox increases, θ decreases.

【0006】ここで、酸化膜にかかる電圧Voxは次式
で示される。 Vox=Vg−Vfb (1) ただし、 Vg:ゲート電圧 Vfb:フラットバンド電圧 式(1)から明らかなように、ゲート絶縁膜となる酸化
膜へかかる電圧Voxは、ゲート電極に印加されるゲー
ト電圧Vgよりもフラットバンド電圧Vfb分だけ低い
値となる。
Here, the voltage Vox applied to the oxide film is expressed by the following equation. Vox = Vg−Vfb (1) where Vg: gate voltage Vfb: flat band voltage As is apparent from the equation (1), the voltage Vox applied to the oxide film serving as the gate insulating film is the gate voltage applied to the gate electrode. The value is lower than Vg by the flat band voltage Vfb.

【0007】ここで、従来のゲート絶縁膜の寿命試験方
法は、図7に示すように、上述の酸化膜印加電圧Vox
を、バリアハイトΦb以上で、かつ、同トランジスタの
動作電圧(動作時のゲート電圧で1.2〜1.3
(V))Vo以上に選んで行っている。同図で、Vox
1、Vox2、Vox3、Vox4、…は個々の酸化膜
印加電圧Voxの値を示し、実線LはVoxの各値に対
応して得られた寿命値を結ぶラインである。そして、こ
の実線Lを破線Mのように直線的に延長することによ
り、動作電圧Voにおけるゲート絶縁膜の寿命を予測
(予測点P)することが行われている。このように、酸
化膜印加電圧VoxをバリアハイトΦb以上の値に選ぶ
のは、いわゆる加速試験を行って、寿命予測をできるだ
け短時間で行うためである。
Here, as shown in FIG. 7, the conventional gate insulating film life test method uses the above-described oxide film applied voltage Vox.
At the barrier height Φb or higher and the operating voltage of the same transistor (the gate voltage during operation is 1.2 to 1.3).
(V)) Vo is selected more than Vo. In the figure, Vox
1, Vox2, Vox3, Vox4,... Indicate the values of the individual oxide film applied voltages Vox, and the solid line L is a line connecting the life values obtained corresponding to the respective values of Vox. By extending the solid line L linearly as indicated by a broken line M, the life of the gate insulating film at the operating voltage Vo is predicted (prediction point P). The reason why the oxide film applied voltage Vox is selected to a value equal to or higher than the barrier height Φb is to perform a so-called acceleration test and predict the life as short as possible.

【0008】ところで、ゲート絶縁膜の膜厚が数10オン
ク゛ストローム程度に、例えば5オンク゛ストローム以上40オンク゛ストローム
以下の極薄になると、バリアハイトΦbを境にした酸化
膜印加電圧Voxの値に応じて、ゲート絶縁膜における
リーク電流メカニズムが異なってくる、という現象が生
ずる。すなわち、Vox>Φbの場合には、FN(Fowlo
r Nordheim)電流が流れ、一方、Vox≦Φbの場合に
はDT(Direct Tunnel)電流が流れるようになる。
When the thickness of the gate insulating film becomes as thin as about several tens of angstroms, for example, between about 5 angstroms and less than 40 angstroms, depending on the value of the oxide film applied voltage Vox across the barrier height Φb, the gate insulating film becomes A phenomenon occurs that the leakage current mechanism in the film is different. That is, when Vox> Φb, FN (Fowlo
(R Nordheim) current flows, while DT (Direct Tunnel) current flows when Vox ≦ Φb.

【0009】図9及び図10は、これらの現象をエネル
ギーバンドで示すもので、図9は前者の例、図10は後
者の例を示している。前者の例では、電子の出発点であ
るゲート電極のEfよりも同電子が飛び込んでくるGe
の右肩部が低い位置にあり(エネルギーが低い)、一
方、後者の例では、同Efよりも同右肩部が高い位置に
ある(エネルギーが高い)。
FIGS. 9 and 10 show these phenomena in energy bands. FIG. 9 shows the former example, and FIG. 10 shows the latter example. In the former example, the Ge jumps in from the gate electrode Ef, which is the starting point of the electron.
Is located at a lower position (lower energy), while in the latter example, the right shoulder is at a higher position (higher energy) than Ef.

