JP3859357B2 - 絶縁膜評価方法 - Google Patents
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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３２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ｔBD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ｔBD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ｔBD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、ｔBD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３３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ｔBDをおよび絶縁破壊までの総注入電荷量ＱBDを算出する（ステップＳ６８）。絶縁破壊時間ｔBD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、ＱBDはｔBD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（Ｎ1/2）／Ｎ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】
本発明の第１の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用電圧を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用電圧を所定時間印加する第３ステップと、第３ステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第４ステップと、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上かどうかを判定する第５ステップと、第５ステップにおいて、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値よりも小さい場合は第３ステップ〜第５ステップを繰り返し、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間を求めて、評価対象の絶縁膜の評価用電圧における寿命とする第６ステップとを包含する。
【００２３】
本発明の第２の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用電流量を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用電流を所定時間印加する第３ステップと、第３ステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第４ステップと、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上かどうかを判定する第５ステップと、第５ステップにおいて、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値よりも小さい場合は第３ステップ〜第５ステップを繰り返し、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間を求める第６ステップと、第６ステップで求めた第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間をもとに評価対象の絶縁膜の絶縁破壊までの総注入電荷量を算出する第７ステップとを包含する。
【００２４】
本発明の第１又は第２の絶縁膜評価方法において、第１ステップの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の決定方法は、評価対象の絶縁膜と同じ種類及び同じ膜厚の複数の絶縁膜に対してそれぞれストレスを印加してＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第１サブステップと、複数の絶縁膜のそれぞれにおいて、Ａモードストレス誘起リーク電流量に不連続な増加が観測される直前の測定におけるＡモードストレス誘起リーク電流量、またはＡモードストレス誘起リーク電流量が単調・連続的に増加する際の増加を表す直線または曲線をＡモードストレス誘起リーク電流量に不連続な増加が観測される直前まで外挿して決定されるＡモードストレス誘起リーク電流量を、絶縁膜が絶縁破壊する時のＡモードストレス誘起リーク電流量として求める第２サブステップと、第２サブステップで得られた、複数の絶縁膜が絶縁破壊する時の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で、評価対象の絶縁膜の絶縁破壊しきい値となる判定Ａモードストレス誘起リーク電流量を決定する第３サブステップとを包含する。
【００２５】
本発明の第３の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用ストレス印加条件および全ストレス印加時間を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件に基づくストレス試験および判定電圧を印加してのＡモードストレス誘起リーク電流量測定を、全ストレス印加時間を経過するまで繰り返し実施する第３ステップと、第３ステップの後、ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間と当該ストレス印加時間におけるＡモードストレス誘起リーク電流量との関係をｌｏｇ−ｌｏｇスケールでプロットする第４ステップと、第４ステップで得られたプロットをｌｏｇ−ｌｏｇスケールで直線近似する第５ステップと、第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が最終的に判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は、第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に到達するまでのストレス印加時間を求めて、評価対象の絶縁膜の寿命とし、第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が最終的に判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に満たない場合は、第５ステップで求めた直線を長時間側に外挿して判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に到達するまでのストレス印加時間を求めて、評価対象の絶縁膜の寿命とする第６ステップとを包含する。
【００２６】
本発明の第４の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用ストレス印加条件および全ストレス印加時間を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件に基づくストレス試験および判定電圧を印加してのＡモードストレス誘起リーク電流量測定を、全ストレス印加時間を経過するまで繰り返し実施する第３ステップと、第３ステップの後、ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（Ｉ Ａ ）を関係式Ｉ Ａ ＝ａ×ｔ ｂ に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ、ｂを決定する第４ステップと、第４ステップで決定したフィッティングパラメータａ、ｂを関係式Ｉ Ａ ＝ａ×ｔ ｂ に代入して、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量になるまでのストレス印加時間を求めて、評価対象の絶縁膜の寿命とする第５ステップとを包含する。
【００２７】
本発明の第３又は第４の絶縁膜評価方法において、第２ステップにおいて全ストレス印加時間を設定する代わりに、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量があらかじめ指定した電流量以上になったときにストレス試験を終了するとした指定電流量を設定し、第３ステップにおいてストレス試験を、全ストレス印加時間を経過するまで実施する代わりに、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量以上になるまで実施する。
【００２８】
本発明の第３又は第４の絶縁膜評価方法において、第３ステップのストレス試験は、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件を所定時間印加する第１サブステップと、第１サブステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第２サブステップと、第２サブステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量およびストレス印加時間を記録する第３サブステップと、第３サブステップにおいてストレス試験開始からのストレス印加時間の経過時間が、全ストレス印加時間以上になったかどうかを判定する第４サブステップと、第４サブステップにおいて、ストレス印加時間の経過時間が全ストレス印加時間に到達しない場合は第１サブステップ〜第４サブステップを繰り返し、ストレス印加時間の経過時間が全ストレス印加時間以上になった場合はストレス試験を終了する第５サブステップとを包含する。
【００２９】
本発明の第３又は第４の絶縁膜評価方法において、第３ステップのストレス試験は、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件を所定時間印加する第１サブステップと、第１サブステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第２サブステップと、第２サブステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量およびストレス印加時間を記録する第３サブステップと、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量以上になったかどうかを判定する第４サブステップと、第４サブステップにおいて、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量に到達しない場合は第１サブステップ〜第４サブステップを繰り返し、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量以上になった場合はストレス試験を終了する第５サブステップとを包含する。
【００３０】
本発明の第５の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する第１評価用ストレス印加条件（第１評価用ストレス印加電界および第１全ストレス印加時間）と第２評価用ストレス印加条件（第１評価用ストレス印加電界とは異なる第２評価用ストレス印加電界および第２全ストレス印加時間）を設定する第２ステップと、第１の評価対象の絶縁膜に、第１評価用ストレス印加条件に基づく第１ストレス試験を、第１全ストレス印加時間を経過するまで実施すると共に、第１の評価対象の絶縁膜と同じ種類及び同じ膜厚の第２の評価対象の絶縁膜に、第２評価用ストレス印加条件に基づく第２ストレス試験を、第２全ストレス印加時間を経過するまで実施する第３ステップと、第３ステップの後、第１ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ １ ′）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（Ｉ Ａ１ ）を関係式Ｉ Ａ１ ＝ａ １ ×ｔ ｂ１ に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ １ 、ｂ １ を決定すると共に、第２ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ ２ ′）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（Ｉ Ａ２ ）を関係式Ｉ Ａ２ ＝ａ ２ ×ｔ ｂ２ に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ ２ 、ｂ ２ を決定する第４ステップと、第４ステップで決定したフィッティングパラメータａ １ 、ｂ １ を関係式Ｉ Ａ１ ＝ａ １ ×ｔ ｂ１ に代入して、第１の評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量になるまでのストレス印加時間を求めて、第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ １ ）とする第５ステップと、第４、第５ステップで決定したフィッティングパラメータａ １ 、ａ ２ および第５ステップで求めた第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ １ ）を関係式ｔ ２ ＝（ａ １ ／ａ ２ ）×ｔ １ に代入して第２の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ ２ ）を求める第６ステップとを包合する。
【００３１】
本発明の第５の絶縁膜評価方法において、第６ステップにおいて関係式ｔ ２ ＝（ａ １ ／ａ ２ ）Ｘｔ １ を用いる代わりに、第４、第５ステップで決定したフィッティングパラメータａ １ 、ａ ２ および第５ステップで求めた第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ １ ）を関係式ｔ ２ ＝（ａ １ ／ａ ２ ） ｃ／ｂ ×ｔ １ （ｃは定数、ｂ＝（ｂ １ ＋ｂ ２ ）／２）に代入して第２の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ ２ ）を求める。
【００３５】
