JP3789220B2

JP3789220B2 - 絶縁膜評価方法および装置ならびにプロセス評価方法

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Publication number: JP3789220B2
Application number: JP35709597A
Authority: JP
Inventors: 健治岡田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: US6326792B1; JPH11186351A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶縁膜評価方法および絶縁膜評価装置ならびにプロセス評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置の集積度の向上に伴って、素子のサイズは縮小の一途をたどっている。超ＬＳＩの分野でゲート絶縁膜として用いられるシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）の厚さは１０ｎｍを下回っており、その信頼性の評価が以前にもまして重要になってきている。ゲート絶縁膜の信頼性を評価する方法として、定電圧ストレス印加方法および定電流ストレス印加方法が広く用いられている。
【０００３】
図１８を参照しながら、従来の定電圧ストレス印加方法を最初に説明する。
【０００４】
まず、ステップＳ５０で、評価用としてあらかじめ設定された任意の電圧Ｖ₀、判定電流量Ｉ₀、および、測定を行なう試料の個数Ｎを設定する。
【０００５】
次に、ステップＳ５１で、複数の試料の中から選択された最初の試料へ測定用プローブ端子を移動させる。
【０００６】
次に、ステップＳ５２で、評価用電圧Ｖ₀を試料の絶縁膜に供給する。そして、ステップＳ５３で、評価用電圧Ｖ₀の供給状態をｔ₁秒間保持したのち、ステップＳ５４で、電流量Ｉを測定する。ステップＳ５５で、電流量Ｉの大きさから絶縁破壊が発生したかどうかの判定を行う。たとえば、電流量Ｉの絶対値が判定電流量Ｉ₀の絶対値よりも大きい場合に絶縁破壊が発生したと判定する。
【０００７】
ステップＳ５５で、絶縁破壊が発生していないと判定された場合、ステップＳ５３に戻り、絶縁膜に絶縁破壊が発生するまでステップＳ５３、ステップＳ５４、およびステップＳ５５の操作を繰り返す。
【０００８】
ステップＳ５５で、絶縁破壊が発生していると判定された場合には、ステップＳ５６で、評価用電圧Ｖ₀供給開始から絶縁破壊が発生するまでに要した所要時間ｔを記録する。
【０００９】
Ｎ個の試料について測定を終了した場合には（ステップＳ５７）、ステップＳ５８で、Ｎ個の試料について測定された所要時間ｔを統計的に処理し、これらの試料についての絶縁破壊時間ｔ_BDを算出する。統計的な処理方法としては、一般にワイブルプロットと呼ばれる手法が用いられている。以下に、その手法を説明する。
【００１０】
まず、累積不良率Ｆから算出される指数Ｗを、ｌｏｇスケールのストレス印加時間ｔに対してプロットする。ここで、累積不良率Ｆは、ある時間までに絶縁破壊した試料の個数の割合を示し、ストレス印加時間ｔは、評価用電圧Ｖ₀印加時間を示す。すると、指数Ｗは以下の式（１）により計算される。
【００１１】
Ｗ＝ｌｎ［ｌｎ｛１／（１−Ｆ）｝］式（１）
このようにして算出されたＷとｔとは、上記ワイブルプロットを行なうことによって直線的な関係を有することが経験的に知られており、絶縁膜の寿命を簡便に知る方法として使用されている。測定の結果得られたデータをワイブルプロットし、たとえばＦ＝５０％になるときのストレス印加時間を求める。次に、これを絶縁膜の５０％絶縁破壊寿命ｔ_BDまたはｔ₅₀して記述する。
【００１２】
ステップＳ５７でＮ個の試料についての測定を終了していない場合には、次の試料へ移動し（ステップＳ５９）、ステップＳ５２に戻り、Ｎ個の試料をすべて測定するまで、ステップＳ５２からステップＳ５９までの各操作を繰り返す。
【００１３】
測定個数Ｎは、通常、２０から１００である。これは、個々の測定におけるｔ値が統計的な分布を有するため、数回程度の測定によって得られたｔ値に基づいては、その分布を正確に知ることが不可能だからである。
【００１４】
このようにして得られるｔ_BDは、絶縁膜の絶縁破壊に要する時間を表している。そのため、ｔ_BDは、絶縁膜の品質を定量的に検証して比較・検討するためや、品質保証を示す情報としては最適であり、絶縁膜質・信頼性を表現する指標として広く用いられている。
【００１５】
次に、図１９を参照しながら、従来の定電流ストレス印加方法を説明する。
【００１６】
まず、ステップＳ６０で、評価用としてあらかじめ設定された任意の電流量Ｉ₀、判定電圧Ｖ₀、および、測定を行なう試料の個数Ｎを設定し、ステップＳ６１で初めの試料へと移動する。
【００１７】
次に、ステップＳ６２で、評価用電流Ｉ₀を絶縁膜に供給する。そして、評価用電流Ｉ₀の供給状態をｔ₁秒間保持したのち（ステップＳ６３）、ステップＳ６４で電圧値Ｖを測定し、ステップＳ６５で絶縁破壊が発生したかどうかの判定を行う。たとえば電圧値Ｖの絶対値が判定電圧Ｖ₀の絶対値よりも小さいときには、絶縁破壊が発生したと判定する。ステップＳ６５で、絶縁破壊が発生していないと判定される場合には、ステップＳ６２に戻り、絶縁膜に絶縁破壊が発生するまでステップＳ６３からステップＳ６５までの操作を繰り返す。
【００１８】
ステップＳ６５で絶縁破壊が発生していると判定された場合には、ステップＳ６６で、評価用電流Ｉ₀供給開始から絶縁破壊が発生するまでに要した所要時間をｔとして記録する。Ｎ個の試料について測定を終了した場合には（ステップＳ６７）、Ｎ個の試料についての各所要時間ｔを統計的に処理することにより、これらの試料における絶縁破壊時間ｔ_BDをおよび絶縁破壊までの総注入電荷量Ｑ_BDを算出する（ステップＳ６８）。絶縁破壊時間ｔ_BDの算出には、前述のワイブルプロットが一般に用いられる。ここで、Ｑ_BDはｔ_BDと評価用電流Ｉ₀の積を面積Ｓで割った値として定義される。
【００１９】
ステップＳ６７で、Ｎ個の試料について測定を終了していない場合には、ステップＳ６９で、次の試料へ移動し、Ｎ個の試料のすべてについて測定を終了するまでステップＳ６２からステップＳ６９までの操作を繰り返す。この場合も、測定個数Ｎは、２０から１００程度である。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の絶縁膜信頼性評価方法によれば、測定個数Ｎが通常２０から１００程度であるため、多数の試料を用意することが必要になるとともに、膨大な測定時間を必要とするという問題点を有している。測定個数をＮ個とすると、その測定誤差は一般にＮの平方根に比例することが知られており、測定個数が少ない場合にはその測定結果は十分に信用できないものとなる。そこで、測定結果の信頼性を上げるためには、測定個数を多くすることが必要となるが、測定に要する時間も増大してしまい、また、測定用に多数の試料を用意することが必要となる。
【００２１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定結果の信頼性を低下させることなく、測定に要する時間および試料数を抑制することが可能となる絶縁膜評価方法および装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明による絶縁膜評価方法は、絶縁膜に電気的ストレスを印加するストレス印加工程と、Ａモードストレス誘起リーク電流量をモニタし、前記絶縁膜の絶縁破壊が生じるときの前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の値を測定する工程とを包含する。
【００２３】
本発明による他の絶縁膜評価方法は、複数の試料について、絶縁膜に電気的ストレスを印加するストレス印加工程と、各試料について、Ａモードストレス誘起リーク電流量をモニタし、前記絶縁膜の絶縁破壊が生じるときの前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の値を測定する工程と、測定された前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の複数の値を統計的に処理することによって、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値を決定するしきい値決定工程とを包含する。