【0010】例えば、特開平9−283750号公報に
は、極薄のゲート絶縁膜の寿命試験方法が開示されてい
る。同公報には、例えば50オンク゛ストロームの膜厚のゲート
絶縁膜に対して、TDDB測定を行う方法が示されてい
る。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-283750 discloses a method for testing the life of an extremely thin gate insulating film. This publication discloses a method of performing TDDB measurement on a gate insulating film having a thickness of, for example, 50 angstroms.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載のゲート絶縁膜の寿命試験方法は、バリアハイ
トΦbを境にした酸化膜印加電圧Voxの値に応じて、
リーク電流メカニズムが異なってくる現象を考慮してい
ないので、特に、Vox≦Φbの場合のDT電流が流れ
る領域における寿命予測が誤ってくるという問題があ
る。すなわち、図8に示すように、FN電流とDT電流
とではリーク電流メカニズムの違いによって、前者の方
が後者よりも電圧依存性が大きくなるいう性質がある。
このため、図7に示したように、実線Lを破線Mのよう
に直線的に延長して動作電圧Voにおけるゲート絶縁膜
の寿命を予測するには無理が生ずる。この結果、実際よ
りも寿命を短く見積もってしまうことになっていた。一
般に、バリアハイトΦbの値が大きくなるほど、薄いゲ
ート絶縁膜でDT電流が流れ易くなる。
However, the method for testing the life of a gate insulating film described in the above publication is based on the value of the oxide film applied voltage Vox at the barrier height Φb.
Since the phenomenon that the leakage current mechanism is different is not taken into account, there is a problem that the life prediction in the region where the DT current flows in the case of Vox ≦ Φb becomes erroneous. That is, as shown in FIG. 8, due to the difference in the leakage current mechanism between the FN current and the DT current, the former has a property that the voltage dependence is larger than the latter.
Therefore, as shown in FIG. 7, it is difficult to predict the life of the gate insulating film at the operating voltage Vo by linearly extending the solid line L as indicated by the broken line M. As a result, the service life is estimated to be shorter than the actual one. In general, the larger the value of the barrier height Φb, the easier the DT current flows through the thin gate insulating film.

【0012】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、ダイレクトトンネル電流が流れる極薄の膜厚を
有するゲート絶縁膜に対して、寿命の予測を正確に行う
ことのできる半導体絶縁膜におけるゲート絶縁膜の寿命
試験方法を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a semiconductor insulating film capable of accurately predicting the life of an extremely thin gate insulating film through which a direct tunnel current flows. It is an object of the present invention to provide a method for testing the life of a gate insulating film in the above.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明は、半導体基板表面に形成され
た極薄のゲート絶縁膜にゲート電極が設けられ、該ゲー
ト電極にゲート電圧が印加されたときダイレクトトンネ
ル電流が流れる半導体装置における上記ゲート絶縁膜の
寿命試験方法に係り、上記ゲート電圧をVg、上記半導
体基板と上記ゲート絶縁膜との組み合わせによって決定
されるエネルギーバリアハイトをΦb、上記ゲート絶縁
膜にかかる電圧をVox、上記半導体装置の動作電圧を
Voとしたとき、Vo≦Vox≦Φbの条件を満足する
ように、上記ゲート電圧Vgを選ぶことを特徴としてい
る。
According to a first aspect of the present invention, a gate electrode is provided on an extremely thin gate insulating film formed on a surface of a semiconductor substrate, and the gate electrode is provided on the gate electrode. According to a method for testing the life of the gate insulating film in a semiconductor device in which a direct tunnel current flows when a voltage is applied, the gate voltage is set to Vg, and the energy barrier height determined by a combination of the semiconductor substrate and the gate insulating film is determined. Φb, the voltage applied to the gate insulating film is Vox, and the operating voltage of the semiconductor device is Vo, and the gate voltage Vg is selected so as to satisfy the condition of Vo ≦ Vox ≦ Φb.

