JP3915729B2

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Publication number: JP3915729B2
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Inventors: 明田井
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Publication date: 2007-05-16
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上の絶縁膜中の可動電荷を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造時、半導体基板上の絶縁膜中に、ナトリウムイオンや水素イオン等、同絶縁膜中を移動しやすい可動電荷が混入することがある。そして、こうした可動電荷が絶縁膜中に含まれた半導体装置にあっては、その内部に生じる電界等によって可動電荷が移動することにより、同半導体装置の信頼性が損なわれるおそれがある。したがって、半導体装置の信頼性を確保するためには、半導体装置に備えられる絶縁膜中の可動電荷量を低く抑える必要がある。
【０００３】
そこで従来、ＢＴ（Bias Temperature）処理とＣ−Ｖ法とによって、半導体基板上の絶縁膜中の可動電荷を検出することも提案されている。すなわち、図１１に示すように、高温状態とされた半導体基板１００上の絶縁膜１１０の上に形成されるゲート電極１２０に電圧を印加するＢＴ処理を施す。これにより、絶縁膜１１０のうちゲート電極１２０近傍の領域の可動電荷が半導体基板近傍に集まり、フラットバンド電圧が変化する。そして、Ｃ―Ｖ法により、フラットバンド電圧の変化を、ゲート電極と半導体基板との間の容量の変化として検出する。これにより、ゲート電極と半導体基板との間の容量の変化に基づき、可動電荷を測定することができる（特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−０８５０２４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記Ｃ−Ｖ法によれば、半導体基板１００及びゲート電極１２０間の絶縁膜１１０中の可動電荷を検出することはできるものの、ゲート電極１２０の上方の層間絶縁膜等、複数の絶縁膜中に存在する可動電荷を検出することは極めて困難なものとなっている。
【０００６】
したがって、例えば浮遊ゲートが制御ゲートで覆われていない不揮発性メモリ等が搭載された半導体装置にあっては、浮遊ゲートに引き寄せられる可動電荷に起因した閾値の変動を正確に検出することができない。このため、不揮発メモリの閾値の変動量が当該半導体装置にとっての許容範囲となるか否かを正確に評価することも極めて困難なものとなる。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体基板上の絶縁膜中の可動電荷をより適切に検出することのできる可動電荷の検出方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成すべく、請求項１記載の可動電荷の検出方法では、前記半導体基板上に浮遊ゲートの少なくとも一部が制御ゲートに覆われていないメモリを形成し、前記制御ゲートへの印加電圧をＶｃｇ、当該半導体基板の温度をＴとするとき、「Ｔ＞１７７．６（１／Ｖｃｇ）＋１５．６（但し、浮遊ゲートの面積は「２８μｍ ² 」）」にて表記される関係を満たすようにして前記制御ゲートに電圧を印加させたときの前記メモリの閾値の変化の検出に基づき前記半導体基板上の絶縁膜中の可動電荷を検出するようにした。
【０００９】
上記検出方法において、制御ゲートに電圧を印加すると、浮遊ゲートと半導体基板との間に電位差が生じる。このため、絶縁膜中の可動電荷が浮遊ゲートに集まることとなる。そして、浮遊ゲートに可動電荷が集まると、メモリの閾値が変化する。このように、このメモリの閾値の変化と絶縁膜中の可動電荷との間には相関がある。
【００１０】
この点、上記検出方法では、メモリの閾値の変化を検出することで、絶縁膜中の可動電荷を適切に検出することができるようになる。しかも、浮遊ゲートの少なくとも一部が制御ゲートに覆われていない構成としたために、この浮遊ゲートへの可動電荷の収集能力を向上させることができ、ひいては、可動電荷の検出精度を向上させることができる。
ところで、可動電荷の検出に際しては、当該半導体基板の温度が低いほど閾値の変化速度が低減する。また、制御ゲートへの印加電圧が低いほど閾値の変化速度が低減する。一方、閾値の変化の検出精度には限界があり、所定値以下の閾値の変化についてはこれを精度よく検出することができない。したがって、閾値の変化速度が過度に小さいと、可動電荷の検出にかかる時間が増大することとなる。
この点、上記検出方法によれば、可動電荷の検出にかかる時間を許容できる時間内としつつも適切な可動電荷の検出を行うことができるようになる。
【００１１】
なお、「半導体基板上にメモリを形成する」との言明は、メモリの一部が半導体基板内に形成される場合を含むこととする。
また、請求項２記載の可動電荷の検出方法では、当該可動電荷の検出を、前記閾値の変化の検出として行うようにする。
【００１２】
上述したように、メモリの閾値の変化と絶縁膜中の可動電荷との間には相関がある。したがって、可動電荷についてはこれを直接的に定量化せずとも、上記メモリの閾値の変化として把握することができる。
【００１３】
この点、上記検出方法によれば、閾値の変化の検出結果を直接用いることで、可動電荷量の算出等の処理を行うことを回避することができる。
また、請求項３記載の可動電荷の検出方法では、前記制御ゲートに印加される電圧の値を、当該メモリのソース領域及びドレイン領域のいずれかと前記浮遊ゲートとの間に電流が流れない値に設定する。
【００１４】
制御ゲート及び半導体基板間の電位差が大きすぎると、当該メモリのソース領域及びドレイン領域のいずれかと浮遊ゲートとの間に電流が流れる。そして、この場合、浮遊ゲートの周りに可動電荷が集まることによるメモリの閾値の変化と可動電荷との相関関係に基づく可動電荷の検出を安定して行うことができないおそれがある。
【００１５】
この点、上記検出方法によれば、制御ゲートに印加する電圧の値を当該メモリのソース領域及びドレイン領域のいずれかと前記浮遊ゲートとの間に電流が流れない値とすることで、可動電荷の検出を安定して行うことができるようになる。
【００１６】
また、請求項４記載の可動電荷の検出方法では、前記制御ゲートとソース領域とドレイン領域とが前記半導体基板に形成した。
例えば浮遊ゲートの上方に制御ゲートが形成される不揮発性メモリの場合、通常のトランジスタの製造工程に新たな製造工程を追加する必要が生じる。
【００１７】
これに対し、上記検出方法のメモリは、制御ゲートとソース領域とドレイン領域とを半導体基板に形成することで、通常のトランジスタの製造工程を用いて形成することができる。
【００１８】
また、請求項５記載の可動電荷の検出方法では、前記半導体基板は半導体装置を構成する複数の領域を有するものであって、且つ前記可動電荷の検出に用いるメモリを、同半導体装置を構成する複数の領域以外の領域に形成するようにした。
【００１９】
上記検出方法によれば、可動電荷の検出に用いるメモリを半導体装置を構成する複数の領域以外の領域に形成するために、例えば制御ゲートへ電圧を印加するための配線やパッド等、閾値の変化の検出に用いる手段を、半導体装置の仕様からの制約を受けずに形成することができるようになる。
【００２２】
この点、上記検出方法によれば、可動電荷の検出にかかる時間を許容できる時間内としつつも適切な可動電荷の検出を行うことができるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる半導体基板上の絶縁膜中の可動電荷の検出方法の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１に、本実施形態において半導体装置を製造するための半導体ウエハを示す。同図１に示すように、半導体ウエハ１上には、各半導体装置を構成する複数の領域ＣＡと、これら複数の領域ＣＡ間を分割するカットラインＣＬとが形成されている。ここで、カットラインＣＬは、半導体装置の各製造工程において、様々な検査を行うための素子が形成される領域ともなっている。