【００２４】
前記しきい値決定工程において、温度を含むストレス条件に応じて異なる値を前記絶縁破壊しきい値に割り当てるようにしてもよい。
【００２５】
本発明による更に他の絶縁膜評価方法は、絶縁膜に電気的ストレスを印加するストレス印加工程と、Ａモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程と、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の測定値と、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値に基づいて決められた判定値との関係に基づいて、前記絶縁膜の寿命を推定する寿命推定工程とを包含する。
【００２６】
前記判定値は、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値そのものであってもよい。
【００２７】
前記寿命推定工程は、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の測定値（Ｉ_A）と前記ストレス印加時間（ｔ）をｌｏｇ−ｌｏｇスケールでプロットする工程と、プロットされた前記測定値（Ｉ_A）から前記測定値（Ｉ_A）と前記ストレス印加時間（ｔ）との関係を決定し、前記関係に基づいて、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量が前記判定値に達するまでの時間を求める工程とを包含するようにしてもよい。
【００２８】
前記寿命推定工程は、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の測定値（Ｉ_A）とストレス印加時間（ｔ）との間に成立する関係式に基づいて、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量が前記判定値に達するまでの時間を求める工程を包含するようにしてもよい。
【００２９】
前記関係式は、数ａおよびｂをパラメータとした場合に、Ｉ_A＝ａ×ｔ^bで表現されてもよい。
【００３０】
本発明による更に他の絶縁膜評価方法は、複数の試料について、絶縁膜に電気的ストレスを印加するストレス印加工程と、各試料について、前記絶縁膜を流れる電流の量が規定値を示すように前記絶縁膜に電圧を印加する工程と、前記電圧の値をモニタし、前記絶縁膜の絶縁破壊が生じるときの前記電圧のしきい値を測定する工程と、測定された前記電圧のしきい値の複数の値を統計的に処理することによって、電圧に関する絶縁破壊しきい値を決定する工程とを包含する。
【００３１】
本発明による更に他の絶縁膜評価方法は、絶縁膜に電気的ストレスを印加するストレス印加工程と、Ａモードストレス誘起リーク電流量が規定値を示すときに前記絶縁膜に印加される電圧を測定する工程と、前記電圧の測定値と前記電圧のしきい値との関係に基づいて、前記絶縁膜の寿命を推定する寿命推定工程と、
を包含する。
【００３２】
本発明による更に他の絶縁膜評価方法は、絶縁膜に電気的ストレスを印加するストレス印加工程と、前記ストレスの印加によって引き起こされた前記絶縁膜の性質変化を、Ａモードストレス誘起リーク電流量を測定することによってモニタする工程と、モニタされた前記絶縁膜の性質変化に基づいて、前記絶縁膜の寿命を予測する。
【００３３】
本発明による更に他の絶縁膜評価方法は、絶縁膜に第１の電圧Ｖ₀を印加するストレス印加工程と、前記第１の電圧Ｖ₀の絶対値よりも絶対値の小さな第２の電圧Ｖ_mを前記絶縁膜に印加したときに前記絶縁膜を流れるリーク電流の値をモニタする工程と、
を包含し、前記リーク電流の値に基づいて、前記絶縁膜を評価する。
【００３４】
前記絶縁膜と同種類の他の絶縁膜の絶縁破壊が生じるときに前記他の絶縁膜を流れたリーク電流の値と、前記絶縁膜についてモニタされたリーク電流の値とに基づいて、前記絶縁膜の寿命を推定するようにしてもよい。
【００３５】
本発明によるプロセス評価方法は、異なるプロセス条件を経た複数の試料について、絶縁膜を流れるＡ−ＳＩＬＣ電流量を測定する工程と、測定されたＡ−ＳＩＬＣ電流量に基づいて、絶縁膜の寿命を最適化するプロセス条件を選択する工程とを包含するプロセス評価方法。
【００３６】
本発明の絶縁膜評価装置は、前記絶縁膜評価方法を実施するための絶縁膜評価装置であって、評価対象の絶縁膜が形成された試料を保持するホルダと、ホルダ上に置かれた試料に電気的に接触するプローブと、プローブを介して試料に電気的ストレスを印加し、電流・電圧の測定を実行するための測定部とを備えている。
【００３７】
前記測定部によって得られたデータを解析するための解析部を更に備えていることが好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
ゲート酸化膜の厚さが約６ｎｍ程度以下になると、２つのモードのストレス誘起リーク電流（Stress Induced Leakage Current：以下、「ＳＩＬＣ」と称する）が観察されることが知られている（K. Okada, S. Kawasaki and Y. Hirofuji：Extended Abstructs of the 1994 International Conference on SOLID STATE DEVICES AND MATERIALS (1994) p.565）。これら２つのモードの電流は、それぞれ「Ａモードストレス誘起リーク電流」および「Ｂモードストレス誘起リーク電流」と呼び、区別される。本願明細書では、Ａモードストレス誘起リーク電流を「Ａ−ＳＩＬＣ」と称し、Ｂモードストレス誘起リーク電流を「Ｂ−ＳＩＬＣ」と称することとする。
【００３９】
図１は、本発明の絶縁膜評価方法に使用されるＭＯＳキャパシタの一例の断面構造を示している。このＭＯＳキャパシタは、Ｐ型の単結晶シリコン基板１上に形成された厚さ４．３ｎｍのゲート酸化膜（面積０．０１ｍｍ²）２と、そのゲート酸化膜２上に形成されたゲート電極３とを備えている。ゲート電極３の側面には絶縁性のサイドウォール４が設けられている。ゲート酸化膜２はシリコン基板１の表面を熱酸化することによって形成され、ゲート電極３は、例えば、ＣＶＤ法で堆積した多結晶シリコン膜をパターニングすることによって形成される。
【００４０】
シリコン基板１およびゲート電極３は、それぞれ、絶縁膜評価装置５の測定部に電気的に接続される。このようなＭＯＳキャパシタのゲート電極３に負電圧を繰り返し印加することによって、ゲート絶縁膜２に電気的なストレスを与えることができる。
【００４１】
図２は、図１のＭＯＳキャパシタを用いて、そのゲート絶縁膜２にストレスを与えた場合に測定される、「電流−電圧特性」の変化を示している。この電流−電圧特性は、ゲート電極３に負電圧を可変的に印加しながら、シリコン基板１からゲート絶縁膜２を介してゲート電極３へ流れるリーク電流（以下、「ゲート電流」と称する場合がある）を測定することによって得られる。電流−電圧特性の測定は、前述のストレス印加を時折中断して実行される。
【００４２】
図２のグラフには、典型的なＡ−ＳＩＬＣおよびＢ−ＳＩＬＣが観測されている。ストレス印加前の初期特性では、ファウラー・ノードハイム（ＦＮ）トンネル電流、および直接トンネル電流が支配的であるが、ストレス印加を開始すると、まず、Ａ−ＳＩＬＣが観察されるようになる。Ａ−ＳＩＬＣは、ストレス印加時間の経過とともに連続的に増大する。さらにストレス印加を継続すると、やがて、より大きな電流レベルを有するＢ−ＳＩＬＣが観察されるようになる。Ａ−ＳＩＬＣはストレス印加時間の経過に伴って連続的に増大するのに対し、Ｂ−ＳＩＬＣは突然不連続に現れる。さらにストレス印加を継続することによって、完全な絶縁破壊に至る。この完全絶縁破壊は、厚さが１０ｎｍ程度を越える比較的に厚い絶縁膜で観察される絶縁破壊と同様のものである。
【００４３】