【0014】また、請求項2記載の発明は、請求項1記
載の半導体装置におけるゲート絶縁膜の寿命試験方法に
係り、上記ゲート絶縁膜の膜厚が、5オンク゛ストローム以上4
0オンク゛ストローム以下であることを特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for testing the life of a gate insulating film in a semiconductor device according to the first aspect, wherein the thickness of the gate insulating film is 5 Å or more.
It is characterized by being less than 0 angstroms.

【0015】また、請求項3記載の発明は、請求項1又
は2記載の半導体装置におけるゲート絶縁膜の寿命試験
方法に係り、上記半導体基板がシリコンからなると共
に、上記ゲート絶縁膜が、シリコン酸化膜からなること
を特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for testing the life of a gate insulating film in a semiconductor device according to the first or second aspect, wherein the semiconductor substrate is made of silicon and the gate insulating film is made of silicon oxide. It is characterized by being made of a film.

【0016】また、請求項4記載の発明は、請求項1,
2又は3記載の半導体装置におけるゲート絶縁膜の寿命
試験方法に係り、上記ゲート絶縁膜の寿命試験方法を、
上記半導体基板の温度が、40℃以上250℃以下の温
度の下で行うことを特徴としている。
[0016] The invention according to claim 4 is based on claim 1,
4. A method for testing the life of a gate insulating film in a semiconductor device according to item 2 or 3,
The method is characterized in that the semiconductor substrate is heated at a temperature of 40 ° C. or more and 250 ° C. or less.

【0017】また、請求項5記載の発明は、請求項1乃
至4のいずれか1に記載の半導体装置におけるゲート絶
縁膜の寿命試験方法に係り、上記ゲート絶縁膜の寿命試
験方法を、上記半導体基板の温度を一定に保ちながら、
上記ゲート電圧を可変して行うことを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for testing the life of a gate insulating film in a semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects. While keeping the substrate temperature constant,
The method is characterized in that the above-mentioned operation is performed by changing the gate voltage.

【0018】また、請求項6記載の発明は、請求項1乃
至4のいずれか1に記載の半導体装置におけるゲート絶
縁膜の寿命試験方法に係り、上記ゲート絶縁膜の寿命試
験方法を、上記ゲート電圧を一定に保ちながら、上記半
導体基板の温度を可変して行うことを特徴としている。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for testing the life of a gate insulating film in a semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects. The method is characterized in that the temperature is varied while maintaining the voltage constant.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。 ◇第1実施例 図1は、この発明の第1実施例であるゲート絶縁膜の寿
命試験方法を示す電気的結線図である。この例の同寿命
試験方法は、膜厚が略20オンク゛ストロームのゲート酸化膜2
が表面に形成されたP型Si基板1を用いて、加熱チャ
ンバ6内に収容することにより同Si基板1の温度tを
略150℃に保持した条件の下で、同ゲート酸化膜2に
設けた多結晶Si膜からなるゲート電極3にマイナスの
ゲート電圧Vgを印加するように試験装置4を接続して
行った。同寿命試験方法は、異なるゲート電圧Vgごと
に複数の同Si基板1を用いて同試験を繰り返した。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The description will be specifically made using an embodiment. First Embodiment FIG. 1 is an electrical connection diagram showing a method for testing the life of a gate insulating film according to a first embodiment of the present invention. In this example, the same life test method is applied to a gate oxide film 2 having a thickness of about 20 angstroms.
Is provided in the gate oxide film 2 under the condition that the temperature t of the Si substrate 1 is held at approximately 150 ° C. by being housed in the heating chamber 6 using the P-type Si substrate 1 formed on the surface. The test apparatus 4 was connected so that a negative gate voltage Vg was applied to the gate electrode 3 made of the polycrystalline Si film. The same life test method was repeated using a plurality of the same Si substrates 1 for different gate voltages Vg.