【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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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に電気的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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（第１の実施形態）
図８のフローチャートを参照する。
【００５５】
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Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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Ｖm」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Ｉm」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のＡモードＳＩＬＣ電流量」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）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を意味するものとする。また、ストレス電圧を実質的に連続に印加している間に絶縁膜を流れる電流を計測し、その電流が急に増加した時を特定し、それまでに不連続的に計測してきたＡモードＳＩＬＣ電流量の変化を示す直線（または曲線）を前記特定した時まで延長（外挿）することによって、その特定した時におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を「絶縁破壊が生じるときのＡモードＳＩＬＣ電流量」としてもよい。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Ｉm」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Ｉm」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。
【００５６】
なお、ゲート電流量（ＩG）の中に、ＡモードＳＩＬＣ電流量以外の電流（直接トンネル電流やＦＮ電流）の成分（ＩG0）が無視できない割合で存在する場合は、これらの電流量（ＩG0）をゲート電流量（ＩG）から引いた残りの電流量をＡモードＳＩＬＣ電流量として用いても良い。
【００５７】
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ＶmにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定し、ステップＳ６でＩAの絶対値がＩmの絶対値以上になったかどうかの判定を行う。なお、評価用電圧Ｖ0の供給状態を保持する時間は、一定間隔である必要はなく、ｌｏｇスケールで増加させていってもよい。
【００５８】
ステップＳ６において、ＩAの絶対値がＩm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。
【００５９】
ステップＳ６において、ＩAの絶対値がＩm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ｔBDとして記録する。この時間ｔBD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ＩAの絶対値がＩm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。
【００６０】
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ｔBD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ＩAが測定されるまでストレス印加を続けている。
【００６１】
次に、「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm」または「絶縁破壊しきい値」の決定方法を説明する。
【００６２】
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、または、電流量の単調・連続的な増加を表現する直線（または曲線）を電流の不連続な増加時点の直前にまで外挿して決定したゲート電流量を、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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Ｉm」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ｔBD（またはｔ50）が求められる。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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ＩA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ＩAの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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。絶縁破壊が生じるときに前記ゲート電圧値にも「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。
【００７０】
（第２の実施形態）
図１０のフローチャートを参照する。
【００７１】
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Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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Ｖm」および「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm」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。
【００７２】
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ＶmにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定し、ステップＳ１６でＩAの絶対値がＩmの絶対値以上になったかどうかの判定を行う。
【００７３】
ステップＳ１６で、ＩAの絶対値がＩm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。
【００７４】
ステップＳ１６で、ＩAの絶対値がＩm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ｔBDとして記録し、ステップＳ１８でｔBDから絶縁破壊までの総注入電荷量ＱBDを算出する。ここで、ＱBDは、ｔBD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。
【００７５】
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ｔBD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ｔBD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ＱBDが簡単に算出され得る。
【００７６】
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。
【００７７】
なお、本実施形態においても、ＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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。
【００７８】
（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。
【００７９】
本実施形態では、まず、ステップＳ２１で、判定電圧Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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ｔtotal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。
【００８０】
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ｔtotal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ＩA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ＩAの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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Ｉmに到達するまでの時間をｔBD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Ｉmに到達するまでの時間をｔBDとする。
【００８１】
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。
【００８２】
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Ｖm（例えば、−４Ｖ）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定し、ステップＳ３５でＩA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ｔtotal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ｔtotal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ｔtotalは、例えば、１０〜１００００秒である。
【００８３】
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ｔtotalとして、前述した絶縁膜の寿命ｔBD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ＩA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ＩA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に基づいている。
【００８４】
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ｔBD値を得ることが可能である。
【００８５】
なお、本実施形態において、ＡモードＳＩＬＣ電流量ＩA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。
【００８６】
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。
【００８７】
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ｔtotal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ＩAがあらかじめ指定した電流量ＩAA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ＩA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ｔtotal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ＩA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ＩAは図１５に示すような変化を示す可能性がある。
【００８８】
（第４の実施形態）
図１６のフローチャートを参照する。
【００８９】
まず、ステップＳ４１で、判定電圧Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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ｔtotal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ＩA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。
【００９０】
ＩA＝ ａ×ｔb 式（２）
ｌｏｇ（ＩA）＝ｌｏｇ（ａ） ＋ ｂ・ｌｏｇ（ｔ） 式（３）
ここで、ＩA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。
【００９１】
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、ＩAが既定値（判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm）になるときのストレス時間ｔを算出すれば、ｔBDが得られる（ステップＳ４５）。
【００９２】
なお、ステップＳ４３のストレス試験の具体的な手順は、図１１のストレス試験と同じように（図１２または図１４のフローにされている）行えばよい。
【００９３】
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ｔBD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ＩA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。
【００９４】