Ａ−ＳＩＬＣは、酸化膜のほぼ全面を流れる電流であるのに対し、Ｂ−ＳＩＬＣは、数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度のサイズを有する局所領域を流れる電流である。Ｂ−ＳＩＬＣが現れる現象は、絶縁破壊過程の一部であることがわかっている（K. Okada and S. Kawasaki：Extended Abstructs of the 1995 International Conference on SOLID STATE DEVICES AND MATERIALS (1995) p.473, およびK. Okada：Extended Abstructs of the 1996 International Conference on SOLID STATE DEVICES AND MATERIALS (1996) p.782）。従って、この現象を部分絶縁破壊（partial-breakdown、以下、ｐ−ＢＤ）と呼び、Ｂ−ＳＩＬＣ状態から完全に絶縁破壊に至る反応を完全絶縁破壊（complete-breakdown、以下、c−ＢＤ）と呼んでいる。
【００４４】
また、Ｂ−ＳＩＬＣ状態を経ることなく完全に絶縁破壊に至る場合もある。なお、ｐ−ＢＤを疑似絶縁破壊（quasi−breakdown）もしくはソフトブレークダウン（soft-breakdown）、Ｂ−ＳＩＬＣを疑似絶縁破壊電流（quasi−breakdown current）と呼ぶこともあるが、本願明細書では、Ａ−ＳＩＬＣ、Ｂ−ＳＩＬＣ、ｐ−ＢＤ、c−ＢＤの用語を用いることにする。
【００４５】
ｐ−ＢＤの発生によってリーク電流は増大するが、直ちにデバイスが動作しなくなることはない。このため、ゲート酸化膜の寿命としては完全絶縁破壊が発生するまでの時間をとるべきである。しかしながら、デバイス構造によってはＢ−ＳＩＬＣのリーク電流でも動作不良の原因となりうるし、また、リーク電流レベルの規格の厳しいデバイスについてはｐ−ＢＤまでの時間を寿命と考えるべきである。したがって、ｐ−ＢＤまでの時間を測定もしくは推定することが、デバイス評価のために重要となる。そこで、本願明細書においては、ｐ−ＢＤが発生する現象、およびｐ−ＢＤを経ることなく完全絶縁破壊する現象を含めて絶縁破壊と呼ぶこととし、それまでの時間をゲート酸化膜の寿命と定義し用いることとする。
【００４６】
図３は、図１のＭＯＳキャパシタのゲート電極３に負の一定電圧（−６Ｖ）を印加した場合における、ゲート電流量の時間変化を示している。この試料については、ストレス電圧（−６Ｖ）の印加開始から４１０秒後にｐ−ＢＤが発生し、Ｂ−ＳＩＬＣが流れ始めている。ストレス電圧が印加された状態でのゲート電流量はストレス印加時間の経過とともに連続的に増大しているが、その変化は、４１０秒間に０．８２３μＡから０．８８９μＡへと僅か８％程度の増加に過ぎない。この変化の割合（変化率）は、酸化膜厚が薄くなるほど、より小さくなることが知られている。したがって、ストレス印加電圧と同じレベルの電圧がゲート電極に印加されているときのゲート電流の時間変化をモニタするだけでは、絶縁破壊の発生を予見することは非常に困難である。前述したように、従来の絶縁膜信頼性評価は、このようなゲート電流量をモニターするため、実際に絶縁破壊が発生するまでストレスの印加を続けることが必要となり、非常に長い測定時間を要している。
【００４７】
測定時間を短縮するためにストレス条件を厳しく、すなわち、評価用電圧の絶対値をより大きくするか、もしくはストレス印加時の温度を高くする、などの方法が用いられている。これは電界もしくは温度加速試験と呼ばれている。この方法によれば、デバイスの実使用条件下におけるゲート酸化膜寿命を推定するためには、ゲート酸化膜寿命が電界もしくは温度によってどのように変化するかを知ることが必要になる。そのモデルとしていくつか存在するが、未だにどのモデルが正しいのか明確になっていないのが現状である。また電界もしくは温度加速試験により求めた寿命をデバイスの実使用条件（電界、温度）まで外挿することによって実使用条件下におけるゲート酸化膜寿命を求めるため、正確な寿命推定を行うためには、より低電界・低温度で試験を行うことが求められる。
【００４８】
以上のように、試験時間を短縮すると推定寿命の精度が低下するため、精度を上げるためには試験時間が非常に長くなってしまう原因となっている。
【００４９】
図４は、厚さ４．３ｎｍのシリコン酸化膜を有するＭＯＳキャパシタについて定電圧ストレス印加を行ったときの電流−電圧特性の時間変化を示している。ストレス印加は、ＭＯＳキャパシタのゲート電極側に負一定電圧（−６Ｖ）を印加することによって行った。ストレス印加前にはカーブ１で示される特性を示していたが、ストレス印加時間の増加とともに、ゲート電圧が−２Ｖから−５Ｖ程度までの領域におけるゲート電流、すなわちＡ−ＳＩＬＣが連続的に増大し、ｐ−ＢＤの直前にはカーブ２で示される特性を示している。ゲート電圧が−４Ｖのときのゲート電流量（Ａ−ＳＩＬＣ）は、２けた以上変化している。
【００５０】
図５は、ストレス印加時間と、ゲート電圧が−４Ｖのときのゲート電流量（Ａ−ＳＩＬＣ）との関係を示している。図５のグラフの縦軸は、上記ＭＯＳキャパシタのゲート電極に−４Ｖの電圧を印加したときのＡモードＳＩＬＣ電流量を示し、横軸はストレス印加時間を示している。図５に示されるように、ゲート電圧が−４Ｖのときのゲート電流量（Ａ−ＳＩＬＣ）は、ストレス印加時間に対して、ｌｏｇ−ｌｏｇスケールにおける直線関係にある。
【００５１】
図６は、異なるストレス条件下での、ＡモードＳＩＬＣ電流量（ゲート電圧−４Ｖ）の時間変化を示している。図６のグラフ中においては、絶縁破壊の発生時間およびそのときのＡ−ＳＩＬＣ電流量を逆三角形のマーク（▼）で示している。ストレス電界の大きさに応じて、直線の位置が変化しているが、直線の傾きは変化していない。さらに、絶縁破壊までのストレス印加時間は電界強度に応じて変化しているが、絶縁破壊時のＡ−ＳＩＬＣ電流量は概略一定である。
【００５２】
図７は、異なる作製プロセスにより形成した膜厚３．８ｎｍの３種類のシリコン酸化膜（試料１〜３）についての、ＡモードＳＩＬＣ電流量（ゲート電圧−４Ｖ）の時間変化を示している。ストレス印加は、ゲート電極に−６Ｖの定電圧を印加することによって行った。試料１〜３の作成プロセスの相違点は、ゲート酸化膜の形成プロセスの差にある。具体的には、酸化炉中にシリコン基板（シリコンウェハ）を挿入する際の炉の温度と酸化工程中の炉内雰囲気の組み合わせが異なっている。試料１の炉挿入時温度は８００℃、酸化雰囲気は酸素（ドライ酸化）であり、試料２の炉挿入時温度は７００℃、酸化雰囲気は水蒸気（パイロ酸化）であり、試料３の炉挿入時温度は５００℃、酸化雰囲気は水蒸気（パイロ酸化）である。なお、酸化温度は、各試料に共通で８００℃である。図７のグラフ中においても、絶縁破壊の発生時間およびそのときのＡ−ＳＩＬＣ電流量を逆三角形のマーク（▼）で示している。作製プロセスの違いに応じて、直線の位置が変化しているが、直線の傾きは変化していない。さらに、絶縁破壊までのストレス印加時間は試料毎に異なるが、絶縁破壊時のＡ−ＳＩＬＣ電流量はほぼ一定である。
【００５３】
実際の個々の試料における絶縁破壊寿命には多少のばらつきが存在するため、個々の試料における絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量にもばらつきが存在する。
【００５４】
本願発明者は、上記絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量がストレス条件（ストレス電圧およびストレス電流の大きさ）やプロセス条件にほとんど依存しないことに着目し、その現象を利用して絶縁膜の寿命推定を行う方法に想到した。具体的には、複数の試料について、絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量を実際に測定し、測定値を統計的に処理することによって、絶縁膜寿命推定に最適な「絶縁破壊しきい値」を決定する。この「しきい値」を決定する際に測定値のばらつきを考慮することによって、従来例のように多数の試料の寿命を実際に測定することなく、統計的に信用できる寿命値を得ることが可能になる。
【００５５】
このように本願発明では、上述した極薄絶縁膜の破壊メカニズムに関する研究成果を基礎とすることにより、測定結果の信頼性を低下させることなく、測定に要する時間および試料数を抑制できる絶縁膜評価方法および装置を提供するこができる。
【００５６】
以下、図面を参照しながら、本発明による絶縁膜評価方法の実施形態を説明する。
【００５７】
（第１の実施形態）
図８のフローチャートを参照する。
【００５８】