【0020】なお、ゲート酸化膜2に隣接して同ゲート
酸化膜2よりも膜厚の大きな、膜厚が1.0〜1.5μ
mのフィールド酸化膜5が形成されている。このフィー
ルド酸化膜5はLSIの素子分離用酸化膜として働く。
また、ゲート電極3を構成している多結晶Si膜は、予
めN型不純物がイオン打ち込み法等によりドーピングさ
れてN型化されている。
The thickness of the gate oxide film 2 is larger than that of the gate oxide film 2 by 1.0 to 1.5 μ
m field oxide films 5 are formed. This field oxide film 5 functions as an oxide film for element isolation of the LSI.
Further, the polycrystalline Si film forming the gate electrode 3 is made N-type by previously doping an N-type impurity by an ion implantation method or the like.

【0021】図2は、この例の寿命試験方法によって得
られた同ゲート酸化膜2の寿命試験結果を示す特性図
で、ゲート電圧Vg(横軸)と50%破壊時間(縦軸)
との関係を示している。ここで、50%破壊時間とは、
試験される複数のSi基板に対して、所定のゲート電圧
Vgを印加したとき、Si基板1の半数が、絶縁破壊に
到ると予測される時間をいう。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a life test result of the same gate oxide film 2 obtained by the life test method of this embodiment. The gate voltage Vg (horizontal axis) and the 50% breakdown time (vertical axis)
The relationship is shown. Here, the 50% destruction time is
When a predetermined gate voltage Vg is applied to a plurality of Si substrates to be tested, the half of the Si substrates 1 is estimated to be in a state where dielectric breakdown is predicted.

【0022】同図から明らかなように、特性はゲート電
圧Vgが略−3.7(V)を境にして、勾配の小さいラ
インL1と勾配の大きいライン2とに変化している。こ
こで、フラットバンド電圧Vfbは、略−0.6(V)
となるので、式(1)を用いれば、Voxの値が与えら
れる。 Vox=Vg−Vfb=(−3.7)−(−0.6)=−3.1 (1)
As can be seen from the figure, the characteristic changes between the line L1 having a small gradient and the line 2 having a large gradient at a gate voltage Vg of about -3.7 (V). Here, the flat band voltage Vfb is approximately -0.6 (V).
Therefore, the value of Vox is given by using equation (1). Vox = Vg−Vfb = (− 3.7) − (− 0.6) = − 3.1 (1)

【0023】すなわち、式(1)で得られた酸化膜印加
電圧Voxの値は、絶対値をとると3.1(V)になっ
て、Si基板1とゲート酸化膜2との組み合わせによっ
て決定されるバリアハイトΦbの値3.1(eV)と略
等しくなる。したがって、同図の特性はバリアハイトΦ
bが3.1(V)を境にして、DT電流が流れる領域で
はFN電流が流れる領域よりも、絶縁破壊に至る時間の
割合が大きくなることを示している。これにより、従来
法に比べて実際の寿命を見積もることができるようにな
る。すなわち、ゲート電圧VgをVox≦Φbとなる条
件を含むように選んで寿命試験を行うことにより、寿命
を正確に見積もることができるようになる。これは、上
述のような条件を選ぶことにより、実際のLSIの動作
時とリーク電流メカニズムを同一にして寿命試験を行っ
ているためである。
That is, the value of the oxide film applied voltage Vox obtained by the equation (1) becomes 3.1 (V) in absolute value, and is determined by the combination of the Si substrate 1 and the gate oxide film 2. Is substantially equal to the value of the barrier height Φb of 3.1 (eV). Therefore, the characteristics in FIG.
This indicates that the ratio of time to dielectric breakdown is larger in the region where the DT current flows than in the region where the FN current flows, with respect to b at 3.1 (V). This makes it possible to estimate the actual life as compared with the conventional method. That is, the life can be accurately estimated by performing the life test while selecting the gate voltage Vg so as to include the condition of Vox ≦ Φb. This is because the life test is performed by selecting the above-described conditions and using the same leakage current mechanism as the actual operation of the LSI.

【0024】図3は、この例の寿命試験方法によって得
られた同ゲート酸化膜2の他の寿命試験結果を示す特性
図で、破壊時間(横軸)と累積不良率(縦軸)との関係
を示している。ここで、類積不良率とは、各Vgごとに
試験が終了した複数のSi基板1が、一定時間ごとに絶
縁破壊を起こしてその不良率が累積される割合を示して
いる。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing another life test result of the same gate oxide film 2 obtained by the life test method of this embodiment, and shows the relationship between the breakdown time (horizontal axis) and the cumulative failure rate (vertical axis). Shows the relationship. Here, the analogous defective rate indicates a rate at which a plurality of Si substrates 1 that have been tested for each Vg undergo dielectric breakdown at regular intervals and the defective rates are accumulated.