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ｔtotal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ＩAがあらかじめ指定した電流量ＩAA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。
【００９５】
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。
【００９６】
なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量ＩA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ＩA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ＩA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ＩA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。
【００９７】
（第５の実施形態：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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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ＩAを測定する工程では、試料１０に判定電圧Ｖm（例えば、−４Ｖ）を印加する。電流測定部２４は、ＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定する工程において、試料１０に判定電圧Ｖmが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ＩA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。
【０１０１】
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Ｉm）が与えられていると、ｔBDが算出される。
【０１０２】
なお、上記各実施形態では、判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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。
【０１０３】
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ｔx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。
【０１０４】
上記実施形態では、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っている。しかし、ストレス電圧が変化すると、絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量も変化する場合があることが発明者の実験によって明らかになっている。以下、絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量とストレス電圧との間の関係を導きだし、その関係に基づいて、寿命を推定する方法（酸化膜寿命の電界依存性評価方法）を説明する。
【０１０５】
（第６の実施形態）
以下、本発明による絶縁膜評価方法の他の実施形態を説明する。
【０１０６】
まず、酸化膜寿命の電界依存性を調べるための２つの異なるストレス電界を決定する。例えば、第１のストレス電界として−６ボルト、第２のストレス電界として−５．５ボルトを選択することが可能である。次に、決定した２つのストレス電界の各々において、ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を特定するａ値およびｂ値を測定する。この測定方法の一例を、図１８のフローチャートを参照しながら説明する。
【０１０７】
まず、ステップ７１で、判定電圧Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉmとを設定する。次に、ステップ７２で、評価用ストレス印加条件およびストレス印加時間ｔtotalを設定する。
【０１０８】
その後、ステップ７２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７３）。ストレス試験終了後、ステップ７４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ＩAを前記式（２）または式（３）に代入し、フィッティングを実行する。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。
【０１０９】
以上のようにして得られる２つのストレス電界におけるａ値およびｂ値を用いることにより、２つの異なるストレス電界における寿命ｔの関係は以下のように表される。
【０１１０】
ｔ2＝ （ａ1／ａ2）×ｔ1 式（４）
ここで、ａ1およびｔ1は、それぞれ、第１のストレス電界におけるａ値および寿命であり、ａ2およびｔ2は、それぞれ、第２のストレス電界におけるａ値および寿命である。
【０１１１】
次に、寿命が式（４）によって表現される理由を説明する。
【０１１２】
図１９は、膜厚４.５ｎｍ、ゲート面積０.０１ｍｍ2のシリコン酸化膜に８.３ＭＶ／ｃｍから１２.４ＭＶ／ｃｍまでの種々のストレス電界を印加したときのＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をｌｏｇ-ｌｏｇスケールでプロットしたグラフである。このグラフのデータに式（４）をフィッティングすることによって各ストレス電界におけるａおよびｂ値が得られる。図２０は、このａおよびｂ値の電界依存性をプロットしたグラフを示している。図２０からわかるように、図１９の各直線のｙ軸切片に相当するａ値は電界に依存し、電界が低くなるほど減少している。また、上記直線の傾きに相当するｂ値は電界に依存せず、約０.５３で一定である。
【０１１３】
図２１は、ａ値および実測により求めた酸化膜寿命を、ストレス電界に対してプロットしたグラフである。ａ値はストレス印加の結果生成された酸化膜欠陥に起因して流れるＡモードＳＩＬＣ電流量を反映するパラメータであるため、ａ値が大きいほど劣化速度が大きいことを示している。これに対して寿命が長いほど劣化速度が遅いことを示しており、劣化速度を反映するのは寿命の逆数であると考えられる。図２１では、寿命の代わりに寿命の逆数をプロットしている。図２１において、「ａ値」および「寿命の逆数」は、ともに、ストレス電界の低下とともに減少している。それら電界依存性（傾き）は同じである。これは、ａ値の電界依存性から酸化膜寿命の電界依存性を求めることが可能であることを示しており、式（４）を裏付けるものである。
【０１１４】
式（４）を用いることにより、種々のストレス電界において実際に絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存性を知ることが可能となる。さらに、たとえば第１のストレス電界における寿命ｔ1が既知であれば、第２のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、第２のストレス電界における寿命を得ることが可能となる。
【０１１５】
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るので、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。
【０１１６】
なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAとの関係が、本実施形態の説明に用いた式以外の式を用いてフィッティングすることができる場合は、適宜、前述の式（２）または式（３）を他の式と交換するか、これらの式を補正して使用してもよい。
【０１１７】
このようにして酸化膜寿命の電界依存性が得られると、ある電界のもとでの酸化膜寿命を求めるだけで、他の電界での酸化膜寿命を高い精度で推定することができる。ある電界のもとでの酸化膜寿命を得る方法としては、本願明細書に開示している実施形態の方法だけではなく、従来の寿命測定方法を用いても良い。
【０１１８】
（第７の実施形態）
次に、本発明による酸化膜寿命の電界依存性評価方法の他の実施形態を説明する。
【０１１９】
まず、第６の実施形態と同様にして、寿命の電界依存性を調べる２つの異なるストレス電界を決定する。次に、両ストレス電界において、ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を観測し、その時間変化を特徴づけるａ値およびｂ値を測定する。その測定方法としては、第６の実施形態について説明した方法を用いることができる。
【０１２０】
以上のようにして得られた２つのストレス電界におけるａ値およびｂ値を用いることにより、２つのストレス電界における寿命ｔの関係を以下のように表現する。
【０１２１】
ｔ2＝ （ａ1／ａ2）c/b×ｔ1 式（５）
ここで、ａ1およびｔ１は第１のストレス電界におけるａ値および寿命を、ａ2およびｔ2は第２のストレス電界におけるａ値および寿命を、ｃは定数を、ｂは両ストレス電界におけるｂ値の平均値（＝（ｂ1＋ｂ2）／２）を示している。
【０１２２】
次に、寿命ｔ2が式（５）により表現できる理由を説明する。
【０１２３】
図２２は、膜厚３.５ｎｍ、ゲート面積０.１２２５ｍｍ2のシリコン酸化膜に０から６Ｖのゲート電圧を印加したときに測定されるゲート電流の変化を示している。ゲート酸化膜が薄くなると、Ｆ−Ｎトンネル伝導機構から直接トンネル伝導機構へと伝導機構が変化するため、初期の段階から大きなゲート電流が流れる。図２２において、ゲート電圧の絶対値が約４Ｖ未満の領域では直接トンネル伝導機構が、約４Ｖ以上の領域ではＦ−Ｎトンネル伝導機構が支配的である。直接トンネル伝導機構が支配的になるような膜厚・電圧領域においては、ＡモードＳＩＬＣの時間的変化は、図２３に示すように小さい。そのため、ＡモードＳＩＬＣ電流量の増大を観測することが困難になる。さらにどのゲート電圧（読み取りゲート電圧）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量をプロットするかにより、ＡモードＳＩＬＣの変化量およびｂ値が変化する。図２４は、ストレス電界として１０.４、１１.１および１１.４ＭＶ／ｃｍを用いた場合のＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示している。これらの各ストレス電界のもとで、 読み取りゲート電圧を１.０、 １.５および３.０Ｖとした場合のＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化に基づいて推定した寿命を図２５に示す。この寿命推定は、第６の実施形態について説明した方法を用いて行った。図２５のグラフには、実測により求めた酸化膜絶縁破壊寿命をも示している。図２５から、ＡモードＳＩＬＣ電流量を測定するときに印加するゲート電圧（読み取りゲート電圧）によって推定寿命が変化していることがわかる。この原因は、ｂ値が、図２６に示すように、読み取り電圧に
よって変化しているためであると考えられる。
【０１２４】
図１９や図２４のグラフ上のデータに関して、ある任意のレベルにあるＡモードＳＩＬＣ電流量に到達する時間を各ストレス電界について求めた後、その到達点を通過する直線をｂ値が０．５であると仮定したうえでグラフ上に表現し、それによって、式（４）のフィッティングを行ってもよい。そうすることによって、ａ値を求め、第６の実施形態について述べた方法で寿命推定を行うことができる。その推定した寿命を図２７に示す。
【０１２５】
このような処理を行うことにより、読み取りゲート電圧には関係なくほぼ同じ推定寿命が得られ、さらにこの結果は実測した寿命の比とも良く一致している。そこで、ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化に式（４）を当てはめ、得られたａ値およびｂ値を補正することと等価な処理として、式（５）に示した換算をおこなうことが有効である。ｃ値として０.４から０.６まで変化させたときの推定寿命の誤差をプロットしたグラフを図２８に示す。ここで誤差は各ストレス電界および読み取り電圧における推定寿命比と実際の寿命比との際の自乗平方根で定義した。ｃ値が０.５３５程度で誤差は最小となり、その前後では誤差が大きくなっている。この最適値自体は膜種、膜質、膜厚、面積等によって変化する可能性がある。
【０１２６】
以上のように、任意の読み取りゲート電圧におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を測定した後、第６の実施形態について説明した方法によってａ値およびｂ値を求め、これを式（５）に適用することによって、読み取りゲート電圧の影響を補正することが可能である。この方法を用いることにより、第６の実施形態の特徴である、種々のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存性を得ることが可能になる。また、たとえば第１のストレス電界における寿命ｔ1が既知であれば、第２のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、第２のストレス電界における寿命を得ることが可能となる。さらに本実施形態によれば、ＡモードＳＩＬＣ電流量の変化がもっとも大きく、測定精度の得られるような任意の読み取りゲート電圧を選ぶことが可能である。
【０１２７】
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。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るため、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。
【０１２８】
なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量ＩA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。
【０１２９】