【００２５】
図２に、上記カットラインＣＬに形成される不揮発性メモリの断面構成を示す。同図２に示すように、Ｎ型の導電型を有する半導体基板１０（半導体ウエハ１）上にＰ型の導電型を有するＰウェル１２、１４が形成されている。また、半導体基板１０の表面には、フィールド酸化膜２０、２２、２４とゲート酸化膜２６、２８とが形成されている。
【００２６】
そして、上記Ｐウェル１４のうち、ゲート酸化膜２８直下の領域にはＮ型の導電型を有する拡散領域からなる制御ゲート１６が形成されている。また、ゲート酸化膜２６の上方からゲート酸化膜２８の上方に渡って浮遊ゲート３０が形成されている。
【００２７】
更に、これら浮遊ゲート３０や、フィールド酸化膜２０、２４の上方には、層間絶縁膜としてのＢＰＳＧ（boro-phospho silicate glass）膜４０、ＴＥＯＳ(tetraethylorthosilicate)膜４２と、保護膜としてのシリコン窒化膜４４とが順次積層形成されている。
【００２８】
図３に、上記不揮発メモリの平面構成を示す。なお、ここでは、上記フィールド酸化膜２０、２２、２４については、便宜上その記載を割愛した。
同図３に示されるように、ゲート酸化膜２６の直下の領域の両側には、Ｎ型の導電型を有するソース領域１７及びドレイン領域１８が形成されている。そして、これらはコンタクトホール５０、５２を介してソース配線５４、ドレイン配線５６とそれぞれ接続されている。また、制御ゲート１６は、コンタクトホール６０を介して、ゲート配線６２と接続されている。
【００２９】
次に、本実施形態において製造対象となる半導体装置及びその製造工程について説明する。
上記半導体装置は、図２及び図３に示す不揮発メモリを備えるものとなっている。換言すれば、本実施形態では、これら図２及び図３に示す不揮発メモリが、先の図１に示した領域ＣＡにも形成されている。そして、上記カットラインＣＬ上及び上記領域ＣＡ上に形成される不揮発性メモリは、同一の工程にて形成される。
【００３０】
ちなみに、図２及び図３に示す構成を有する不揮発性メモリは、通常のＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）技術を用いて製造することが可能なものとなっている。すなわち、制御ゲート１６とソース領域１７及びドレイン領域１８とが共に半導体基板１０に形成される構成となっているため、浮遊ゲート上に制御ゲートを形成する場合のように、ＣＭＯＳ回路の形成工程に、制御ゲートの形成工程を新たに追加することを回避している。
【００３１】
ここで、本実施形態にかかる絶縁膜中の可動電荷の検出方法について説明する。
本実施形態では、上記図２及び図３に示す不揮発性メモリを形成した後、上記フィールド酸化膜２０、２２、２４や、ゲート酸化膜２６、２８、ＢＰＳＧ膜４０、ＴＥＯＳ膜４２、シリコン窒化膜４４等の絶縁膜中の可動電荷を検出する。そして、この可動電荷の検出に基づき、当該半導体装置の信頼性を評価する。
【００３２】
この可動電荷の検出は、上記制御ゲート１６に電圧を印加したときの不揮発性メモリの閾値の変化の検出に基づき行う。これは、不揮発性メモリの閾値と絶縁膜中の可動電荷との相関関係に着目したものである。
【００３３】
すなわち、制御ゲート１６に電圧を印加すると、浮遊ゲート３０と半導体基板１０との間に電位差が生じる。このため、絶縁膜中の可動電荷が浮遊ゲート３０の周囲に集まることとなる。そして、浮遊ゲート３０の周囲に可動電荷が集まると、不揮発性メモリの閾値が変化する。このように、不揮発性メモリの閾値と絶縁膜中の可動電荷との間には相関がある。
【００３４】
ちなみに、制御ゲート１６に電圧が印加されたときの浮遊ゲート３０の周囲の電界の状態のシミュレーション結果を図４に示す。ここでは、制御ゲート１６に「５．５Ｖ」の電圧を印加するとともに、半導体基板１０側を接地する条件とした。これにより、浮遊ゲート３０の電位は、同図４に示すように「５Ｖ」となる。そして、同図４では、こうした条件下において、先の図３に示すＢ−Ｂに沿った断面内における浮遊ゲート３０の周囲に生じる電界を示した。同図４から、浮遊ゲート３０の周りの絶縁膜中の負の可動電荷が浮遊ゲート３０に集まることがわかる。
【００３５】
以下、上記閾値の変化の検出の手順について説明する。
（イ）先の図２、図３に示した不揮発性メモリの形成後、浮遊ゲート３０に紫外線を照射する。これは、当該不揮発性メモリの製造工程において、浮遊ゲート３０に電荷が蓄積されることがあるためであり、この紫外線の照射によって浮遊ゲート３０を電気的に略中性とする。
【００３６】
（ロ）不揮発性メモリの閾値の初期値を測定する。すなわち、例えばソース領域１７を接地するとともにドレイン領域１８に「０．５Ｖ」程度の電圧をかける等、ソース領域１７及びドレイン領域１８間に所定の電位差を持たせた状態で、制御ゲート１６に印加する電圧を徐変させる。そして、ソース領域１７及びドレイン領域１８間に所定以上の電流が流れるときの制御ゲート１６に印加されている電圧の値を上記閾値として測定する。
【００３７】
（ハ）ソース領域１７及びドレイン領域１８を接地する等、ソース領域１７及びドレイン領域１８の電位を固定しつつ、制御ゲート１６に所定の電圧を印加する。この際、制御ゲート１６の電位は、半導体基板１０の電位と異なるようにする。これにより、例えば浮遊ゲート３０の電位を半導体基板１０の電位に対して正の電位とすることで、浮遊ゲート３０の周りに負の可動電荷を集めることができる。また、例えば浮遊ゲート３０の電位を半導体基板１０の電位に対して負の電位とすることで、浮遊ゲート３０の周りに正の可動電荷を集めることができる。
【００３８】
なお、制御ゲート１６へ印加する電圧の値は、浮遊ゲート３０とソース領域１７及びドレイン領域１８との間に電流が流れない値に設定する。これは、浮遊ゲート３０とソース領域１７及びドレイン領域１８との間に電流が流れると、可動電荷の検出を安定して行うことができない可能性があるためである。なお、ここでは、例えばゲート酸化膜２８の膜厚が「３０ｎｍ」程度とし、且つ制御ゲート１６のへの印加電圧を「１５Ｖ」以下とすることが望ましい。
【００３９】
（ニ）制御ゲート１６への電圧印加を一旦中止した後、直ちに上記（ロ）に示した態様にて不揮発性メモリの閾値を測定する。
（ホ）上記（ロ）及び上記（ニ）の工程において測定された閾値から閾値の変化を検出する。なお、この閾値の変化は、上記（ハ）及び上記（ニ）の工程を繰り返して３つ以上の閾値の時系列データを取得することで検出するようにしてもよい。
【００４０】
図５に、こうした不揮発性メモリの閾値の変化についての計測データを示す。この計測データは、上記（ロ）の工程において制御ゲート１６に「５．５Ｖ」の電圧を印加し、且つ浮遊ゲート３０の表面積を「２８μｍ²」として取得されたものである。更に、図５は、上記（イ）〜（ニ）の一連の工程時の半導体基板１０の温度を「２３℃」、「８５℃」、「１５０℃」のそれぞれに設定した場合についての計測データを示している。
【００４１】
同図５に示されるように、電圧の印加時間が長くなるほど、閾値の変化量ΔＶｔｈが増大する。これは、電圧の印加時間が長くなるにつれて、浮遊ゲート３０の周りに可動電荷が徐々に集まってくるためである。また、同図５に示されるように、上記（イ）〜（ニ）の一連の工程時の半導体基板１０の温度が高いほど、閾値の変化が大きくなる。これは、絶縁膜の温度が高いほど、可動電荷の可動性が増大するためである。
【００４２】
次に、上記態様にて検出される閾値の変化に基づいて検出される電荷の量について考察する。
図６に、先の図２及び図３に示した不揮発性メモリの等価回路を示す。同図６においては、先の図２に示すように、ゲート酸化膜２６、フィールド酸化膜２２、ゲート酸化膜２８をそれぞれ介した半導体基板１０及び浮遊ゲート３０間の容量を、容量Ｃｆｃ、Ｃｆｂ、Ｃｆｇとする。また、浮遊ゲート３０に蓄えられている電荷量のうち、上記各容量Ｃｆｃ、Ｃｆｂ、Ｃｆｇに対応する電荷量をそれぞれ電荷量Ｑｃ、Ｑｂ、Ｑｇとする。
【００４３】
ここで制御ゲート１６に電圧Ｖｃｇが印加されたとき、上記各電荷量Ｑｇ、Ｑｃ、Ｑｂは、浮遊ゲート３０の電位Ｖｆｇを併せ用いて、下式（ｃ１）〜（ｃ３）にて表される。
【００４４】
Ｑｇ＝Ｃｆｇ（Ｖｆｇ−Ｖｃｇ） …（ｃ１）
Ｑｃ＝Ｃｆｃ×Ｖｆｇ …（ｃ２）
Ｑｂ＝Ｃｆｂ×Ｖｆｇ …（ｃ３）
したがって、時刻ｔにおいて浮遊ゲート３０に蓄えられている電荷量「−Ｑ（ｔ）」は、下式（ｃ４）で表される。
【００４５】
−Ｑ（ｔ）＝Ｑｇ＋Ｑｃ＋Ｑｂ