【0025】同図から明らかなように、ゲート電圧Vg
を各々−3.7(V)、−3.5(V)、−3.3
(V)、−3.25(V)及び−3.2(V)に選んだ
5つの特性は、Vg値が小さなものほど、すなわち、酸
化膜印加電圧VoxがバリアハイトΦb値である3.1
(eV)より小さなものほど、長い破壊時間で不良が累
積されることを示している。
As is apparent from FIG.
Are -3.7 (V), -3.5 (V), and -3.3, respectively.
The five characteristics selected as (V), -3.25 (V), and -3.2 (V) indicate that the smaller the Vg value, that is, the higher the oxide film applied voltage Vox is the barrier height Φb value of 3.1.
(EV) indicates that the smaller the value is, the longer the failure time is to be accumulated.

【0026】寿命試験の温度を常温よりも高く設定して
行うのは、加速試験とするためであり、この温度は高く
設定するほど試験効率がよくなる。しかしながら、温度
の条件はLSIの構成要素に影響を与えない程度に設定
され、これはろう材として用いられている半田の融点に
よって制約され、略250℃以下に選ばれる。なお、温
度を上述の150℃以上に選んだ場合には、図2の特性
は上方向に略平行移動し、逆に150℃以下に選んだ場
合は、図2の特性は下方向に略平行移動するようにな
る。
The reason for setting the life test temperature higher than the normal temperature is to perform an accelerated test. The higher this temperature is set, the higher the test efficiency becomes. However, the temperature condition is set so as not to affect the components of the LSI, which is limited by the melting point of the solder used as the brazing material, and is selected to be approximately 250 ° C. or less. When the temperature is selected to be 150 ° C. or higher, the characteristics of FIG. 2 move substantially parallel upward, and conversely, when the temperature is selected to be 150 ° C. or lower, the characteristics of FIG. To move.

【0027】このように、この例の構成によれば、ゲー
ト電圧Vgを、ゲート酸化膜にかかる電圧Vox≦酸化
膜とSi基板との組み合わせによるバリアハイトΦb、
となる条件を含むように選んで、ゲート絶縁膜の寿命試
験を行うようにしたので、実際のLSIの動作時とリー
ク電流メカニズムを同一にして寿命試験を行うことがで
きる。したがって、ダイレクトトンネル電流が流れる極
薄の膜厚を有するゲート絶縁膜に対して、寿命の予測を
正確に行うことができる。
As described above, according to the configuration of this example, the gate voltage Vg is set so that the voltage Vox applied to the gate oxide film ≦ the barrier height Φb by the combination of the oxide film and the Si substrate.
Since the life test of the gate insulating film is performed by selecting so as to include the following condition, the life test can be performed with the same leakage current mechanism as the actual operation of the LSI. Therefore, the lifetime can be accurately predicted for a gate insulating film having an extremely thin film thickness through which a direct tunnel current flows.

【0028】◇第2実施例 この第2実施例の同寿命試験方法の構成が、上述の第1
実施例のそれと大きく異なるところは、図1と略同一の
電気的結線図において、ゲート電圧Vgを一定にして、
温度tを可変するようにした点である。すなわち、膜厚
が略20オンク゛ストロームのゲート酸化膜2を形成して、ゲー
ト電圧Vg=−3.7(V)に保持して、温度tを40
〜150℃の範囲で可変して寿命試験を行ったものであ
る。
Second Embodiment The configuration of the same life test method of the second embodiment is the same as that of the first embodiment described above.
The difference from the embodiment is that the gate voltage Vg is kept constant in the substantially same electrical connection diagram as FIG.
The point is that the temperature t is made variable. That is, the gate oxide film 2 having a thickness of about 20 angstroms is formed, the gate voltage Vg is maintained at −3.7 (V), and the temperature t is set to 40.
The life test was performed by varying the temperature in the range of 150 to 150 ° C.