本実施形態の絶縁膜信頼性評価方法（定電圧ストレス法）においては、まず、ステップＳ１で、判定電圧Ｖ_mと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定し、ステップＳ２で、評価用電圧Ｖ₀を設定する。ここで、「判定電圧Ｖ_m」は、Ａ−ＳＩＬＣ電流量を測定するためにゲート電極に印加する電圧であり、例えば、−４Ｖである。「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」としては、試料の絶縁膜と同じ種類・同じ膜厚の絶縁膜について絶縁破壊が生じるときに、その絶縁膜を流れるＡモードＳＩＬＣ電流量が用いられ得る。なお、本願明細書で用いる「絶縁破壊が生じるとき」という言葉は、単調・連続的に増加するＡ−ＳＩＬＣ電流量を有限の時間間隔をおいて測定し、測定値が突然に大きく増加した場合において、そのような電流量の大きな増加が実際に測定された時の直前の測定時（電流量が単調・連続的な増加を示している状態の最後の測定時）を意味するものとする。また、このような絶縁破壊が生じるときに絶縁膜を流れるＡモードＳＩＬＣ電流量を、本願明細書では、「絶縁破壊しきい値」と称する場合がある。「絶縁破壊しきい値」は、本実施形態の絶縁膜評価方法を実施する前に、前もって、後述する方法によって決定されたものである。「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」としては、「絶縁破壊しきい値」の代わりに、「絶縁破壊しきい値」に比較的に近い値を用いても良い。例えば、絶縁破壊しきい値の９０％ないしは１１０％の値を「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」として用いても良い。「評価用電圧Ｖ₀」は、ストレス印加工程で絶縁膜に印加する電圧であり、例えば、−６Ｖである。なお、ステップＳ１およびステップＳ２は、その順序を交換しても良いことは言うまでもない。
【００５９】
ステップＳ１およびＳ２の後、ステップＳ３で、絶縁膜に評価用電圧Ｖ₀を供給し、ストレス印加工程を開始する。そして、評価用電圧Ｖ₀の供給状態をｔ₁秒間保持したのち（ステップＳ４）、ステップＳ５で、電圧Ｖ_mにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定し、ステップＳ６でＩ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上になったかどうかの判定を行う。
【００６０】
ステップＳ６において、Ｉ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上になっていないと判定された場合には、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４〜ステップＳ６の操作を繰り返す。
【００６１】
ステップＳ６において、Ｉ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上になっていると判定された場合には、ステップＳ７で評価用電圧Ｖ₀供給開始から要した所要時間をｔ_BDとして記録する。この時間ｔ_BDは、評価対象絶縁膜の寿命に相当している。なぜなら、ストレスの印加時間の経過にともなって増加するＩ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上になったときに、統計的に有意な確率で絶縁膜の絶縁破壊が生じるからである。
【００６２】
このような測定を、１つの試料（１つのＭＯＳキャパシタ内のゲート絶縁膜）に対して１度だけ実施することにより、測定対象絶縁膜と同一種類・同一膜厚の絶縁膜を有する複数の試料全体について、そのｔ_BD値を得ることができる。ここでいう「複数の試料」は、上記測定対象となった絶縁膜が形成されたシリコンウェハ内の他の場所に形成された他の絶縁膜を含む。この「他の絶縁膜」は、測定対象絶縁膜を含むチップとは別のチップ内に含まれていてもよい。また、測定対象絶縁膜が形成されたシリコンウェハが経験してきた製造プロセスと実質的に同一の製造プロセスを経験してきた他のシリコンウェハ内に含まれる絶縁膜も上記「複数の試料」に含まれ得る。上記測定は、ある試料（絶縁膜）について、現実に絶縁破壊（ｐ−ＢＤ）が生じるか、または、絶縁破壊が生じると判断し得るレベル程度のＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aが測定されるまでストレス印加を続けている。しかし、他の複数の試料については、そのような測定を実行する必要がない。
【００６３】
次に、「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」または「絶縁破壊しきい値」の決定方法を説明する。
【００６４】
上記測定方法とほぼ同様にして、ＭＯＳキャパシタ内のゲート絶縁膜にストレスを印加し、ゲート電流量を測定する（モニタする）。そして、実際にゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでストレス印加を継続して行う。ゲート電流の不連続的な増加が観測された場合、観測時点直前の測定時（電流量が単調・連続的な増加を示している状態の最後の測定時）点でのゲート電流量を、絶縁破壊時点の「ＡモードＳＩＬＣ電流量」として記録する。言い換えると、「絶縁膜が絶縁破壊するとき」のＡモードＳＩＬＣ電流量の値を記録する。この作業を複数の試料について実行する。試料の数としては、例えば、２０〜１００個が適当である。
【００６５】
こうして、複数の試料（複数の絶縁膜）について、「絶縁破壊が生じるとき」の「ＡモードＳＩＬＣ電流量」の測定値を得ることができる。これを統計的に処理することによって、「絶縁破壊しきい値」を決定することができる。
【００６６】
図９は、複数の試料について測定された「絶縁膜が絶縁破壊するとき」の「ＡモードＳＩＬＣ電流量」の値と累積不良率との関係を示している。図９のグラフは、一枚のシリコンウェハ内に同時形成された１７個のＭＯＳキャパシタについて、そのゲート絶縁膜の絶縁破壊を行うことによって得た測定値をワイブルプロットしたものである。測定は、複数の異なるストレス電界を絶縁膜に与えて行った。
【００６７】
図９において、「５０％しきい値」と表記されている値は、統計的に全体の５０％の試料（絶縁膜）について絶縁破壊が生じるＡモードＳＩＬＣ電流量である。たとえば、この「５０％しきい値」を「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」として用いることができる。その場合、図８のフローチャートに示す方法を一回だけ実行することにより、絶縁膜の５０％絶縁破壊寿命ｔ_BD（またはｔ₅₀）が求められる。
【００６８】
なお、図９において、「１％しきい値」および「９９％しきい値」と表記される値は、それぞれ、統計的に全体の１％の試料（絶縁膜）について絶縁破壊が生じるＡモードＳＩＬＣ電流量、および、統計的に全体の９９％の試料（絶縁膜）について絶縁破壊が生じるＡモードＳＩＬＣ電流量である。
【００６９】
このように統計的処理によって図９に示す関係を得れば、所望の累積不良率に対するＡモードＳＩＬＣ電流しきい値を「絶縁破壊しきい値」として決定し、絶縁膜の寿命の測定・推定に用いることができる。
【００７０】
この「絶縁破壊しきい値」は、絶縁膜の面積やストレス印加時の温度によって変化することがわかっている。「絶縁破壊しきい値」と絶縁膜の面積との関係や、「絶縁破壊しきい値」とストレス印加時の温度と関係が求まれば、絶縁膜の面積やストレス印加時の温度に応じて「絶縁破壊しきい値」を補正して使用しても良い。
【００７１】
このように本実施形態によれば、ストレス印加にともなうＡ−ＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの時間変化をモニタすることによって、より短時間に精度の高い酸化膜寿命の測定を行なうことが可能となる。なお、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mの絶対値以上になったかどうかにより前述の「判定」を行う代わりに、ある一定のＡモードＳＩＬＣ電流量が流れるために必要なゲート電圧値を用いることによっても判定することが可能である。これは、ある一定のＡモードＳＩＬＣ電流が絶縁膜を流れる際に、その絶縁膜に印加される電圧（ゲート電圧）の値が、ストレス印加時間の経過によって単調・連続的に減少し、絶縁破壊（ｐ−ＢＤ）が生じたときに、大きく不連続的に減少するからである。絶縁破壊が生じたときに絶縁膜に印加されるべき電圧の値にも「しきい値」があり、そのしきい値もストレス条件や製造プロセス条件によらず、ほぼ一定である。