なお、図２９はゲート電圧−３ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をプロットしたグラフである。図中矢印で示した時間に絶縁破壊が発生しているが、ストレス印加前と絶縁破壊直前とにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の変化は１．６倍に過ぎない。図２９のプロットに対して、寿命推定を行うために直線のフィッティングを行うことは困難であり、第６の実施形態における寿命推定を行うことは困難である。また、これを行ったときの推定寿命の信頼性は低いものとなってしまう。そこで、前述の図２３においてゲート電流変化のもっとも大きくなるゲート電圧でのＡモードＳＩＬＣ電流量をプロットすることが必要となる。図２３においては約１Ｖから１．５Ｖまでのゲート電圧領域におけるゲート電流変化がもっとも大きい。このため、このゲート電圧領域中に任意のゲート電圧を読み取りゲート電圧として採用することが好ましい。なお、ストレス印加時間がゼロ秒のときの初期ゲート電流（ＩG0）が、図２９に示すように相対的に大きいときは、その後のゲート電流ＩGから初期ゲート電流ＩG0を引いた値をＡモードＳＩＬＣ電流量とすることが好ましい場合がある。
【０１３０】
次に、図３０を参照しながら、２つの異なるストレス電界における寿命ｔの関係を作図によって求める方法を説明する。
【０１３１】
まず、任意のある値を示すＡモードＳＩＬＣ電流量ＩXに対応する水平直線を例えば図１９のグラフまたはそれと同様なｌｏｇ−ｌｏｇスケールのグラフ上に引く。更に、任意に選択した２種類のストレス電圧（第１および第２各ストレス電圧）でのデータ直線と上記水平直線との交点ＰおよびＱを求める。交点ＰおよびＱからグラフ横軸（時間軸）に対して垂線を引き、垂線と時間軸との交点を求める。第１および第２ストレス電圧のもとで測定したデータ直線に対して、上記垂線と時間軸との交点は、それぞれ、時間ｔq1およびｔq2に対応する。
【０１３２】
このとき、以下の関係が近似的に成り立つ。
【０１３３】
ＩX＝ ａ1×（ｔq1）b＝ ａ2×（ｔq2）b 式（６）
ここで、ｂはｂ1およびｂ2の平均値であり、ｂ1およびｂ2は何れもｂにほぼ等しいとする。
【０１３４】
式（６）から次式が求められる。
（ａ1／ａ2）1/b＝ ｔq2／ｔq1 式（７）
式（７）の関係に基づいて式（５）を変形すると、式（８）が得られる。
【０１３５】
従って、上記作図法によってｔq1およびｔq2を求めれば、寿命ｔ1およびｔ2の関係を簡単に決定することが可能である。
【０１３６】
次に、図３１を参照しながら、他の作図方法を説明する。
【０１３７】
まず、２種類のストレス電界に対応するデータ直線と水平直線（ＩA＝ＩX）と交点Ｐ’およびＱ’の各々から、今度は「傾きｃの直線」を引き、その直線と任意の時間ｔXとの二つの交点を求める。傾きｃの大きさとしては０．４から０．６までの範囲に含まれる値を選択することが好ましい。これらの交点に対応するＡモードＳＩＬＣ電流量を、それぞれ、Ｉq1およびＩq2とする。
【０１３８】
このとき、傾きｃの直線は以下の式で表現できる。
【０１３９】
ＩA＝ ａ1'×ｔc 式（９）
ＩA＝ ａ2'×ｔc 式（１０）
ここで、ａ1'およびａ2'は、傾きｃの直線の各ｙ切片である。
【０１４０】
電流Ｉq1およびＩq2は、時間ｔXを用いて、次のように表現される。
【０１４１】
Ｉq1＝ ａ1'×（ｔX）c 式（１１）
Ｉq2＝ ａ2'×（ｔX）c 式（１２）
式（１１）および式（１２）から次式が得られる。
【０１４２】
a1'／ａ2'＝ Ｉq1／Ｉq2 式（１３）
一方、式（９）および式（１０）を用いて、次の関係を得ることができる。
【０１４３】
ＩX＝ ａ2'×（ｔq2）c＝ ａ1'×（ｔq1）c 式（１４）
式（１４）から、次式が成立する。
【０１４４】
（ｔq2／ｔq1）c＝ａ1'／ａ2' 式（１５）
式（１５）の関係に基づいて、式（８）を変形すると、次式を得ることができる。
【０１４５】
ｔ2＝ （ａ1'／ａ2'）×ｔ1 式（１６）
式（１３）の関係を用いて式（１６）を変形すると、次式を得ることができる。
【０１４６】
ｔ2＝ （Ｉq1／Ｉq2）×ｔ1 式（１７）
従って、上記作図法によってＩq1およびＩq2を求めれば、寿命ｔ1およびｔ2の関係を簡単に決定することが可能である。
【０１４７】
【発明の効果】
本発明によれば、種々のストレス電界において実際に絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存性を知ることが可能となる。
【０１４８】
また、たとえば第１のストレス電界における寿命ｔ1が既知であれば、第２のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、第２のストレス電界における寿命ｔ2を得ることが可能となる。その結果、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。また、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。
【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】本発明による絶縁膜評価方法の第６の実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図１９】膜厚４.５ｎｍ、ゲート面積０.０１ｍｍ2のシリコン酸化膜に８.３ＭＶ／ｃｍから１２.４ＭＶ／ｃｍまでの種々のストレス電界を印加したときのＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をｌｏｇ-ｌｏｇスケールでプロットしたグラフである。
【図２０】図１９のデータにＩA＝ ａ×ｔbをフィッティングすることによって得たａおよびｂ値を示すグラフ。
【図２１】ａ値および実測により求めた酸化膜寿命を、ストレス電界に対してプロットしたグラフである。
【図２２】膜厚３.５ｎｍ、ゲート面積０.１２２５ｍｍ2のシリコン酸化膜に０から６Ｖのゲート電圧を印加したときに測定されるゲート電流の変化を示すグラフである。
【図２３】ゲート電流とゲート電圧との関係を示すグラフである。
【図２４】ストレス電界として１０.４、１１.２および１１.４ＭＶ／ｃｍを用いた場合のＡモードＳＩＬＣ電流量のストレス時間依存性を示すグラフである。
【図２５】各ストレス電界のもとで、 読み取りゲート電圧を１.０、 １.５および３.０Ｖとした場合のＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化に基づいて推定した寿命を示すグラフである。
【図２６】ｂ値のゲート電圧依存性を示すグラフである。
【図２７】１１．４Ｍ／ｃｍでの寿命に対する比とストレス電界との関係を示すグラフである。
【図２８】ｃ値として０.４から０.６まで変化させたときの推定寿命の誤差をプロットしたグラフである。
【図２９】ゲート電圧３ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をプロットしたグラフである。
【図３０】本発明の絶縁膜評価方法で使用できる作図方法の一例を説明するためのグラフである。
【図３１】本発明の絶縁膜評価方法で使用できる作図方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図３２】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３３】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
【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３２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ｔBD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ｔBD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ｔBD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、ｔBD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３３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ｔBDをおよび絶縁破壊までの総注入電荷量ＱBDを算出する（ステップＳ６８）。絶縁破壊時間ｔBD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、ＱBDはｔBD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（Ｎ1/2）／Ｎ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】
本発明の第１の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用電圧を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用電圧を所定時間印加する第３ステップと、第３ステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第４ステップと、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上かどうかを判定する第５ステップと、第５ステップにおいて、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値よりも小さい場合は第３ステップ〜第５ステップを繰り返し、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間を求めて、評価対象の絶縁膜の評価用電圧における寿命とする第６ステップとを包含する。
【００２３】
本発明の第２の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用電流量を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用電流を所定時間印加する第３ステップと、第３ステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第４ステップと、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上かどうかを判定する第５ステップと、第５ステップにおいて、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値よりも小さい場合は第３ステップ〜第５ステップを繰り返し、第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間を求める第６ステップと、第６ステップで求めた第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間をもとに評価対象の絶縁膜の絶縁破壊までの総注入電荷量を算出する第７ステップとを包含する。
【００２４】
本発明の第１又は第２の絶縁膜評価方法において、第１ステップの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の決定方法は、評価対象の絶縁膜と同じ種類及び同じ膜厚の複数の絶縁膜に対してそれぞれストレスを印加してＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第１サブステップと、複数の絶縁膜のそれぞれにおいて、Ａモードストレス誘起リーク電流量に不連続な増加が観測される直前の測定におけるＡモードストレス誘起リーク電流量、またはＡモードストレス誘起リーク電流量が単調・連続的に増加する際の増加を表す直線または曲線をＡモードストレス誘起リーク電流量に不連続な増加が観測される直前まで外挿して決定されるＡモードストレス誘起リーク電流量を、絶縁膜が絶縁破壊する時のＡモードストレス誘起リーク電流量として求める第２サブステップと、第２サブステップで得られた、複数の絶縁膜が絶縁破壊する時の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で、評価対象の絶縁膜の絶縁破壊しきい値となる判定Ａモードストレス誘起リーク電流量を決定する第３サブステップとを包含する。
【００２５】
本発明の第３の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用ストレス印加条件および全ストレス印加時間を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件に基づくストレス試験および判定電圧を印加してのＡモードストレス誘起リーク電流量測定を、全ストレス印加時間を経過するまで繰り返し実施する第３ステップと、第３ステップの後、ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間と当該ストレス印加時間におけるＡモードストレス誘起リーク電流量との関係をｌｏｇ−ｌｏｇスケールでプロットする第４ステップと、第４ステップで得られたプロットをｌｏｇ−ｌｏｇスケールで直線近似する第５ステップと、第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が最終的に判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は、第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に到達するまでのストレス印加時間を求めて、評価対象の絶縁膜の寿命とし、第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が最終的に判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に満たない場合は、第５ステップで求めた直線を長時間側に外挿して判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に到達するまでのストレス印加時間を求めて、評価対象の絶縁膜の寿命とする第６ステップとを包含する。
【００２６】