【0029】図4は、同寿命試験方法によって得られた
寿命試験結果を示す特性図で、温度(横軸)と50%破
壊時間(縦軸)との関係を示している。同図では、ゲー
ト電圧Vg=−3.7(V)に設定したことにより、V
oxがΦb=3.1(eV)に選ばれた基での特性が示
されている。同図から明らかなように、温度tに依存し
て50%破壊時間が変化し、同温度tが増加するにつれ
て同破壊時間が短くなることが読み取れる。これは、同
温度tの増加につれて試験の加速される度合いが大きく
なるためである。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing life test results obtained by the same life test method, and shows the relationship between temperature (horizontal axis) and 50% destruction time (vertical axis). In the figure, by setting the gate voltage Vg = −3.7 (V), V
The characteristics in a group where ox is selected as Φb = 3.1 (eV) are shown. As can be seen from the figure, it can be seen that the 50% destruction time changes depending on the temperature t, and the destruction time becomes shorter as the temperature t increases. This is because the degree of acceleration of the test increases as the temperature t increases.

【0030】図5は、この例の寿命試験方法によって得
られた他の寿命試験結果を示す特性図で、破壊時間(横
軸)と累積不良率(縦軸)との関係を示している。同図
から明らかなように、温度tを各々150℃、130
℃、100℃、70℃及び40℃に選んだ5つの特性
は、温度t値が低いものほど、長い破壊時間で不良が累
積されることを示している。なお、ゲート電圧Vgを上
述の−3.7(V)以上に選んだ場合には、図4の特性
は上方向に略平行移動し、逆に−3.7(V)以下に選
んだ場合は、図4の特性は下方向に略平行移動するよう
になる。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing another life test result obtained by the life test method of this example, and shows the relationship between the destruction time (horizontal axis) and the cumulative failure rate (vertical axis). As is clear from FIG.
Five characteristics selected at ° C, 100 ° C, 70 ° C, and 40 ° C indicate that the lower the temperature t value, the more failures accumulate over a longer destruction time. When the gate voltage Vg is selected to be -3.7 (V) or higher, the characteristics shown in FIG. 4 move substantially parallel upward, and conversely, when the gate voltage Vg is selected to be -3.7 (V) or lower. As a result, the characteristic shown in FIG. 4 moves substantially parallel downward.

【0031】このように、この例の構成によっても、ゲ
ート電圧Vgを、Vox≦Φbとなる条件を含むように
選んで同寿命試験を行うようにしたので、第1実施例に
おいて述べたのと略同様の効果を得ることができる。
As described above, according to the structure of this embodiment, the same life test is performed by selecting the gate voltage Vg so as to include the condition of Vox ≦ Φb. Substantially the same effect can be obtained.

【0032】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更などがあってもこの発明に含まれる。例えば、ゲート
絶縁膜と半導体基板との組み合わせは酸化膜(Oxide Fi
lm)とSiとの組み合わせに限らず、窒化膜(Nitride F
ilm)とSiとの組み合わせ(バリアハイトΦb:〜2e
V)、酸化タンタル膜(Ta2O5)とSiとの組み合わせ
(バリアハイトΦb:1〜1.5eV)を選ぶことがで
きる。あるいは、MIS(Metal Insulator Semiconduct
or)トランジスタである限り、MNOS(Metal Nitride-
Oxide Semiconductor)トランジスタでもよい。
Although the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and the design may be changed without departing from the scope of the present invention. Is also included in the present invention. For example, a combination of a gate insulating film and a semiconductor substrate is an oxide film (Oxide Fi
lm) and Si, as well as nitride films (Nitride F
ilm) and Si (barrier height Φb: ~ 2e)
V), a combination of a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) and Si (barrier height φb: 1 to 1.5 eV) can be selected. Alternatively, MIS (Metal Insulator Semiconduct
or) as long as the transistor is a MNOS (Metal Nitride-
Oxide Semiconductor) transistors.