ここで、上記（ロ）の工程を時刻ｔ＝０とし、このときの浮遊ゲートの電荷量を「０」とすると、測定される閾値Ｖｔｈは下式（ｃ５）で表される。
【００４６】
（Ｃｆｇ＋Ｃｆｃ＋Ｃｆｂ）×Ｖｆｇ＝Ｃｆｇ×Ｖｔｈ …（ｃ５）
また、時刻ｔにおける浮遊ゲート３０の電荷の変化量「−ΔＱ（ｔ）」は、閾値の変化量ΔＶｔｈを用いて下式（ｃ６）にて表される。
【００４７】

上式（ｃ６）に上式（ｃ５）を代入して、下式（ｃ７）を得る。
【００４８】
ΔＱ（ｔ）＝Ｃｆｇ×ΔＶｔｈ …（ｃ７）
上式（ｃ７）は、任意の時刻における閾値の変化量ΔＶｔｈと、浮遊ゲート３０の周囲に集められる電荷量との関係を示す式である。
【００４９】
ここで、本実施形態では、浮遊ゲート３０の表面積を「２８μｍ²＝２．８×１０^-7ｃｍ²」、浮遊ゲート３０のうち容量Ｃｆｇ部分の面積Ｓを「８μｍ²＝８×１０^-8ｃｍ²」、ゲート酸化膜２８の膜厚ｄを「３５ｎｍ＝３．５×１０^-6ｃｍ」としている。このため、容量Ｃｆｇは、真空の誘電率ε０、及びゲート酸化膜２８の比誘電率εｓを用いると以下のようになる。
【００５０】