【００７２】
（第２の実施形態）
図１０のフローチャートを参照する。
【００７３】
本実施形態の絶縁膜信頼性評価方法（定電流ストレス法）においては、まず、ステップＳ１１で判定電圧Ｖ_mと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定し、ステップＳ１２で評価用電流量Ｉ₀を設定する。ここで、「判定電圧Ｖ_m」および「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」は、第１の実施形態について説明したとおりである。「評価用電流量Ｉ₀」は、定電流ストレス印加工程において、測定対象の絶縁膜に与えるストレス電流である。
【００７４】
次に、ステップＳ１３で絶縁膜に評価用電流（Ｉ₀）を供給する。そして、ステップＳ１４で評価用電流（Ｉ₀）の供給状態をｔ₁秒間保持したのち、ステップＳ１５で判定電圧Ｖ_mにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定し、ステップＳ１６でＩ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上になったかどうかの判定を行う。
【００７５】
ステップＳ１６で、Ｉ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上になっていないと判定された場合には、ステップＳ１４に戻り、ステップＳ１４〜ステップＳ１６の操作を繰り返す。
【００７６】
ステップＳ１６で、Ｉ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上になっていると判定された場合には、ステップＳ１７で評価用電流量Ｉ₀の供給開始から要した所要時間をｔ_BDとして記録し、ステップＳ１８でｔ_BDから絶縁破壊までの総注入電荷量Ｑ_BDを算出する。ここで、Ｑ_BDは、ｔ_BDと評価用電流Ｉ₀の積を面積Ｓで割った値として定義される。
【００７７】
本実施形態では、絶縁膜に定電圧ストレスを印加する代わりに、定電流ストレスを印加している点で前述の実施形態と異なっている。しかし、本実施形態によっても、基本的には同様の方法で絶縁膜の寿命ｔ_BDが求められる。従って、第１の実施形態について説明した理由と同様の理由から、上記測定を１度だけ実施すれば、その試料を含む試料全体におけるｔ_BD値を得ることが可能である。また、本実施形態の場合は、絶縁破壊までの総注入電荷量Ｑ_BDが簡単に算出され得る。
【００７８】
以上のように本実施形態によれば、ストレス印加にともなうＡ−ＳＩＬＣ電流量の時間変化をモニタすることによってより短時間に精度の高いゲート酸化膜寿命推定を行なうことが可能となる。
【００７９】
なお、本実施形態においても、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mの絶対値以上になったかどうかにより判定する代わりに、ある一定のＡモードＳＩＬＣ電流量が流れるために必要なゲート電圧値を用いることによっても判定することが可能である。
【００８０】
（第３の実施形態）
図１１のフローチャートを参照する。以下に述べる本実施形態によれば、絶縁膜の寿命を簡単に推定することができる。
【００８１】
本実施形態では、まず、ステップＳ２１で、判定電圧Ｖ_mと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定し、ステップＳ２２で、評価用ストレス印加条件およびストレス印加時間ｔ_totalを設定する。「評価用ストレス印加条件」は、例えば、第１の実施形態で採用した定電圧ストレス、第２の実施形態で採用した定電流ストレスなどの条件である。ストレスは、室温から昇温した加速試験状態で印加してもよい。
【００８２】
次に、ステップＳ２２で設定したストレス条件のもと、ステップＳ２３で絶縁膜に対するストレス試験を実施する。絶縁膜へのストレス印加開始後、ストレス印加時間ｔ_totalが経過したとき、ストレス試験を終了する。ストレス試験終了後、ステップＳ２４で、ストレス試験中に記録しておいた各ストレス印加時間ｔにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aをｌｏｇ−ｌｏｇスケールでストレス印加時間ｔに対してプロットする。ステップＳ２５で、このプロットにｌｏｇ−ｌｏｇスケール上で直線を当てはめる。そして、ステップＳ２６で、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mの絶対値よりも大きくなっている場合には、判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mに到達するまでの時間をｔ_BDとする。また、大きくなっていない場合には直線を長時間側へ外挿し、判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mに到達するまでの時間をｔ_BDとする。
【００８３】
次に、図１２を参照しながら、ステップＳ２３のストレス試験の具体的な手順を説明する。
【００８４】
まず、ステップＳ３１で、指定されたストレス印加条件のもとでストレスを絶縁膜に印加する。この状態をｔ₁秒間保持したのち（ステップＳ３２）、ステップＳ３４で指定電圧Ｖ_m（例えば、−４Ｖ）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定し、ステップＳ３５でＩ_Aおよび時間ｔを記録する。ストレス試験開始からの経過時間が指定のストレス印加時間ｔ_total以上になった場合には（ステップＳ３６）、ストレス印加を終了し、ストレス試験を終了する。ステップＳ３６で、ストレス試験開始からの経過時間が指定のストレス印加時間ｔ_total以上になっていない場合には、ステップＳ３２に戻り、ステップＳ３２、ステップＳ３４、ステップＳ３５、ステップＳ３６の操作を繰り返す。ｔ₁は、例えば、０．１〜１０秒であり、ストレス印加時間ｔ_totalは、例えば、１０〜１００００秒である。
【００８５】
本実施形態では、測定対象試料について、絶縁膜の絶縁破壊に至るまでストレスを印加する必要はない。ストレス印加時間ｔ_totalとして、前述した絶縁膜の寿命ｔ_BDに比較して充分に短い時間を設定してもよい。本実施形態では、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aおよびストレス印加時間ｔが、図６および図７に示されるように、ｌｏｇ−ｌｏｇスケールで直線的な関係を持つことに着目して、絶縁膜の寿命を推定している。これは、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aが「絶縁破壊しきい値」以上になったときに絶縁破壊が生じること、および、その「しきい値」がストレス電圧の大きさや試料作製のプロセス条件にほとんど依存しないという事実の発見に基づいている。
【００８６】
第１の実施形態について説明した理由と同様の理由によって、上記測定を１度だけ実施すれば、その試料全体におけるｔ_BD値を得ることが可能である。
【００８７】
なお、本実施形態において、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aをプロットする代わりに、ある一定のＡモードＳＩＬＣ電流量が流れるために必要なゲート電圧値を用いることによっても可能である。
【００８８】
以上のように本実施形態によれば、より短時間に精度の高いゲート酸化膜寿命推定を行なうことが可能となる。本実施形態は実際に絶縁膜が絶縁破壊するまでストレス試験を継続する必要がないため、試験時間を短縮することが可能であるという点で、第１の実施形態と比べて優れている。
【００８９】