本発明の第４の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用ストレス印加条件および全ストレス印加時間を設定する第２ステップと、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件に基づくストレス試験および判定電圧を印加してのＡモードストレス誘起リーク電流量測定を、全ストレス印加時間を経過するまで繰り返し実施する第３ステップと、第３ステップの後、ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（Ｉ Ａ ）を関係式Ｉ Ａ ＝ａ×ｔ ｂ に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ、ｂを決定する第４ステップと、第４ステップで決定したフィッティングパラメータａ、ｂを関係式Ｉ Ａ ＝ａ×ｔ ｂ に代入して、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量になるまでのストレス印加時間を求めて、評価対象の絶縁膜の寿命とする第５ステップとを包含する。
【００２７】
本発明の第３又は第４の絶縁膜評価方法において、第２ステップにおいて全ストレス印加時間を設定する代わりに、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量があらかじめ指定した電流量以上になったときにストレス試験を終了するとした指定電流量を設定し、第３ステップにおいてストレス試験を、全ストレス印加時間を経過するまで実施する代わりに、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量以上になるまで実施する。
【００２８】
本発明の第３又は第４の絶縁膜評価方法において、第３ステップのストレス試験は、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件を所定時間印加する第１サブステップと、第１サブステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第２サブステップと、第２サブステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量およびストレス印加時間を記録する第３サブステップと、第３サブステップにおいてストレス試験開始からのストレス印加時間の経過時間が、全ストレス印加時間以上になったかどうかを判定する第４サブステップと、第４サブステップにおいて、ストレス印加時間の経過時間が全ストレス印加時間に到達しない場合は第１サブステップ〜第４サブステップを繰り返し、ストレス印加時間の経過時間が全ストレス印加時間以上になった場合はストレス試験を終了する第５サブステップとを包含する。
【００２９】
本発明の第３又は第４の絶縁膜評価方法において、第３ステップのストレス試験は、評価対象の絶縁膜に評価用ストレス印加条件を所定時間印加する第１サブステップと、第１サブステップの後、評価対象の絶縁膜に対して判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第２サブステップと、第２サブステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量およびストレス印加時間を記録する第３サブステップと、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量以上になったかどうかを判定する第４サブステップと、第４サブステップにおいて、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量に到達しない場合は第１サブステップ〜第４サブステップを繰り返し、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が指定電流量以上になった場合はストレス試験を終了する第５サブステップとを包含する。
【００３０】
本発明の第５の絶縁膜評価方法は、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する第１評価用ストレス印加条件（第１評価用ストレス印加電界および第１全ストレス印加時間）と第２評価用ストレス印加条件（第１評価用ストレス印加電界とは異なる第２評価用ストレス印加電界および第２全ストレス印加時間）を設定する第２ステップと、第１の評価対象の絶縁膜に、第１評価用ストレス印加条件に基づく第１ストレス試験を、第１全ストレス印加時間を経過するまで実施すると共に、第１の評価対象の絶縁膜と同じ種類及び同じ膜厚の第２の評価対象の絶縁膜に、第２評価用ストレス印加条件に基づく第２ストレス試験を、第２全ストレス印加時間を経過するまで実施する第３ステップと、第３ステップの後、第１ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ １ ′）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（Ｉ Ａ１ ）を関係式Ｉ Ａ１ ＝ａ １ ×ｔ ｂ１ に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ １ 、ｂ １ を決定すると共に、第２ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ ２ ′）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（Ｉ Ａ２ ）を関係式Ｉ Ａ２ ＝ａ ２ ×ｔ ｂ２ に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ ２ 、ｂ ２ を決定する第４ステップと、第４ステップで決定したフィッティングパラメータａ １ 、ｂ １ を関係式Ｉ Ａ１ ＝ａ １ ×ｔ ｂ１ に代入して、第１の評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が判定Ａモードストレス誘起リーク電流量になるまでのストレス印加時間を求めて、第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ １ ）とする第５ステップと、第４、第５ステップで決定したフィッティングパラメータａ １ 、ａ ２ および第５ステップで求めた第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ １ ）を関係式ｔ ２ ＝（ａ １ ／ａ ２ ）×ｔ １ に代入して第２の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ ２ ）を求める第６ステップとを包合する。
【００３１】
本発明の第５の絶縁膜評価方法において、第６ステップにおいて関係式ｔ ２ ＝（ａ １ ／ａ ２ ）Ｘｔ １ を用いる代わりに、第４、第５ステップで決定したフィッティングパラメータａ １ 、ａ ２ および第５ステップで求めた第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ １ ）を関係式ｔ ２ ＝（ａ １ ／ａ ２ ） ｃ／ｂ ×ｔ １ （ｃは定数、ｂ＝（ｂ １ ＋ｂ ２ ）／２）に代入して第２の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ ２ ）を求める。
【００３５】
【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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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に電気的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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（第１の実施形態）
図８のフローチャートを参照する。
【００５５】
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Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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Ｖm」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Ｉm」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のＡモードＳＩＬＣ電流量」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）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を意味するものとする。また、ストレス電圧を実質的に連続に印加している間に絶縁膜を流れる電流を計測し、その電流が急に増加した時を特定し、それまでに不連続的に計測してきたＡモードＳＩＬＣ電流量の変化を示す直線（または曲線）を前記特定した時まで延長（外挿）することによって、その特定した時におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を「絶縁破壊が生じるときのＡモードＳＩＬＣ電流量」としてもよい。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Ｉm」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Ｉm」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。
【００５６】
なお、ゲート電流量（ＩG）の中に、ＡモードＳＩＬＣ電流量以外の電流（直接トンネル電流やＦＮ電流）の成分（ＩG0）が無視できない割合で存在する場合は、これらの電流量（ＩG0）をゲート電流量（ＩG）から引いた残りの電流量をＡモードＳＩＬＣ電流量として用いても良い。
【００５７】
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ＶmにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定し、ステップＳ６でＩAの絶対値がＩmの絶対値以上になったかどうかの判定を行う。なお、評価用電圧Ｖ0の供給状態を保持する時間は、一定間隔である必要はなく、ｌｏｇスケールで増加させていってもよい。
【００５８】
ステップＳ６において、ＩAの絶対値がＩm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。
【００５９】
ステップＳ６において、ＩAの絶対値がＩm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ｔBDとして記録する。この時間ｔBD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ＩAの絶対値がＩm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。
【００６０】
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ｔBD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ＩAが測定されるまでストレス印加を続けている。
【００６１】
次に、「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm」または「絶縁破壊しきい値」の決定方法を説明する。
【００６２】
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、または、電流量の単調・連続的な増加を表現する直線（または曲線）を電流の不連続な増加時点の直前にまで外挿して決定したゲート電流量を、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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Ｉm」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ｔBD（またはｔ50）が求められる。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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ＩA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ＩAの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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。絶縁破壊が生じるときに前記ゲート電圧値にも「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。
【００７０】
（第２の実施形態）
図１０のフローチャートを参照する。
【００７１】
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Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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Ｖm」および「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm」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。
【００７２】
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ＶmにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定し、ステップＳ１６でＩAの絶対値がＩmの絶対値以上になったかどうかの判定を行う。
【００７３】
ステップＳ１６で、ＩAの絶対値がＩm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。
【００７４】