また、上記閾値の変化量ΔＶｔｈは、「０．１Ｖ」程度の値であれば十分な精度で検出することができることから、上式（７）より検出可能な電荷の変化量「−ΔＱ（ｔ）」は以下のようになる。
【００５１】
ΔＱ（ｔ）＝Ｃｆｇ×ΔＶｔｈ＝７．９×１０―¹⁶Ｃ
すなわち、本実施形態によれば、「７．９×１０―¹⁶Ｃ」程度の電荷を十分に検出することが可能となっている。ちなみに、ここで電子１個当たりの電荷は、「１．６０２１８×１０―¹⁹Ｃ」であるから、上記電荷の変化量「７．９×１０―¹⁶Ｃ」に対応する可動電荷数Ｎは、以下となる。
【００５２】
Ｎ＝７．９×１０―¹⁶／１．６０２１８×１０―¹⁹≒４９３０
そして、浮遊ゲート３０に集まった可動電荷は、浮遊ゲート３０全体に均一に分布するとすると、単位面積当たりの可動電荷量は、「４９３０／２．８×１０―⁷＝１．８×１０¹⁰（ｃｍ^-2）」となる。
【００５３】
このように本実施形態によれば、微量の可動電荷を検出することが可能となる。そして、本実施形態では、可動電荷の検出に基づいて、当該半導体装置の信頼性を評価する。
【００５４】
ここで、当該半導体装置の「信頼性」とは、「所定の使用条件下、予め設定された期間、その機能を正しく遂行する機能」をいう。ただし、予め設定された期間は、通常、非常に長く、当該半導体装置の製造時に予め設定された期間にわたる信頼性を直接的に評価する試験を行うことは現実的でない場合が多い。
【００５５】
そこで、本実施形態では、上記予め設定された期間よりも短い期間にて行われる所定の試験における可動電荷の変化と当該半導体装置の信頼性を直接的に評価する試験との相関関係に基づき、当該半導体装置の信頼性を評価する。そしてこの際、所定の試験における可動電荷の変化と当該半導体装置の信頼性を直接的に評価する試験との相関関係を、試作された半導体装置についての信頼性を直接的に評価する試験や、過去の類似の半導体装置の有するデータ等に基づき取得しておく。これにより、所定の試験における可動電荷の変化に基づき当該半導体装置の信頼性を評価することができる。
【００５６】
更に、本実施形態では、所定の試験における可動電荷の変化の検出を、同所定の試験における閾値の変化の検出として行うようにする。これにより、所定の試験における閾値の測定のみから当該半導体装置の信頼性を評価することができる。
【００５７】
図７に、上述した予め試作された半導体装置についての信頼性を直接的に評価する試験の結果を示す。同図７は、温度「１５０℃」で「１０００時間」に渡って制御ゲート１６に「４Ｖ」の電圧を印加したときに閾値の変化量を所定の値以下とするとの信頼性についての要求仕様を満たすか否かの試験の結果を示している。
【００５８】
同図７には、制御ゲート１６への電圧の印加時間に対する閾値の変化量ΔＶｔｈの推移が示されている。ここで、信頼性の要求仕様が、上記閾値の変化量ΔＶｔｈが例えば「０．３Ｖ」以下であるとする場合、２００時間を過ぎた当たりで試験対象としている半導体装置が要求仕様を満たさないものであることがわかる。しかし、例えば半導体装置が複数形成される半導体ウエハ毎に必ずしもこうした長時間にわたる試験をする必要はない。すなわち、図７に例示するようなデータを用いることで、短時間での閾値の変化量ΔＶｔｈから長時間に渡る閾値の変化量ΔＶｔｈを推定するようにすればよい。例えば印加時間が「１時間」以内であるときの閾値の変化量ΔＶｔｈに基づいて１０００時間後の閾値の変化量ΔＶｔｈを推定することができる。
【００５９】
次に、こうした図７のような半導体装置の信頼性を直接的に評価する試験と相関を有する所定の試験について、これの満たすべき条件を考察する。
上述したように、不揮発性メモリの閾値については、「０．０５Ｖ」程度の変化量を十分に検出することが可能である。したがって、所定の試験には、「０．０５Ｖ」以上の閾値の変化が生じることが条件の１つとなる。また、半導体装置の信頼性の評価の試験時間は、生産効率の要請から短時間であることが望まれる。そして、通常、信頼性の試験時間は、数時間以内であると要請されることが多い。ここで、本実施形態では、上記可動電荷の検出（閾値の変化の検出）を、各半導体ウエハにおいて数カ所で行うことを考慮し、１回当たりの試験時間を「１０００秒」以下とする。
【００６０】
したがって、上記信頼性の評価のために行われる所定の試験としては、「１０００秒」以内に「０．０５Ｖ」の閾値の変化を示すような条件設定が望まれることとなる。こうした条件設定にかかるパラメータとしては、半導体基板の温度と制御ゲートへの印加電圧値と浮遊ゲートの面積とがある。以下、これについて更に説明する。
【００６１】
図８は、制御ゲート１６への電圧の印加時間を「１０００秒」としたときの不揮発性メモリの閾値の変化について、半導体基板の温度及び印加電圧への依存性を示す。なお、ここで用いられる不揮発性メモリは、上述したものであり、浮遊ゲートの面積は「２８μｍ²」となっている。同図８に示されるように、閾値の変化量は、温度が高いほど、また、制御ゲートへの印加電圧が大きいほど、大きくなる。
【００６２】
図９に、制御ゲートへの電圧の印加時間を「１０００秒」としたときの不揮発性メモリの閾値の変化について、その半導体基板の温度及び浮遊ゲートの面積への依存性を示す。同図９に示されるように、閾値の変化量は、温度が高いほど、また、浮遊ゲートの面積が大きいほど、大きくなる。
【００６３】
図１０に、「１０００秒」の間制御ゲートへ電圧を印加した際に閾値の変化量ΔＶｔｈが「０．０５Ｖ」となるときの上記３つのパラメータの条件を示す。
同図１０には、浮遊ゲートの面積Ｓをそれぞれ「１３μｍ²」、「２２μｍ²」、「２８μｍ²」としたときの半導体基板の温度と印加電圧との関係を示している。同図１０において、これら浮遊ゲートの面積Ｓがそれぞれ「１３μｍ²」、「２２μｍ²」、「２８μｍ²」であるときの半導体基板の温度と印加電圧との関係は、下式（ｃ８）〜（ｃ１０）にて近似される。
【００６４】
Ｔ＝１７７．５（１／Ｖｃｇ）＋１１７．８ …（ｃ８）
Ｔ＝１７７．６（１／Ｖｃｇ）＋５２．７ …（ｃ９）
Ｔ＝１７７．６（１／Ｖｃｇ）＋１５．６ …（ｃ１０）
したがって、半導体基板の温度をＴとし、試験時間を「１０００秒」としたとき、これら浮遊ゲートの面積Ｓがそれぞれ「１３μｍ²」、「２２μｍ²」、「２８μｍ²」であるときの制御ゲートへの印加電圧の条件は、下式（ｃ１１）〜（ｃ１３）となる。
【００６５】
Ｔ＞１７７．５（１／Ｖｃｇ）＋１１７．８ …（ｃ１１）
Ｔ＞１７７．６（１／Ｖｃｇ）＋５２．７ …（ｃ１２）
Ｔ＞１７７．６（１／Ｖｃｇ）＋１５．６ …（ｃ１３）
なお、先の図７に例示したような信頼性を直接的に評価する試験の条件は、実際に各半導体装置の信頼性の評価を行うときの浮遊ゲートの面積や制御ゲートへの印加電圧、半導体基板の温度についての条件と一致するようにすることが望ましい。これにより、信頼性の評価を精度よく行うことができる。しかしながら、図８や図９に例示するように、半導体基板の温度、印加電圧、浮遊ゲート面積の３つのパラメータを変更したときの試験結果同士の相関関係を示すデータを有している場合には、必ずしもこれらを一致させなくても、所定の試験に基づき半導体基板の信頼性の評価を行うことが可能である。
【００６６】
こうした条件に設定して信頼性を評価するための試験を行うことで、例えば先の図１に示した領域ＣＡに、先の図２及び図３に示した不揮発性メモリと同一構成の不揮発性メモリが形成されている場合、この不揮発性メモリの信頼性の評価を適切に行うことができる。すなわち、実際の半導体装置において、不揮発性メモリの閾値の変化量が許容範囲となるか否かを適切に評価することができる。
【００６７】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）不揮発性メモリの閾値の変化を検出することで、絶縁膜中の可動電荷を適切に検出することができるようになる。しかも、浮遊ゲート３０を、少なくとも一部が制御ゲート１６に覆われていない構成としたために、この浮遊ゲート３０への可動電荷の収集能力を向上させることができ、ひいては、可動電荷の検出精度を向上させることができる。
【００６８】
（２）当該可動電荷の検出を閾値の変化の検出として行うようにしたため、可動電荷量の算出等の処理を行うことを回避することができる。
（３）制御ゲート１６に印加される電圧の値を、ソース領域１７及びドレイン領域１８のいずれかと浮遊ゲート３０との間に電流が流れない値に設定したため、可動電荷の検出を安定して行うことができるようになる。
【００６９】
（４）制御ゲート１６とソース領域１７とドレイン領域１８とを半導体基板１０に形成することで、通常のトランジスタの製造工程を用いて可動電荷の検出に用いる不揮発性メモリを形成することができる。
【００７０】
（５）可動電荷の検出に用いる不揮発性メモリを、半導体装置を構成する複数の領域ＣＡ以外の領域であるカットラインＣＬに形成したため、例えば制御ゲートへ電圧を印加するための配線やパッド等、閾値の変化の検出に用いる手段を、半導体装置の仕様からの制約を受けずに形成することができるようになる。
【００７１】
（６）制御ゲート１６への電圧印加時間が「１０００秒」であるときの閾値の変化量が「０．０５Ｖ」以上となるように、浮遊ゲート３０の面積、制御ゲート１６への印加電圧、半導体基板１０の温度を調整した。これにより、可動電荷の検出にかかる時間を許容できる時間内としつつも適切な可動電荷の検出を行うことができるようになる。
【００７２】
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・可動電荷の検出に用いるメモリとしては、先の図２及び図３に例示したものに限らない。例えば制御ゲートが半導体基板に形成されていない場合であれ、浮遊ゲートの上面の少なくとも一部が制御ゲートに覆われていない構成であれば、上記実施形態に準じた効果を得ることができる。
【００７３】
・可動電荷の検出に用いるメモリを形成する領域としては、上記カットラインＣＬに限らず、例えばテスト用のチップの形成領域等でもよい。また、半導体装置がこうしたメモリを備える場合にはこれを用いて可動電荷の検出を行ってもよい。
【００７４】
・可動電荷の検出に基づく半導体装置の信頼性の評価としては、可動電荷の検出に用いるメモリと同一の構成を有するメモリの信頼性の評価に限らない。例えば、可動電荷の検出に用いるメモリとは異なる素子の信頼性を評価する場合であれ、その信頼性が可動電荷によって影響される場合には、この素子の信頼性の評価に閾値の変化の検出に基づく可動電荷の検出を用いることができる。なお、この際にも、可動電荷と閾値の変化との間に相関があることに鑑みれば、可動電荷量を直接算出することなく、閾値の変化量によってこうした素子の信頼性を直接評価することもできる。
【００７５】
・可動電荷の検出に際しての制御ゲートへの印加電圧と浮遊ゲートの面積と半導体基板の温度の関係は、上式（ｃ１１）〜（ｃ１３）に例示したものに限らない。例えば浮遊ゲートの断面積を「１３〜２８μｍ²」の任意の値に設定する場合であれ、制御ゲートへの印加電圧及び半導体基板の温度として、上式（ｃ１３）に例示した領域内の適宜の値を用いることは有効である。ただし、加速試験を行う際には、半導体基板の温度を「８５℃」以上とし、また、制御ゲートへの印加電圧は、「４Ｖ」以上とすることが望ましい。
【００７６】
更に、先の図１０に示した特性は、先の図２に示した上記フィールド酸化膜２０、２２、２４や、ゲート酸化膜２６、２８、ＢＰＳＧ膜４０、ＴＥＯＳ膜４２、シリコン窒化膜４４等の絶縁膜を同図２に示した態様にて備える構成のものに対する特性である。しかし、これと異なる絶縁膜を有する場合であれ、閾値の変化と可動電荷との間には相関関係があることに鑑みれば、上式（ｃ１１）〜（ｃ１３）に例示した関係を満たすような条件設定の下に可動電荷を検出することは有効である。