【0033】また、半導体基板の導電型は、N型とP型
とを逆にしてもよい。この場合、ゲート電極に印加され
るゲート電圧の極性も逆になる。また、ゲート絶縁膜に
対する寿命試験は、ソース領域及びドレイン領域を形成
した後に行うようにしてもよい。また、上述の実施例で
は、ゲート酸化膜の膜厚を略20オンク゛ストロームに設定した
が、これに限らず、5オンク゛ストローム以上40オンク゛ストローム以下
の範囲なら、上述の実施例と略同様の効果を得ることが
できる。
The conductivity type of the semiconductor substrate may be reversed between N type and P type. In this case, the polarity of the gate voltage applied to the gate electrode is also reversed. Further, the life test on the gate insulating film may be performed after forming the source region and the drain region. Further, in the above-described embodiment, the thickness of the gate oxide film is set to approximately 20 angstroms. However, the present invention is not limited to this, and the same effect as in the above-described embodiment can be obtained if the thickness is in the range of 5 angstroms to 40 angstroms. Can be.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明したように、この発明のゲート
絶縁膜の寿命試験方法によれば、ゲート絶縁膜Vgを、
ゲート絶縁膜にかかる電圧Vox≦バリアハイトΦbと
なる条件を含むように選んで、ゲート絶縁膜の寿命試験
を行うようにしたので、実際のLSIの動作時とリーク
電流メカニズムを同一にして寿命試験を行うことができ
る。したがって、ダイレクトトンネル電流が流れる極薄
の膜厚を有するゲート絶縁膜に対して、寿命の予測を正
確に行うことができる。
As described above, according to the gate insulating film life testing method of the present invention, the gate insulating film Vg is
Since the life test of the gate insulating film is performed by selecting so as to include the condition that the voltage Vox applied to the gate insulating film ≦ the barrier height Φb, the life test is performed by making the leakage current mechanism the same as the actual operation of the LSI. It can be carried out. Therefore, the lifetime can be accurately predicted for a gate insulating film having an extremely thin film thickness through which a direct tunnel current flows.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の第1実施例であるゲート絶縁膜の寿
命試験方法を示す電気的結線図である。
FIG. 1 is an electrical connection diagram showing a life test method of a gate insulating film according to a first embodiment of the present invention.

【図2】同寿命試験方法によって得られた寿命試験結果
を示すもので、ゲート電圧と50%破壊時間との関係を
示す特性図である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a life test result obtained by the life test method, showing a relationship between a gate voltage and a 50% breakdown time.

【図3】同寿命試験方法によって得られた他の寿命試験
結果を示すもので、破壊時間と累積不良率との関係を示
す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing another life test result obtained by the same life test method, and showing a relationship between a destruction time and a cumulative failure rate.

【図4】この発明の第2実施例である同寿命試験方法に
よって得られた寿命試験結果を示すもので、温度と50
%破壊時間との関係を示す特性図である。
FIG. 4 shows a life test result obtained by the same life test method according to the second embodiment of the present invention.
It is a characteristic view which shows the relationship with% destruction time.

【図5】同寿命試験方法によって得られた他の寿命試験
結果を示すもので、破壊時間と累積不良率との関係を示
す特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing another life test result obtained by the same life test method and showing a relationship between a destruction time and a cumulative failure rate.

【図6】MOS構造におけるエネルギーバンドを説明す
る図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an energy band in a MOS structure.

【図7】従来のゲート絶縁膜の寿命試験方法を説明す
る、電圧とゲート絶縁膜寿命時間との関係を示す特性図
である。
FIG. 7 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a voltage and a gate insulating film life time for explaining a conventional gate insulating film life testing method.

【図8】MOS構造におけるFN電流及びDT電流の電
圧依存性を説明するための特性図である。
FIG. 8 is a characteristic diagram for explaining voltage dependency of an FN current and a DT current in a MOS structure.

【図9】MOS構造におけるFN電流が流れるエネルギ
ーバンドを説明するための特性図である。
FIG. 9 is a characteristic diagram for explaining an energy band in which an FN current flows in a MOS structure.