ステップＳ１６で、ＩAの絶対値がＩm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ｔBDとして記録し、ステップＳ１８でｔBDから絶縁破壊までの総注入電荷量ＱBDを算出する。ここで、ＱBDは、ｔBD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。
【００７５】
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ｔBD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ｔBD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ＱBDが簡単に算出され得る。
【００７６】
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。
【００７７】
なお、本実施形態においても、ＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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。
【００７８】
（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。
【００７９】
本実施形態では、まず、ステップＳ２１で、判定電圧Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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ｔtotal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。
【００８０】
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ｔtotal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ＩA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ＩAの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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Ｉmに到達するまでの時間をｔBD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Ｉmに到達するまでの時間をｔBDとする。
【００８１】
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。
【００８２】
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Ｖm（例えば、−４Ｖ）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定し、ステップＳ３５でＩA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ｔtotal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ｔtotal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ｔtotalは、例えば、１０〜１００００秒である。
【００８３】
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ｔtotalとして、前述した絶縁膜の寿命ｔBD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ＩA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ＩA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に基づいている。
【００８４】
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ｔBD値を得ることが可能である。
【００８５】
なお、本実施形態において、ＡモードＳＩＬＣ電流量ＩA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。
【００８６】
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。
【００８７】
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ｔtotal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ＩAがあらかじめ指定した電流量ＩAA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ＩA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ｔtotal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ＩA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ＩAは図１５に示すような変化を示す可能性がある。
【００８８】
（第４の実施形態）
図１６のフローチャートを参照する。
【００８９】
まず、ステップＳ４１で、判定電圧Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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ｔtotal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ＩA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。
【００９０】
ＩA＝ ａ×ｔb 式（２）
ｌｏｇ（ＩA）＝ｌｏｇ（ａ） ＋ ｂ・ｌｏｇ（ｔ） 式（３）
ここで、ＩA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。
【００９１】
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、ＩAが既定値（判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm）になるときのストレス時間ｔを算出すれば、ｔBDが得られる（ステップＳ４５）。
【００９２】
なお、ステップＳ４３のストレス試験の具体的な手順は、図１１のストレス試験と同じように（図１２または図１４のフローにされている）行えばよい。
【００９３】
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ｔBD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ＩA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。
【００９４】
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ｔtotal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ＩAがあらかじめ指定した電流量ＩAA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。
【００９５】
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。
【００９６】
なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量ＩA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ＩA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ＩA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ＩA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。
【００９７】
（第５の実施形態：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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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ＩAを測定する工程では、試料１０に判定電圧Ｖm（例えば、−４Ｖ）を印加する。電流測定部２４は、ＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAを測定する工程において、試料１０に判定電圧Ｖmが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ＩA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。
【０１０１】
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Ｉm）が与えられていると、ｔBDが算出される。
【０１０２】
なお、上記各実施形態では、判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉm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。
【０１０３】
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ｔx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。
【０１０４】
上記実施形態では、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っている。しかし、ストレス電圧が変化すると、絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量も変化する場合があることが発明者の実験によって明らかになっている。以下、絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量とストレス電圧との間の関係を導きだし、その関係に基づいて、寿命を推定する方法（酸化膜寿命の電界依存性評価方法）を説明する。
【０１０５】
（第６の実施形態）
以下、本発明による絶縁膜評価方法の他の実施形態を説明する。
【０１０６】
まず、酸化膜寿命の電界依存性を調べるための２つの異なるストレス電界を決定する。例えば、第１のストレス電界として−６ボルト、第２のストレス電界として−５．５ボルトを選択することが可能である。次に、決定した２つのストレス電界の各々において、ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を特定するａ値およびｂ値を測定する。この測定方法の一例を、図１８のフローチャートを参照しながら説明する。
【０１０７】
まず、ステップ７１で、判定電圧Ｖmと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉmとを設定する。次に、ステップ７２で、評価用ストレス印加条件およびストレス印加時間ｔtotalを設定する。
【０１０８】
その後、ステップ７２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７３）。ストレス試験終了後、ステップ７４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ＩAを前記式（２）または式（３）に代入し、フィッティングを実行する。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。
【０１０９】
以上のようにして得られる２つのストレス電界におけるａ値およびｂ値を用いることにより、２つの異なるストレス電界における寿命ｔの関係は以下のように表される。
【０１１０】
ｔ2＝ （ａ1／ａ2）×ｔ1 式（４）
ここで、ａ1およびｔ1は、それぞれ、第１のストレス電界におけるａ値および寿命であり、ａ2およびｔ2は、それぞれ、第２のストレス電界におけるａ値および寿命である。
【０１１１】
次に、寿命が式（４）によって表現される理由を説明する。
【０１１２】
図１９は、膜厚４.５ｎｍ、ゲート面積０.０１ｍｍ2のシリコン酸化膜に８.３ＭＶ／ｃｍから１２.４ＭＶ／ｃｍまでの種々のストレス電界を印加したときのＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をｌｏｇ-ｌｏｇスケールでプロットしたグラフである。このグラフのデータに式（４）をフィッティングすることによって各ストレス電界におけるａおよびｂ値が得られる。図２０は、このａおよびｂ値の電界依存性をプロットしたグラフを示している。図２０からわかるように、図１９の各直線のｙ軸切片に相当するａ値は電界に依存し、電界が低くなるほど減少している。また、上記直線の傾きに相当するｂ値は電界に依存せず、約０.５３で一定である。
【０１１３】
図２１は、ａ値および実測により求めた酸化膜寿命を、ストレス電界に対してプロットしたグラフである。ａ値はストレス印加の結果生成された酸化膜欠陥に起因して流れるＡモードＳＩＬＣ電流量を反映するパラメータであるため、ａ値が大きいほど劣化速度が大きいことを示している。これに対して寿命が長いほど劣化速度が遅いことを示しており、劣化速度を反映するのは寿命の逆数であると考えられる。図２１では、寿命の代わりに寿命の逆数をプロットしている。図２１において、「ａ値」および「寿命の逆数」は、ともに、ストレス電界の低下とともに減少している。それら電界依存性（傾き）は同じである。これは、ａ値の電界依存性から酸化膜寿命の電界依存性を求めることが可能であることを示しており、式（４）を裏付けるものである。
【０１１４】