【００７７】
なお、可動電荷の検出に際しての制御ゲートへの印加電圧と浮遊ゲートの面積と半導体基板の温度の関係は、当該半導体装置に要求される信頼性についての仕様に応じて、上式（ｃ１３）に例示する領域以外に設定してもよい。
【００７８】
・可動電荷を閾値の変化として検出する代わりに、例えば上式（ｃ７）等を用いてこれを直接測定（算出）するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる可動電荷の検出方法の一実施形態における半導体ウエハを示す平面図。
【図２】同実施形態において可動電荷の検出に用いる不揮発性メモリの断面図。
【図３】上記不揮発性メモリの平面図。
【図４】同不揮発性メモリの浮遊ゲート付近の電位分布のシミュレーション結果を示す断面図。
【図５】上記実施形態における制御ゲートへの電圧印加時間と閾値の変化と半導体基板の温度との関係を示す図。
【図６】同実施形態の不揮発性メモリの等価回路を示す回路図。
【図７】制御ゲートへの電圧印加時間と閾値の変化との関係を示す図。
【図８】制御ゲートへの電圧印加時間と閾値の変化と半導体基板の温度との関係を示す図。
【図９】浮遊ゲートの面積と閾値の変化と半導体基板の温度との関係を示す図。
【図１０】制御ゲートへ１０００秒間電圧を印加したときに閾値の変化が０．０５Ｖとなる印加電圧及び半導体基板の温度を示す図。
【図１１】ＢＴ処理の手法を示す断面図。
【符号の説明】
１…半導体ウエハ、１０…半導体基板、１２，１４…Ｐウェル、１６…制御ゲート、１７…ソース領域、１８…ドレイン領域、２０、２２，２４…フィールド酸化膜、２６、２８…ゲート酸化膜、３０…浮遊ゲート、４０…ＢＰＳＧ膜、４２…ＴＥＯＳ膜、４４…シリコン窒化膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for detecting a movable charge in an insulating film on a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
At the time of manufacturing a semiconductor device, movable charges such as sodium ions and hydrogen ions that easily move in the insulating film may be mixed into the insulating film on the semiconductor substrate. And in a semiconductor device in which such a movable charge is contained in an insulating film, there is a possibility that the reliability of the semiconductor device is impaired by the movement of the movable charge due to an electric field generated inside the semiconductor device. Therefore, in order to ensure the reliability of the semiconductor device, it is necessary to reduce the amount of movable charges in the insulating film provided in the semiconductor device.
[0003]
Therefore, conventionally, it has also been proposed to detect a movable charge in an insulating film on a semiconductor substrate by a BT (Bias Temperature) process and a CV method. That is, as shown in FIG. 11, a BT process for applying a voltage to the gate electrode 120 formed on the insulating film 110 on the semiconductor substrate 100 in a high temperature state is performed. As a result, the movable charges in the region near the gate electrode 120 in the insulating film 110 gather near the semiconductor substrate, and the flat band voltage changes. Then, the change in the flat band voltage is detected as a change in capacitance between the gate electrode and the semiconductor substrate by the CV method. Thereby, a movable charge can be measured based on a change in capacitance between the gate electrode and the semiconductor substrate (Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 06-085024
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, according to the CV method, a movable charge in the insulating film 110 between the semiconductor substrate 100 and the gate electrode 120 can be detected, but a plurality of insulating films such as an interlayer insulating film above the gate electrode 120 can be detected. It is extremely difficult to detect the mobile charge present in the inside.
[0006]
Therefore, for example, in a semiconductor device in which a nonvolatile memory or the like in which the floating gate is not covered with the control gate is mounted, it is not possible to accurately detect the threshold fluctuation due to the movable charge drawn to the floating gate. For this reason, it is extremely difficult to accurately evaluate whether or not the fluctuation amount of the threshold value of the nonvolatile memory falls within an allowable range for the semiconductor device.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a movable charge detection method capable of more appropriately detecting a movable charge in an insulating film on a semiconductor substrate.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, in the movable charge detection method according to claim 1, a memory in which at least a part of a floating gate is not covered with a control gate is formed on the semiconductor substrate,When the voltage applied to the control gate is Vcg and the temperature of the semiconductor substrate is T, “T> 177.6 (1 / Vcg) +15.6 (provided that the area of the floating gate is“ 28 μm ”). ² ")" To satisfy the relationshipThe movable charge in the insulating film on the semiconductor substrate is detected based on detection of a change in the threshold value of the memory when a voltage is applied to the control gate.
[0009]
In the above detection method, when a voltage is applied to the control gate, a potential difference is generated between the floating gate and the semiconductor substrate. For this reason, the movable charge in the insulating film is collected in the floating gate. When the movable charge collects at the floating gate, the threshold value of the memory changes. Thus, there is a correlation between the change in the threshold value of the memory and the movable charge in the insulating film.
[0010]