本実施形態では、ストレス試験開始からの経過時間が指定のストレス印加時間ｔ_total以上になったときにストレス試験を終了するが、こうする代わりに、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aがあらかじめ指定した電流量Ｉ_AA以上になったときにストレス試験を終了するようにしてもよい。図１３および図１４は、そのような方法の手順を示しており、図１１および図１２のステップＳ２２およびステップＳ３６が、それぞれ、ステップＳ２２’およびステップＳ３６’に入れ替わっている。図１３および図１４に示す方法は、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aとストレス時間との間に図１５に示されるような関係がある場合に特に効果的である。なぜなら、ストレス印加時間ｔ_totalの設定が短すぎると、絶縁膜の劣化に伴ってＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの実質的な増加が観察される前にストレス試験が終了してしまうおそれがあるからである。なお、絶縁膜に印加する電気的ストレスが比較的に小さい場合に、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aは図１５に示すような変化を示す可能性がある。
【００９０】
（第４の実施形態）
図１６のフローチャートを参照する。
【００９１】
まず、ステップＳ４１で、判定電圧Ｖ_mと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定する。次に、ステップＳ４２で評価用ストレス印加条件およびストレス印加時間ｔ_totalを設定する。ステップＳ４２で設定したストレス条件で絶縁膜に対してストレス試験を実施する（ステップＳ４３）。ストレス試験終了後、ステップＳ４４で、ストレス試験中に記録しておいた各ストレス印加時間ｔにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを以下の式（２）または式（３）に代入し、フィッティングを実行する。
【００９２】
Ｉ_A＝ａ×ｔ^b 式（２）
ｌｏｇ（Ｉ_A）＝ｌｏｇ（ａ）＋ｂ・ｌｏｇ（ｔ）式（３）
ここで、Ｉ_AはＡモードＳＩＬＣ電流量電流量、ｔはストレス時間、ａおよびｂはフィッティングパラメータである。
【００９３】
フィッティングの実行により、パラメータａおよびｂの値が決定される。次に、ステップＳ４４で求めたａおよびｂの値を式（２）に代入し、Ｉ_Aが既定値（判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m）になるときのストレス時間ｔを算出すれば、ｔ_BDが得られる（ステップＳ４５）。
【００９４】
なお、ステップＳ４３のストレス試験の具体的な手順は、図１１のフローに示した手順と同様で良い。
【００９５】
本実施形態によっても、第１の実施形態において説明した理由と同様の理由によって上記測定を１度だけ実施すれば、その試料全体におけるｔ_BD値を得ることが可能である。なお、本実施形態において、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを用いる代わりに、ある一定のＡモードＳＩＬＣ電流量が流れるために必要なゲート電圧値を用いることによっても可能である。
【００９６】
また、第３の実施形態について説明したように、ストレス試験開始からの経過時間が指定のストレス印加時間ｔ_total以上になったときにストレス試験を終了する代わりに、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aがあらかじめ指定した電流量Ｉ_AA以上になったときにストレス試験を終了するようにしてもよい。
【００９７】
以上のように本実施形態によれば、より短時間に精度の高いゲート酸化膜寿命推定を行なうことが可能となる。本実施形態は実際に絶縁膜が絶縁破壊するまでストレス試験を継続する必要がないため、試験時間を短縮することが可能であるという点で、第１の実施形態と比べて優れており、また、数式化することによりフィッティングパラメータａおよびｂの値を定量化することが可能となり、ａおよびｂの値をチェックすることによって、測定および寿命推定が妥当であるかどうか知ることができる。この点で本実施形態は第３の実施形態に比べて優れている。
【００９８】
なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aとの関係が、本実施形態で用いた式以外の式を用いてフィッティングする方がより好ましいフィッティングを達成できる場合は、適宜、前述の式（２）または式（３）を他の式と交換するか、補正することが好ましい。図６や図７のグラフでは、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aと関係が直線的であるが、前述したように、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aが比較的に小さい領域と大きい領域との間で直線の傾きが異なることもあり得る。従って、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aとの関係は、図６や図７に示されるような関係に限定されるわけではない。
【００９９】
（絶縁膜評価装置）
以下に、図１７を参照しながら、本発明の絶縁膜評価方法の実施のために用いる絶縁膜評価装置を説明する。
【０１００】
図示されている絶縁膜評価装置は、試料１０を保持するサンプルホルダ２０と、サンプルホルダ２０上に置かれた試料１０に電気的に接触するプローブ（探針）２１と、プローブ２１を介して試料１０に電気的ストレスの印加と電流・電圧の測定を実行するための測定部２２と、得られたデータを解析するための解析部２６とを備えている。
【０１０１】
試料１０は、シリコン基板１１と、基板１１上に形成されたゲート酸化膜１２と、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極１３とを有している。この試料１０を保持するホルダ２０は、ストレス印加工程中に試料１０を加熱することができるようにヒータを備えている。ホルダ２０は、試料１０のシリコン基板１１に電気的に接触するとともに、接地されている。
【０１０２】
測定部２２は、電圧印加部２３と、電流測定部２４と、記録部２５とを備えており、電圧印加部２３は、ストレス印加工程では、試料１０に評価用電圧Ｖ₀（ストレス電圧：例えば−６Ｖ）を印加し、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定する工程では、試料１０に判定電圧Ｖ_m（例えば、−４Ｖ）を印加する。電流測定部２４は、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定する工程において、試料１０に判定電圧Ｖ_mが例印加されたときに絶縁膜１２を流れる電流を測定する。測定されたＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aは、測定時刻（ストレス時間ｔ）に関連づけられて記録部２５に記録される。定電流ストレスを印加する場合には、不図示の定電流供給部から定電流が試料に供給される。
【０１０３】
第４の実施形態の方法を実施する場合には、記録部２５に記録されたデータに対して、解析部２６の演算器で前述のフィッティングが実行され、フィッティングパラメータａおよびｂが求められるともに、既定値（判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m）が与えられていると、ｔ_BDが算出される。
【０１０４】
なお、上記各実施形態では、判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mまたは絶縁破壊しきい値がストレス条件やプロセス条件によらず一定であるとして、絶縁膜寿命の推定を行っているが、絶縁膜破壊しきい値は、ストレス印加時の温度に応じて変化することがわかっている。このため、前記絶縁破壊しきい値をストレス印加時の温度の関数として表現するようにしてもよい。
【０１０５】
また、本発明は、絶縁膜の寿命・信頼性の観点から最適なプロセスを選択する方法にも適用できる。図７に示されるように、同一の絶縁膜についても、その絶縁膜が経験したプロセス条件が異なる場合、ストレス時間とＡモードＳＩＬＣ電流量との関係が大きく変化する。図７のグラフからは、試料３が経験したプロセス条件が他の試料が経験したプロセス条件に比較して最も好ましく、絶縁膜の寿命を長くするものであることがわかる。プロセス条件の異なる試料に対して、ストレス時間が例えばｔ_x秒におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を測定し、その測定値を比較することによって、絶縁膜の信頼性向上にとって最適なプロセス条件を選択することが可能である。