式（４）を用いることにより、種々のストレス電界において実際に絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存性を知ることが可能となる。さらに、たとえば第１のストレス電界における寿命ｔ1が既知であれば、第２のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、第２のストレス電界における寿命を得ることが可能となる。
【０１１５】
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るので、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。
【０１１６】
なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量ＩAとの関係が、本実施形態の説明に用いた式以外の式を用いてフィッティングすることができる場合は、適宜、前述の式（２）または式（３）を他の式と交換するか、これらの式を補正して使用してもよい。
【０１１７】
このようにして酸化膜寿命の電界依存性が得られると、ある電界のもとでの酸化膜寿命を求めるだけで、他の電界での酸化膜寿命を高い精度で推定することができる。ある電界のもとでの酸化膜寿命を得る方法としては、本願明細書に開示している実施形態の方法だけではなく、従来の寿命測定方法を用いても良い。
【０１１８】
（第７の実施形態）
次に、本発明による酸化膜寿命の電界依存性評価方法の他の実施形態を説明する。
【０１１９】
まず、第６の実施形態と同様にして、寿命の電界依存性を調べる２つの異なるストレス電界を決定する。次に、両ストレス電界において、ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を観測し、その時間変化を特徴づけるａ値およびｂ値を測定する。その測定方法としては、第６の実施形態について説明した方法を用いることができる。
【０１２０】
以上のようにして得られた２つのストレス電界におけるａ値およびｂ値を用いることにより、２つのストレス電界における寿命ｔの関係を以下のように表現する。
【０１２１】
ｔ2＝ （ａ1／ａ2）c/b×ｔ1 式（５）
ここで、ａ1およびｔ１は第１のストレス電界におけるａ値および寿命を、ａ2およびｔ2は第２のストレス電界におけるａ値および寿命を、ｃは定数を、ｂは両ストレス電界におけるｂ値の平均値（＝（ｂ1＋ｂ2）／２）を示している。
【０１２２】
次に、寿命ｔ2が式（５）により表現できる理由を説明する。
【０１２３】
図２２は、膜厚３.５ｎｍ、ゲート面積０.１２２５ｍｍ2のシリコン酸化膜に０から６Ｖのゲート電圧を印加したときに測定されるゲート電流の変化を示している。ゲート酸化膜が薄くなると、Ｆ−Ｎトンネル伝導機構から直接トンネル伝導機構へと伝導機構が変化するため、初期の段階から大きなゲート電流が流れる。図２２において、ゲート電圧の絶対値が約４Ｖ未満の領域では直接トンネル伝導機構が、約４Ｖ以上の領域ではＦ−Ｎトンネル伝導機構が支配的である。直接トンネル伝導機構が支配的になるような膜厚・電圧領域においては、ＡモードＳＩＬＣの時間的変化は、図２３に示すように小さい。そのため、ＡモードＳＩＬＣ電流量の増大を観測することが困難になる。さらにどのゲート電圧（読み取りゲート電圧）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量をプロットするかにより、ＡモードＳＩＬＣの変化量およびｂ値が変化する。図２４は、ストレス電界として１０.４、１１.１および１１.４ＭＶ／ｃｍを用いた場合のＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示している。これらの各ストレス電界のもとで、 読み取りゲート電圧を１.０、 １.５および３.０Ｖとした場合のＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化に基づいて推定した寿命を図２５に示す。この寿命推定は、第６の実施形態について説明した方法を用いて行った。図２５のグラフには、実測により求めた酸化膜絶縁破壊寿命をも示している。図２５から、ＡモードＳＩＬＣ電流量を測定するときに印加するゲート電圧（読み取りゲート電圧）によって推定寿命が変化していることがわかる。この原因は、ｂ値が、図２６に示すように、読み取り電圧に
よって変化しているためであると考えられる。
【０１２４】
図１９や図２４のグラフ上のデータに関して、ある任意のレベルにあるＡモードＳＩＬＣ電流量に到達する時間を各ストレス電界について求めた後、その到達点を通過する直線をｂ値が０．５であると仮定したうえでグラフ上に表現し、それによって、式（４）のフィッティングを行ってもよい。そうすることによって、ａ値を求め、第６の実施形態について述べた方法で寿命推定を行うことができる。その推定した寿命を図２７に示す。
【０１２５】
このような処理を行うことにより、読み取りゲート電圧には関係なくほぼ同じ推定寿命が得られ、さらにこの結果は実測した寿命の比とも良く一致している。そこで、ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化に式（４）を当てはめ、得られたａ値およびｂ値を補正することと等価な処理として、式（５）に示した換算をおこなうことが有効である。ｃ値として０.４から０.６まで変化させたときの推定寿命の誤差をプロットしたグラフを図２８に示す。ここで誤差は各ストレス電界および読み取り電圧における推定寿命比と実際の寿命比との際の自乗平方根で定義した。ｃ値が０.５３５程度で誤差は最小となり、その前後では誤差が大きくなっている。この最適値自体は膜種、膜質、膜厚、面積等によって変化する可能性がある。
【０１２６】
以上のように、任意の読み取りゲート電圧におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を測定した後、第６の実施形態について説明した方法によってａ値およびｂ値を求め、これを式（５）に適用することによって、読み取りゲート電圧の影響を補正することが可能である。この方法を用いることにより、第６の実施形態の特徴である、種々のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存性を得ることが可能になる。また、たとえば第１のストレス電界における寿命ｔ1が既知であれば、第２のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、第２のストレス電界における寿命を得ることが可能となる。さらに本実施形態によれば、ＡモードＳＩＬＣ電流量の変化がもっとも大きく、測定精度の得られるような任意の読み取りゲート電圧を選ぶことが可能である。
【０１２７】
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。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るため、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。
【０１２８】
なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量ＩA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。
【０１２９】
なお、図２９はゲート電圧−３ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をプロットしたグラフである。図中矢印で示した時間に絶縁破壊が発生しているが、ストレス印加前と絶縁破壊直前とにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の変化は１．６倍に過ぎない。図２９のプロットに対して、寿命推定を行うために直線のフィッティングを行うことは困難であり、第６の実施形態における寿命推定を行うことは困難である。また、これを行ったときの推定寿命の信頼性は低いものとなってしまう。そこで、前述の図２３においてゲート電流変化のもっとも大きくなるゲート電圧でのＡモードＳＩＬＣ電流量をプロットすることが必要となる。図２３においては約１Ｖから１．５Ｖまでのゲート電圧領域におけるゲート電流変化がもっとも大きい。このため、このゲート電圧領域中に任意のゲート電圧を読み取りゲート電圧として採用することが好ましい。なお、ストレス印加時間がゼロ秒のときの初期ゲート電流（ＩG0）が、図２９に示すように相対的に大きいときは、その後のゲート電流ＩGから初期ゲート電流ＩG0を引いた値をＡモードＳＩＬＣ電流量とすることが好ましい場合がある。
【０１３０】
次に、図３０を参照しながら、２つの異なるストレス電界における寿命ｔの関係を作図によって求める方法を説明する。
【０１３１】
まず、任意のある値を示すＡモードＳＩＬＣ電流量ＩXに対応する水平直線を例えば図１９のグラフまたはそれと同様なｌｏｇ−ｌｏｇスケールのグラフ上に引く。更に、任意に選択した２種類のストレス電圧（第１および第２各ストレス電圧）でのデータ直線と上記水平直線との交点ＰおよびＱを求める。交点ＰおよびＱからグラフ横軸（時間軸）に対して垂線を引き、垂線と時間軸との交点を求める。第１および第２ストレス電圧のもとで測定したデータ直線に対して、上記垂線と時間軸との交点は、それぞれ、時間ｔq1およびｔq2に対応する。
【０１３２】
このとき、以下の関係が近似的に成り立つ。
【０１３３】
ＩX＝ ａ1×（ｔq1）b＝ ａ2×（ｔq2）b 式（６）
ここで、ｂはｂ1およびｂ2の平均値であり、ｂ1およびｂ2は何れもｂにほぼ等しいとする。
【０１３４】
式（６）から次式が求められる。
（ａ1／ａ2）1/b＝ ｔq2／ｔq1 式（７）
式（７）の関係に基づいて式（５）を変形すると、式（８）が得られる。
【０１３５】
【０１３６】
次に、図３１を参照しながら、他の作図方法を説明する。
【０１３７】
まず、２種類のストレス電界に対応するデータ直線と水平直線（ＩA＝ＩX）と交点Ｐ’およびＱ’の各々から、今度は「傾きｃの直線」を引き、その直線と任意の時間ｔXとの二つの交点を求める。傾きｃの大きさとしては０．４から０．６までの範囲に含まれる値を選択することが好ましい。これらの交点に対応するＡモードＳＩＬＣ電流量を、それぞれ、Ｉq1およびＩq2とする。
【０１３８】
このとき、傾きｃの直線は以下の式で表現できる。
【０１３９】
ＩA＝ ａ1'×ｔc 式（９）
ＩA＝ ａ2'×ｔc 式（１０）
ここで、ａ1'およびａ2'は、傾きｃの直線の各ｙ切片である。
【０１４０】
電流Ｉq1およびＩq2は、時間ｔXを用いて、次のように表現される。
【０１４１】
Ｉq1＝ ａ1'×（ｔX）c 式（１１）
Ｉq2＝ ａ2'×（ｔX）c 式（１２）
式（１１）および式（１２）から次式が得られる。
【０１４２】
a1'／ａ2'＝ Ｉq1／Ｉq2 式（１３）
一方、式（９）および式（１０）を用いて、次の関係を得ることができる。
【０１４３】
ＩX＝ ａ2'×（ｔq2）c＝ ａ1'×（ｔq1）c 式（１４）
式（１４）から、次式が成立する。
【０１４４】
（ｔq2／ｔq1）c＝ａ1'／ａ2' 式（１５）
式（１５）の関係に基づいて、式（８）を変形すると、次式を得ることができる。
【０１４５】
ｔ2＝ （ａ1'／ａ2'）×ｔ1 式（１６）
式（１３）の関係を用いて式（１６）を変形すると、次式を得ることができる。
【０１４６】
ｔ2＝ （Ｉq1／Ｉq2）×ｔ1 式（１７）
従って、上記作図法によってＩq1およびＩq2を求めれば、寿命ｔ1およびｔ2の関係を簡単に決定することが可能である。
【０１４７】
【発明の効果】
本発明によれば、種々のストレス電界において実際に絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存性を知ることが可能となる。
【０１４８】
また、たとえば第１のストレス電界における寿命ｔ1が既知であれば、第２のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することなく、第２のストレス電界における寿命ｔ2を得ることが可能となる。その結果、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。また、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。
【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】本発明による絶縁膜評価方法の第６の実施形態の手順を示すフローチャートである。
【図１９】膜厚４.５ｎｍ、ゲート面積０.０１ｍｍ2のシリコン酸化膜に８.３ＭＶ／ｃｍから１２.４ＭＶ／ｃｍまでの種々のストレス電界を印加したときのＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をｌｏｇ-ｌｏｇスケールでプロットしたグラフである。
【図２０】図１９のデータにＩA＝ ａ×ｔbをフィッティングすることによって得たａおよびｂ値を示すグラフ。
【図２１】ａ値および実測により求めた酸化膜寿命を、ストレス電界に対してプロットしたグラフである。
【図２２】膜厚３.５ｎｍ、ゲート面積０.１２２５ｍｍ2のシリコン酸化膜に０から６Ｖのゲート電圧を印加したときに測定されるゲート電流の変化を示すグラフである。
【図２３】ゲート電流とゲート電圧との関係を示すグラフである。
【図２４】ストレス電界として１０.４、１１.２および１１.４ＭＶ／ｃｍを用いた場合のＡモードＳＩＬＣ電流量のストレス時間依存性を示すグラフである。
【図２５】各ストレス電界のもとで、 読み取りゲート電圧を１.０、 １.５および３.０Ｖとした場合のＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化に基づいて推定した寿命を示すグラフである。
【図２６】ｂ値のゲート電圧依存性を示すグラフである。
【図２７】１１．４Ｍ／ｃｍでの寿命に対する比とストレス電界との関係を示すグラフである。
【図２８】ｃ値として０.４から０.６まで変化させたときの推定寿命の誤差をプロットしたグラフである。
【図２９】ゲート電圧３ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をプロットしたグラフである。
【図３０】本発明の絶縁膜評価方法で使用できる作図方法の一例を説明するためのグラフである。
【図３１】本発明の絶縁膜評価方法で使用できる作図方法の他の例を説明するためのグラフである。