In this regard, in the detection method described above, it is possible to appropriately detect the movable charge in the insulating film by detecting the change in the threshold value of the memory. In addition, since at least a part of the floating gate is not covered with the control gate, it is possible to improve the ability of collecting the movable charge to the floating gate, and to improve the detection accuracy of the movable charge. it can.
By the way, when detecting the movable charges, the lower the temperature of the semiconductor substrate, the lower the threshold change speed. In addition, the threshold change rate decreases as the applied voltage to the control gate decreases. On the other hand, there is a limit to the detection accuracy of a change in threshold value, and it is impossible to detect a change in threshold value below a predetermined value with high accuracy. Therefore, if the change rate of the threshold is excessively small, the time required for detecting the mobile charge increases.
In this regard, according to the above detection method, it is possible to perform appropriate mobile charge detection while keeping the time required for detection of mobile charge within an allowable time.
[0011]
Note that the statement “a memory is formed on a semiconductor substrate” includes a case where a part of the memory is formed in the semiconductor substrate.
According to a second aspect of the present invention, the movable charge is detected as a change in the threshold value.
[0012]
As described above, there is a correlation between the change in the threshold value of the memory and the movable charge in the insulating film. Therefore, the movable charge can be grasped as a change in the threshold value of the memory without directly quantifying it.
[0013]
In this regard, according to the detection method, it is possible to avoid performing processing such as calculation of the amount of movable charge by directly using the detection result of the change in the threshold value.
According to a third aspect of the present invention, the voltage applied to the control gate is set to a value that prevents current from flowing between one of the source region and the drain region of the memory and the floating gate. Set.
[0014]
If the potential difference between the control gate and the semiconductor substrate is too large, a current flows between one of the source region and the drain region of the memory and the floating gate. In this case, the mobile charge may not be detected stably based on the correlation between the change in the threshold value of the memory due to the collection of the mobile charge around the floating gate and the mobile charge.
[0015]
In this respect, according to the detection method, the value of the voltage applied to the control gate is set such that no current flows between one of the source region and the drain region of the memory and the floating gate. Detection can be performed stably.
[0016]
According to another aspect of the present invention, the control gate, the source region, and the drain region are formed on the semiconductor substrate.
For example, in the case of a nonvolatile memory in which a control gate is formed above a floating gate, a new manufacturing process needs to be added to a normal transistor manufacturing process.
[0017]
On the other hand, the memory of the detection method can be formed using a normal transistor manufacturing process by forming the control gate, the source region, and the drain region on the semiconductor substrate.
[0018]
Further, in the movable charge detection method according to claim 5, the semiconductor substrate has a plurality of regions constituting a semiconductor device, and a memory used for detection of the movable charge constitutes the semiconductor device. It was made to form in areas other than a plurality of areas.
[0019]
According to the above detection method, in order to form the memory used for detecting the movable charge in a region other than a plurality of regions constituting the semiconductor device, for example, a change in threshold value such as a wiring or a pad for applying a voltage to the control gate It is possible to form the means used for detection without being restricted by the specifications of the semiconductor device.
[0022]
In this regard, according to the above detection method, it is possible to perform appropriate mobile charge detection while keeping the time required for detection of mobile charge within an allowable time.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a method for detecting a movable charge in an insulating film on a semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 shows a semiconductor wafer for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment. As shown in FIG. 1, a plurality of areas CA constituting each semiconductor device and a cut line CL dividing the plurality of areas CA are formed on the semiconductor wafer 1. Here, the cut line CL is also a region where elements for performing various inspections are formed in each manufacturing process of the semiconductor device.
[0025]
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the nonvolatile memory formed on the cut line CL. As shown in FIG. 2,