【０１０６】
【発明の効果】
このように本発明の絶縁膜評価方法によれば、絶縁膜にストレスを印加するストレス印加工程と、Ａモードストレス誘起リーク電流量をモニタし、絶縁膜の絶縁破壊が生じるときのＡモードストレス誘起リーク電流量の値を測定する工程と、を包含することによって、絶縁破壊時点でのＡモードストレス誘起リーク電流量を知ることができる。
【０１０７】
本発明の他の絶縁膜評価装置によれば、複数の試料について、絶縁膜の絶縁破壊が生じるときのＡモードストレス誘起リーク電流量の値を測定する工程と、測定された複数の値を統計的に処理することによって、Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値を決定するしきい値決定工程とを包含することにより、絶縁膜の寿命推定に用いることのできる有用なしきい値または判定値を求めることが可能になる。
【０１０８】
本発明の更に他の絶縁膜評価装置によれば、Ａモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程と、Ａモードストレス誘起リーク電流量の測定値とＡモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値との関係に基づいて、絶縁膜の寿命を推定する寿命推定工程とを包含することにより、実際に絶縁破壊が生じるまでストレス印加を継続しなくても、絶縁膜の寿命を知ることが可能になる。
【０１０９】
このように、本発明によれば、測定結果の信頼性を低下させることなく、測定に要する時間および試料数を抑制することが可能となるため、より短時間に精度の高い酸化膜の寿命推定を行なうことできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の絶縁膜評価方法に用いる試料の構造の一例を示した断面図である。
【図２】極薄シリコン酸化膜における２つのモードのストレス誘起リーク電流の電流−電圧特性を示したグラフである。
【図３】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜にゲート電圧−６Ｖの定電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧−６Ｖにおけるゲート電流量の時間変化を示したグラフである。
【図４】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜にゲート電圧−６Ｖの定電圧ストレス印加を行ったときの電流−電圧特性の時間変化を示したグラフである。
【図５】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜にゲート電圧−６Ｖの定電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧−４ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示したグラフである。
【図６】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜に種々の大きさの定電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧−４ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示したグラフである。
【図７】種々の作製プロセスにより形成した膜厚３．８ｎｍの３種類のシリコン酸化膜にゲート電圧−６Ｖの定電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧−４ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示したグラフである。
【図８】本発明による絶縁膜評価方法の第１の実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図９】絶縁破壊時点のＡモードＳＩＬＣ電流量の複数の測定値から絶縁破壊しきい値を決定する方法を説明する図である。
【図１０】本発明による絶縁膜評価方法の第２の実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図１１】本発明による絶縁膜評価方法の第３の実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図１２】本発明による絶縁膜評価方法で行うストレス試験の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１３】本発明による絶縁膜評価方法の第３の実施形態の改変された手順を示すフローチャートである。
【図１４】本発明による絶縁膜評価方法で行うストレス試験の改変された手順の一例を示すフローチャートである。
【図１５】シリコン酸化膜に比較的に小さなストレス印加を行ったときのゲート電圧−４ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示したグラフである。
【図１６】本発明による絶縁膜評価方法の第４の実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図１７】本発明による絶縁膜評価装置の構成例を示す模式的なブロック図である。
【図１８】従来の絶縁膜信頼性評価方法の手順を示すフローチャートである。
【図１９】従来の他の絶縁膜信頼性評価方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１シリコン基板
２ゲート絶縁膜
３ゲート電極
４絶縁性サイドウォール
５絶縁膜評価装置
１０試料
１１シリコン基板
１２ゲート絶縁膜
１３ゲート電極
２０試料ホルダ
２１プローブ
２２測定部
２３電圧印加部
２４電流測定
２５記録部
２６解析部

Claims

複数の絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして第１の電圧を所定時間印加する工程（ａ）と、
前記各絶縁膜試料に対して第２の電圧を印加して前記各絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｂ）と、
前記各絶縁膜試料に対して前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とを繰り返し行い、当該繰り返し期間において前記各絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量をモニタリングする工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）のモニタリング結果から、前記各絶縁膜試料に絶縁破壊が生じるときのＡモードストレス誘起リーク電流量を求める工程（ｄ）と、
前記工程（ｄ）で求めた前記各絶縁膜試料のＡモードストレス誘起リーク電流量を統計的に処理することによって、Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値を決定する工程（ｅ）とを備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項１に記載の絶縁膜評価方法において、
前記工程（ｅ）は、前記工程（ｄ）で求めた前記各絶縁膜試料のＡモードストレス誘起リーク電流量と、前記各絶縁膜試料のうち所定の時間までに絶縁破壊した試料の個数の割合を示す累積不良率との関係を統計的処理によって求め、所定の累積不良率となるときのＡモードストレス誘起リーク電流量を前記絶縁破壊しきい値とする工程を含むことを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項１に記載の絶縁膜評価方法において、
少なくとも１つの測定対象絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして第１の電圧を所定時間印加する工程（ｆ１）と、
前記測定対象絶縁膜試料に対して第２の電圧を印加して前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｆ２）と、