【図10】MOS構造におけるDT電流を流れるエネル
ギーバンドを説明するための特性図である。
FIG. 10 is a characteristic diagram for explaining an energy band in which a DT current flows in a MOS structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 P型Si基板 2 ゲート酸化膜 3 ゲート電極 4 試験装置 5 フィールド酸化膜 6 加熱チャンバ Φb バリアハイト Vox ゲート絶縁膜にかかる電圧 Vg ゲート電極に印加される電圧 Reference Signs List 1 P-type Si substrate 2 Gate oxide film 3 Gate electrode 4 Test device 5 Field oxide film 6 Heating chamber Φb Barrier height Vox Voltage applied to gate insulating film Vg Voltage applied to gate electrode

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板表面に形成された極薄のゲー
ト絶縁膜にゲート電極が設けられ、該ゲート電極にゲー
ト電圧が印加されたときダイレクトトンネル電流が流れ
る半導体装置における前記ゲート絶縁膜の寿命試験方法
であって、 前記ゲート電圧をVg、前記半導体基板と前記ゲート絶
縁膜との組み合わせによって決定されるエネルギーバリ
アハイトをΦb、前記ゲート絶縁膜にかかる電圧をVo
x、前記半導体装置の動作電圧をVoとしたとき、 Vo≦Vox≦Φbの条件を満足するように、 前記ゲート電圧Vgを選ぶことを特徴とする半導体装置
におけるゲート絶縁膜の寿命試験方法。
1. A lifetime of a gate insulating film in a semiconductor device in which a gate electrode is provided on an extremely thin gate insulating film formed on a surface of a semiconductor substrate, and a direct tunnel current flows when a gate voltage is applied to the gate electrode. A test method, wherein the gate voltage is Vg, the energy barrier height determined by the combination of the semiconductor substrate and the gate insulating film is Φb, and the voltage applied to the gate insulating film is Vo.
x, wherein the operating voltage of the semiconductor device is Vo, and the gate voltage Vg is selected so as to satisfy the condition of Vo ≦ Vox ≦ Φb.
【請求項2】 前記ゲート絶縁膜の膜厚が、5オンク゛ストロー
ム以上40オンク゛ストローム以下であることを特徴とする請求項
1記載の半導体装置におけるゲート絶縁膜の寿命試験方
法。
2. The method according to claim 1, wherein the thickness of the gate insulating film is not less than 5 angstroms and not more than 40 angstroms.
【請求項3】 前記半導体基板がシリコンからなると共
に、前記ゲート絶縁膜が、シリコン酸化膜からなること
を特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置における
記載のゲート絶縁膜の寿命試験方法。
3. The method according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is made of silicon, and the gate insulating film is made of a silicon oxide film.
【請求項4】 前記ゲート絶縁膜の寿命試験方法を、前
記半導体基板の温度が、40℃以上250℃以下の温度
の下で行うことを特徴とする請求項1,2又は3記載の
半導体装置におけるゲート絶縁膜の寿命試験方法。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the method for testing the life of the gate insulating film is performed at a temperature of the semiconductor substrate of 40 ° C. or more and 250 ° C. or less. Test method of gate insulating film in Japan.
【請求項5】 前記ゲート絶縁膜の寿命試験方法を、前
記半導体基板の温度を一定に保ちながら、前記ゲート電
圧を可変して行うことを特徴とする請求項1乃至4のい
ずれか1に記載の半導体装置におけるゲート絶縁膜の寿
命試験方法。
5. The method according to claim 1, wherein the method of testing the life of the gate insulating film is performed by varying the gate voltage while keeping the temperature of the semiconductor substrate constant. Test method for a gate insulating film in a semiconductor device of the present invention.
【請求項6】 前記ゲート絶縁膜の寿命試験方法を、前
記ゲート電圧を一定に保ちながら、前記半導体基板の温
度を可変して行うことを特徴とする請求項1乃至4のい
ずれか1に記載の半導体装置におけるゲート絶縁膜の寿
命試験方法。
6. The method according to claim 1, wherein the method of testing the life of the gate insulating film is performed by changing the temperature of the semiconductor substrate while keeping the gate voltage constant. Test method for a gate insulating film in a semiconductor device of the present invention.
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