P wells

12 and 14 having P type conductivity are formed on a semiconductor substrate 10 (semiconductor wafer 1) having N type conductivity. Further,

field oxide films

20, 22, 24 and

gate oxide films

26, 28 are formed on the surface of the semiconductor substrate 10.
[0026]
In the P well 14, a control gate 16 composed of a diffusion region having an N type conductivity type is formed in a region immediately below the gate oxide film 28. A floating gate 30 is formed from above the gate oxide film 26 to above the gate oxide film 28.
[0027]
Further, above the floating gate 30 and the field oxide films 20 and 24, a BPSG (boro-phosphosilicate glass) film 40 as an interlayer insulating film, a TEOS (tetraethylorthosilicate) film 42, and a silicon nitride film as a protective film 44 are sequentially laminated.
[0028]
FIG. 3 shows a planar configuration of the nonvolatile memory. Here, the description of the

field oxide films

20, 22, and 24 is omitted for convenience.
As shown in FIG. 3, a source region 17 and a drain region 18 having an N-type conductivity are formed on both sides of a region immediately below the gate oxide film 26. These are connected to a source wiring 54 and a drain wiring 56 through contact holes 50 and 52, respectively. The control gate 16 is connected to the gate wiring 62 through the contact hole 60.
[0029]
Next, a semiconductor device to be manufactured in the present embodiment and a manufacturing process thereof will be described.
The semiconductor device includes the nonvolatile memory shown in FIGS. In other words, in the present embodiment, the nonvolatile memories shown in FIGS. 2 and 3 are also formed in the area CA shown in FIG. The nonvolatile memories formed on the cut line CL and the area CA are formed in the same process.
[0030]
Incidentally, the nonvolatile memory having the configuration shown in FIGS. 2 and 3 can be manufactured by using a normal CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) technique. That is, since the control gate 16 and the source region 17 and the drain region 18 are both formed on the semiconductor substrate 10, the CMOS circuit formation process is performed as in the case where the control gate is formed on the floating gate. This avoids adding a new control gate formation step.
[0031]
Here, a method for detecting a movable charge in the insulating film according to the present embodiment will be described.
In the present embodiment, after the nonvolatile memory shown in FIGS. 2 and 3 is formed, the

field oxide films

20, 22, 24, the

gate oxide films

26, 28, the BPSG film 40, the TEOS film 42, and the silicon nitride film are formed. The movable charge in the insulating film such as 44 is detected. Then, based on the detection of the movable charge, the reliability of the semiconductor device is evaluated.
[0032]
The detection of the movable charge is performed based on detection of a change in the threshold value of the nonvolatile memory when a voltage is applied to the control gate 16. This focuses on the correlation between the threshold value of the nonvolatile memory and the movable charge in the insulating film.
[0033]
That is, when a voltage is applied to the control gate 16, a potential difference is generated between the floating gate 30 and the semiconductor substrate 10. For this reason, the movable charges in the insulating film are collected around the floating gate 30. When the movable charges are collected around the floating gate 30, the threshold value of the nonvolatile memory changes. Thus, there is a correlation between the threshold value of the nonvolatile memory and the movable charge in the insulating film.
[0034]
Incidentally, FIG. 4 shows a simulation result of the state of the electric field around the floating gate 30 when a voltage is applied to the control gate 16. Here, the voltage of “5.5 V” is applied to the control gate 16 and the semiconductor substrate 10 side is grounded. As a result, the potential of the floating gate 30 becomes “5 V” as shown in FIG. FIG. 4 shows an electric field generated around the floating gate 30 in the cross section along the line BB shown in FIG. 3 under such conditions. 4 that negative movable charges in the insulating film around the floating gate 30 gather at the floating gate 30. FIG.
[0035]
Hereinafter, a procedure for detecting the change in the threshold value will be described.
(A) After forming the nonvolatile memory shown in FIGS. 2 and 3, the floating gate 30 is irradiated with ultraviolet rays. This is because charges may be accumulated in the floating gate 30 in the manufacturing process of the nonvolatile memory, and the irradiation of the ultraviolet rays makes the floating gate 30 substantially neutral.
[0036]
(B) The initial value of the threshold value of the nonvolatile memory is measured. That is, for example, the source region 17 is grounded and a voltage of about “0.5 V” is applied to the drain region 18, and a predetermined potential difference is applied between the source region 17 and the drain region 18. Gradually change the voltage. Then, the value of the voltage applied to the control gate 16 when a predetermined current or more flows between the source region 17 and the drain region 18 is measured as the threshold value.
[0037]
(C) A predetermined voltage is applied to the control gate 16 while the potentials of the source region 17 and the drain region 18 are fixed, for example, the source region 17 and the drain region 18 are grounded. At this time, the potential of the control gate 16 is set to be different from the potential of the semiconductor substrate 10. Thereby, for example, by making the potential of the floating gate 30 positive with respect to the potential of the semiconductor substrate 10, negative movable charges can be collected around the floating gate 30. Further, for example, by making the potential of the floating gate 30 negative with respect to the potential of the semiconductor substrate 10, positive movable charges can be collected around the floating gate 30.
[0038]
Note that the value of the voltage applied to the control gate 16 is set to a value at which no current flows between the floating gate 30 and the source region 17 and the drain region 18. This is because if a current flows between the floating gate 30 and the source region 17 and the drain region 18, it may not be possible to stably detect the movable charge. Here, for example, it is desirable that the film thickness of the gate oxide film 28 is about “30 nm” and the voltage applied to the control gate 16 is “15 V” or less.
[0039]
(D) After the voltage application to the control gate 16 is temporarily stopped, the threshold value of the nonvolatile memory is immediately measured in the manner shown in (b) above.
(E) A change in the threshold value is detected from the threshold values measured in the steps (b) and (d). Note that the change in the threshold value may be detected by acquiring the time series data of three or more threshold values by repeating the steps (c) and (d).
[0040]
FIG. 5 shows measurement data regarding such a change in threshold value of the nonvolatile memory. In the measurement data, a voltage of “5.5 V” is applied to the control gate 16 in the step (b), and the surface area of the floating gate 30 is set to “28 μm.²”Was acquired. Further, FIG. 5 shows measured data when the temperature of the semiconductor substrate 10 during the series of steps (a) to (d) is set to “23 ° C.”, “85 ° C.”, and “150 ° C.”, respectively. Is shown.
[0041]
As shown in FIG. 5, the threshold change amount ΔVth increases as the voltage application time increases. This is because movable charges gradually gather around the floating gate 30 as the voltage application time becomes longer. Further, as shown in FIG. 5, as the temperature of the semiconductor substrate 10 during the series of steps (A) to (D) increases, the change in the threshold value increases. This is because the mobility of the movable charge increases as the temperature of the insulating film increases.
[0042]
Next, the amount of charge detected based on the change in threshold value detected in the above aspect will be considered.
FIG. 6 shows an equivalent circuit of the nonvolatile memory shown in FIGS. In FIG. 6, as shown in FIG. 2, the capacitance between the semiconductor substrate 10 and the floating gate 30 through the gate oxide film 26, the field oxide film 22, and the gate oxide film 28 is expressed as capacitances Cfc, Cfb, Cfg. Further, among the charge amounts stored in the floating gate 30, the charge amounts corresponding to the capacitors Cfc, Cfb, and Cfg are respectively charged.Quantity Qc, Qb, QgAnd
[0043]
Here, when the voltage Vcg is applied to the control gate 16, the charge amounts Qg, Qc, Qb are expressed by the following expressions (c1) to (c3) using the potential Vfg of the floating gate 30 together. .
[0044]
Qg = Cfg (Vfg−Vcg) (c1)
Qc = Cfc × Vfg (c2)
Qb = Cfb × Vfg (c3)
Therefore, the charge amount “−Q (t)” stored in the floating gate 30 at time t is expressed by the following equation (c4).
[0045]
−Q (t) = Qg + Qc + Qb