【図３２】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３３】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 (10)
- 評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、前記評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、
前記評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用電圧を設定する第２ステップと、
前記評価対象の絶縁膜に前記評価用電圧を所定時間印加する第３ステップと、
前記第３ステップの後、前記評価対象の絶縁膜に対して前記判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第４ステップと、
前記第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上かどうかを判定する第５ステップと、
前記第５ステップにおいて、
前記第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値よりも小さい場合は前記第３ステップ〜第５ステップを繰り返し、
前記第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は前記第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間を求めて、前記評価対象の絶縁膜の前記評価用電圧における寿命とする第６ステップと
を包含する絶縁膜評価方法。 - 評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、前記評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、
前記評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用電流量を設定する第２ステップと、
前記評価対象の絶縁膜に前記評価用電流を所定時間印加する第３ステップと、
前記第３ステップの後、前記評価対象の絶縁膜に対して前記判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第４ステップと、
前記第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上かどうかを判定する第５ステップと、
前記第５ステップにおいて、
前記第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値よりも小さい場合は前記第３ステップ〜第５ステップを繰り返し、
前記第４ステップで測定されたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は前記第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間を求める第６ステップと、
前記第６ステップで求めた前記第３ステップの開始からの評価用電圧の全供給時間をもとに前記評価対象の絶縁膜の絶縁破壊までの総注入電荷量を算出する第７ステップと
を包含する絶縁膜評価方法。 - 前記第１ステップの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の決定方法は、
前記評価対象の絶縁膜と同じ種類及び同じ膜厚の複数の絶縁膜に対してそれぞれストレスを印加してＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第１サブステップと、
前記複数の絶縁膜のそれぞれにおいて、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量に不連続な増加が観測される直前の測定におけるＡモードストレス誘起リーク電流量、または前記Ａモードストレス誘起リーク電流量が単調・連続的に増加する際の増加を表す直線または曲線を前記Ａモードストレス誘起リーク電流量に不連続な増加が観測される直前まで外挿して決定されるＡモードストレス誘起リーク電流量を、絶縁膜が絶縁破壊する時のＡモードストレス誘起リーク電流量として求める第２サブステップと、
前記第２サブステップで得られた、複数の前記絶縁膜が絶縁破壊する時の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で、前記評価対象の絶縁膜の絶縁破壊しきい値となる前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量を決定する第３サブステップと
を包含する請求項１または２に記載の絶縁膜評価方法。 - 評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、前記評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、
前記評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用ストレス印加条件および全ストレス印加時間を設定する第２ステップと、
前記評価対象の絶縁膜に前記評価用ストレス印加条件に基づくストレス試験および前記判定電圧を印加してのＡモードストレス誘起リーク電流量測定を、前記全ストレス印加時間を経過するまで繰り返し実施する第３ステップと、
前記第３ステップの後、前記ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間と当該ストレス印加時間におけるＡモードストレス誘起リーク電流量との関係をｌｏｇ−ｌｏｇスケールでプロットする第４ステップと、
前記第４ステップで得られたプロットをｌｏｇ−ｌｏｇスケールで直線近似する第５ステップと、
前記第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が最終的に前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値以上の場合は、前記第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に到達するまでのストレス印加時間を求めて、前記評価対象の絶縁膜の寿命とし、
前記第４ステップでプロットされたＡモードストレス誘起リーク電流量の絶対値が最終的に前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に満たない場合は、前記第５ステップで求めた直線を長時間側に外挿して前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶対値に到達するまでのストレス印加時間を求めて、前記評価対象の絶縁膜の寿命とする第６ステップと
を包含する絶縁膜評価方法。 - 評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、前記評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、
前記評価対象の絶縁膜の寿命を評価したい評価用ストレス印加条件および全ストレス印加時間を設定する第２ステップと、
前記評価対象の絶縁膜に前記評価用ストレス印加条件に基づくストレス試験および前記判定電圧を印加してのＡモードストレス誘起リーク電流量測定を、前記全ストレス印加時間を経過するまで繰り返し実施する第３ステップと、
前記第３ステップの後、前記ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（ＩＡ）を関係式ＩＡ＝ａ×ｔｂに代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ、ｂを決定する第４ステップと、
前記第４ステップで決定したフィッティングパラメータａ、ｂを前記関係式ＩＡ＝ａ×ｔｂに代入して、前記評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量になるまでのストレス印加時間を求めて、前記評価対象の絶縁膜の寿命とする第５ステップと
を包含する絶縁膜評価方法。 - 前記第２ステップにおいて全ストレス印加時間を設定する代わりに、前記評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量があらかじめ指定した電流量以上になったときにストレス試験を終了するとした指定電流量を設定し、
前記第３ステップにおいて前記ストレス試験を、前記全ストレス印加時間を経過するまで実施する代わりに、前記評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が前記指定電流量以上になるまで実施する
請求項４または５に記載の絶縁膜評価方法。 - 前記第３ステップのストレス試験は、
前記評価対象の絶縁膜に前記評価用ストレス印加条件を所定時間印加する第１サブステップと、
前記第１サブステップの後、前記評価対象の絶縁膜に対して前記判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第２サブステップと、
前記第２サブステップで測定された前記Ａモードストレス誘起リーク電流量およびストレス印加時間を記録する第３サブステップと、
前記第３サブステップにおいてストレス試験開始からの前記ストレス印加時間の経過時間が、前記全ストレス印加時間以上になったかどうかを判定する第４サブステップと、
前記第４サブステップにおいて、
前記ストレス印加時間の経過時間が前記全ストレス印加時間に到達しない場合は前記第１サブステップ〜第４サブステップを繰り返し、
前記ストレス印加時間の経過時間が前記全ストレス印加時間以上になった場合はストレス試験を終了する第５サブステップと
を包含する請求項４または５に記載の絶縁膜評価方法。 - 前記第３ステップのストレス試験は、
前記評価対象の絶縁膜に前記評価用ストレス印加条件を所定時間印加する第１サブステップと、
前記第１サブステップの後、前記評価対象の絶縁膜に対して前記判定電圧におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定する第２サブステップと、
前記第２サブステップで測定された前記Ａモードストレス誘起リーク電流量およびストレス印加時間を記録する第３サブステップと、
前記評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が前記指定電流量以上になったかどうかを判定する第４サブステップと、
前記第４サブステップにおいて、
前記評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が前記指定電流量に到達しない場合は前記第１サブステップ〜第４サブステップを繰り返し、
前記評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が前記指定電流量以上になった場合はストレス試験を終了する第５サブステップと
を包含する請求項６記載の絶縁膜評価方法。 - 評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する判定電圧と、前記評価対象の絶縁膜に絶縁破壊が生じるときの判定Ａモードストレス誘起リーク電流量とを設定する第１ステップと、
前記評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量を測定するために印加する第１評価用ストレス印加条件（第１評価用ストレス印加電界および第１全ストレス印加時間）と第２評価用ストレス印加条件（前記第１評価用ストレス印加電界とは異なる第２評価用ストレス印加電界および第２全ストレス印加時間）を設定する第２ステップと、
第１の前記評価対象の絶縁膜に、前記第１評価用ストレス印加条件に基づく第１ストレス試験を、前記第１全ストレス印加時間を経過するまで実施すると共に、前記第１の評価対象の絶縁膜と同じ種類及び同じ膜厚の第２の前記評価対象の絶縁膜に、前記第２評価用ストレス印加条件に基づく第２ストレス試験を、前記第２全ストレス印加時間を経過するまで実施する第３ステップと、
前記第３ステップの後、前記第１ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ１ ′）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（ＩＡ１）を関係式ＩＡ１＝ａ１×ｔｂ１ に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ１、ｂ１を決定すると共に、前記第２ストレス試験中に記録された各ストレス印加時間（ｔ２ ′）におけるＡモードストレス誘起リーク電流量（ＩＡ２）を関係式ＩＡ２＝ａ２×ｔｂ２に代入してフィッティングし、フィッティングパラメータａ２、ｂ２を決定する第４ステップと、
前記第４ステップで決定したフィッティングパラメータａ１、ｂ１を前記関係式ＩＡ１＝ａ１×ｔｂ１に代入して、前記第１の評価対象の絶縁膜におけるＡモードストレス誘起リーク電流量が前記判定Ａモードストレス誘起リーク電流量になるまでのストレス印加時間を求めて、前記第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ１）とする第５ステップと、
前記第４、第５ステップで決定したフィッティングパラメータａ１、ａ２および第５ステップで求めた前記第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ１）を関係式ｔ２＝（ａ１／ａ２）×ｔ１に代入して前記第２の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ２）を求める第６ステップと
を包合する絶縁膜評価方法。 - 前記第６ステップにおいて関係式ｔ２＝（ａ１／ａ２）Ｘｔ１を用いる代わりに、前記第４、第５ステップで決定したフィッティングパラメータａ１、ａ２および第５ステップで求めた前記第１の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ１）を関係式ｔ２＝（ａ１／ａ２）ｃ／ｂ×ｔ１（ｃは定数、ｂ＝（ｂ１＋ｂ２）／２）に代入して前記第２の評価対象の絶縁膜の寿命（ｔ２）を求める
請求項９に記載の絶縁膜評価方法。
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