前記工程（ｆ２）で測定された前記測定対象絶縁膜試料のＡモードストレス誘起リーク電流量と、前記絶縁破壊しきい値との大きさを比較する工程（ｆ３）と、
前記工程（ｆ２）で測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量が前記絶縁破壊しきい値よりも小さいと前記工程（ｆ３）において判定された場合には前記工程（ｆ１）、前記工程（ｆ２）及び前記工程（ｆ３）を繰り返し行い、前記工程（ｆ２）で測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量が前記絶縁破壊しきい値以上であると前記工程（ｆ３）において判定された場合には前記工程（ｆ１）で前記第１の電圧を印加した通算時間を求める工程（ｆ４）とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項１に記載の絶縁膜評価方法において、
少なくとも１つの測定対象絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして第１の電圧を第１の所定時間印加する工程（ｇ１）と、
前記測定対象絶縁膜試料に対して第２の電圧を印加して前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｇ２）と、
前記第１の電圧の累積ストレス印加時間が第２の所定時間に達するまで、前記工程（ｇ１）と前記工程（ｇ２）とを繰り返し行う工程（ｇ３）と、
前記工程（ｇ３）で得られた複数のＡモードストレス誘起リーク電流量と、当該各Ａモードストレス誘起リーク電流量と対応する前記累積ストレス印加時間との相関関係を、統計的処理によって直線近似する工程（ｇ４）と、
前記直線上又はその延長線上において前記絶縁破壊しきい値と対応する前記累積ストレス印加時間を求める工程（ｇ５）とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項１に記載の絶縁膜評価方法において、
少なくとも１つの測定対象絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして第１の電圧を所定時間印加する工程（ｈ１）と、
前記測定対象絶縁膜試料に対して第２の電圧を印加して前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｈ２）と、
前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量が所定の電流量に達するまで、前記工程（ｈ１）と前記工程（ｈ２）とを繰り返し行う工程（ｈ３）と、
前記工程（ｈ３）で得られた複数のＡモードストレス誘起リーク電流量と、当該各Ａモードストレス誘起リーク電流量と対応する前記第１の電圧の累積ストレス印加時間との相関関係を、統計的処理によって直線近似する工程（ｈ４）と、
前記直線上又はその延長線上において前記絶縁破壊しきい値と対応する前記累積ストレス印加時間を求める工程（ｈ５）とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
複数の絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして所定の電流量を所定時間印加する工程（ａ）と、
前記各絶縁膜試料に対して所定の電圧を印加して前記各絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｂ）と、
前記各絶縁膜試料に対して前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）とを繰り返し行い、当該繰り返し期間において前記各絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量をモニタリングする工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）のモニタリング結果から、前記各絶縁膜試料に絶縁破壊が生じるときのＡモードストレス誘起リーク電流量を求める工程（ｄ）と、
前記工程（ｄ）で求めた前記各絶縁膜試料のＡモードストレス誘起リーク電流量を統計的に処理することによって、Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値を決定する工程（ｅ）とを備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項６に記載の絶縁膜評価方法において、
少なくとも１つの測定対象絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして所定の電流量を所定時間印加する工程（ｆ１）と、
前記測定対象絶縁膜試料に対して所定の電圧を印加して前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｆ２）と、
前記工程（ｆ２）で測定された前記測定対象絶縁膜試料のＡモードストレス誘起リーク電流量と、前記絶縁破壊しきい値との大きさを比較する工程（ｆ３）と、
前記工程（ｆ２）で測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量が前記絶縁破壊しきい値よりも小さいと前記工程（ｆ３）において判定された場合には前記工程（ｆ１）、前記工程（ｆ２）及び前記工程（ｆ３）を繰り返し行い、前記工程（ｆ２）で測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量が前記絶縁破壊しきい値以上であると前記工程（ｆ３）において判定された場合には前記工程（ｆ１）で前記所定の電流量を印加した通算時間を求める工程（ｆ４）とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項７に記載の絶縁膜評価方法において、
前記所定の電流量と前記通算時間とを用いて、前記測定対象絶縁膜試料における絶縁破壊までの総注入電荷量を算出する工程（ｆ５）をさらに備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項６に記載の絶縁膜評価方法において、
少なくとも１つの測定対象絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして所定の電流量を第１の所定時間印加する工程（ｇ１）と、
前記測定対象絶縁膜試料に対して所定の電圧を印加して前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｇ２）と、
前記所定の電流量の累積ストレス印加時間が第２の所定時間に達するまで、前記工程（ｇ１）と前記工程（ｇ２）とを繰り返し行う工程（ｇ３）と、
前記工程（ｇ３）で得られた複数のＡモードストレス誘起リーク電流量と、当該各Ａモードストレス誘起リーク電流量と対応する前記累積ストレス印加時間との相関関係を、統計的処理によって直線近似する工程（ｇ４）と、
前記直線上又はその延長線上において前記絶縁破壊しきい値と対応する前記累積ストレス印加時間を求める工程（ｇ５）とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。
請求項６に記載の絶縁膜評価方法において、
少なくとも１つの測定対象絶縁膜試料に対して電気的ストレスとして第１の電流量を所定時間印加する工程（ｈ１）と、
前記測定対象絶縁膜試料に対して所定の電圧を印加して前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程（ｈ２）と、
前記測定対象絶縁膜試料を流れるＡモードストレス誘起リーク電流量が第２の電流量に達するまで、前記工程（ｈ１）と前記工程（ｈ２）とを繰り返し行う工程（ｈ３）と、
前記工程（ｈ３）で得られた複数のＡモードストレス誘起リーク電流量と、当該各Ａモードストレス誘起リーク電流量と対応する前記第１の電流量の累積ストレス印加時間との相関関係を、統計的処理によって直線近似する工程（ｈ４）と、
前記直線上又はその延長線上において前記絶縁破壊しきい値と対応する前記累積ストレス印加時間を求める工程（ｈ５）とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜評価方法。