Here, when the process (b) is time t = 0 and the charge amount of the floating gate at this time is “0”, the measured threshold value Vth is expressed by the following equation (c5).
[0046]
(Cfg + Cfc + Cfb) × Vfg = Cfg × Vth (c5)
Further, the change amount “−ΔQ (t)” of the charge of the floating gate 30 at time t is expressed by the following equation (c6) using the change amount ΔVth of the threshold value.
[0047]

Substituting the above equation (c5) into the above equation (c6), the following equation (c7) is obtained.
[0048]
ΔQ (t) = Cfg × ΔVth (c7)
The above expression (c7) is an expression showing the relationship between the threshold change amount ΔVth at an arbitrary time and the amount of charge collected around the floating gate 30.
[0049]
Here, in this embodiment, the surface area of the floating gate 30 is set to “28 μm.²= 2.8 × 10^-7cm²The area S of the capacitance Cfg portion of the floating gate 30 is set to “8 μm²= 8 × 10^-8cm²The film thickness d of the gate oxide film 28 is “35 nm = 3.5 × 10^-6cm ". Therefore, the capacitance Cfg is as follows when the dielectric constant ε0 of vacuum and the relative dielectric constant εs of the gate oxide film 28 are used.
[0050]

In addition, since the threshold change amount ΔVth can be detected with sufficient accuracy if it is a value of about “0.1 V”, the charge change amount “−ΔQ (t ) "Is as follows.
[0051]
ΔQ (t) = Cfg × ΔVth = 7.9 × 10−¹⁶C
That is, according to the present embodiment, “7.9 × 10−¹⁶It is possible to sufficiently detect charges of the order of “C”. By the way, the charge per electron here is “1.60218 × 10−¹⁹C ”, the amount of change in charge is“ 7.9 × 10−¹⁶The number N of movable charges corresponding to “C” is as follows.
[0052]
N = 7.9 × 10−¹⁶/1.60218×10-¹⁹≈ 4930
If the movable charges collected in the floating gate 30 are uniformly distributed throughout the floating gate 30, the amount of movable charges per unit area is “4930 / 2.8 × 10−.⁷= 1.8 × 10^Ten(Cm^-2) ”.
[0053]
Thus, according to the present embodiment, it is possible to detect a small amount of movable charge. In this embodiment, the reliability of the semiconductor device is evaluated based on the detection of the movable charge.
[0054]
Here, the “reliability” of the semiconductor device refers to “a function for correctly performing the function for a preset period under a predetermined use condition”. However, the preset period is usually very long, and it is often not practical to perform a test for directly evaluating the reliability over a preset period when the semiconductor device is manufactured.
[0055]
Therefore, in the present embodiment, based on the correlation between the change in the movable charge in the predetermined test performed in a period shorter than the preset period and the test that directly evaluates the reliability of the semiconductor device, The reliability of the semiconductor device is evaluated. At this time, the correlation between the change in the mobile charge in the predetermined test and the test for directly evaluating the reliability of the semiconductor device, the test for directly evaluating the reliability of the prototyped semiconductor device, It is acquired based on data or the like possessed by a similar semiconductor device in the past. Thereby, the reliability of the semiconductor device can be evaluated based on the change of the movable charge in a predetermined test.
[0056]
Furthermore, in this embodiment, detection of a change in movable charge in a predetermined test is performed as detection of a change in threshold value in the predetermined test. Thereby, the reliability of the semiconductor device can be evaluated only from the measurement of the threshold value in a predetermined test.
[0057]
FIG. 7 shows the results of a test for directly evaluating the reliability of the above-described semiconductor device prototyped in advance. FIG. 7 shows a required specification for reliability that the amount of change in the threshold value is not more than a predetermined value when a voltage of “4 V” is applied to the control gate 16 for “1000 hours” at a temperature of “150 ° C.”. The result of the test of whether or not the above is satisfied is shown.
[0058]
FIG. 7 shows the transition of the threshold change amount ΔVth with respect to the voltage application time to the control gate 16. Here, when the required specification of reliability is that the threshold change amount ΔVth is, for example, “0.3 V” or less, the semiconductor device to be tested does not meet the required specification after 200 hours. It can be seen that it is. However, it is not always necessary to perform such a long test for each semiconductor wafer on which a plurality of semiconductor devices are formed. That is, by using data as illustrated in FIG. 7, the threshold change amount ΔVth over a long time may be estimated from the threshold change amount ΔVth in a short time. For example, the change amount ΔVth of the threshold value after 1000 hours can be estimated based on the change amount ΔVth of the threshold value when the application time is within “1 hour”.
[0059]
Next, conditions to be satisfied for a predetermined test having a correlation with a test for directly evaluating the reliability of the semiconductor device as shown in FIG. 7 will be considered.
As described above, with respect to the threshold value of the nonvolatile memory, it is possible to sufficiently detect a change amount of about “0.05 V”. Accordingly, one of the conditions is that a predetermined threshold change of “0.05 V” or more occurs in the predetermined test. Further, it is desirable that the test time for evaluating the reliability of the semiconductor device is a short time because of the demand for production efficiency. In general, the reliability test time is often required to be within several hours. Here, in the present embodiment, considering that the detection of the movable charge (detection of the change in threshold value) is performed at several places on each semiconductor wafer, the test time per time is set to “1000 seconds” or less.
[0060]
Therefore, as a predetermined test performed for the reliability evaluation, it is desired to set conditions that show a change in threshold value of “0.05 V” within “1000 seconds”. Parameters for setting such conditions include the temperature of the semiconductor substrate, the voltage applied to the control gate, and the area of the floating gate. This will be further described below.
[0061]
FIG. 8 shows the dependence of the threshold value of the nonvolatile memory on the temperature of the semiconductor substrate and the applied voltage when the voltage application time to the control gate 16 is “1000 seconds”. The nonvolatile memory used here is the one described above, and the area of the floating gate is “28 μm.²" As shown in FIG. 8, the amount of change in the threshold value increases as the temperature increases and as the voltage applied to the control gate increases.
[0062]
FIG. 9 shows the dependence on the temperature of the semiconductor substrate and the area of the floating gate with respect to the change of the threshold value of the nonvolatile memory when the voltage application time to the control gate is “1000 seconds”. As shown in FIG. 9, the amount of change in the threshold value increases as the temperature increases and the area of the floating gate increases.
[0063]
FIG. 10 shows the conditions of the above three parameters when the threshold change amount ΔVth is “0.05 V” when a voltage is applied to the control gate for “1000 seconds”.
In FIG. 10, the area S of the floating gate is “13 μm”.²”,“ 22 μm²”,“ 28 μm²The relationship between the temperature of the semiconductor substrate and the applied voltage is shown. In FIG. 10, the area S of each floating gate is “13 μm.²”,“ 22 μm²”,“ 28 μm²], The relationship between the temperature of the semiconductor substrate and the applied voltage is approximated by the following equations (c8) to (c10).
[0064]
T = 177.5 (1 / Vcg) +117.8 (c8)
T = 177.6 (1 / Vcg) +52.7 (c9)
T = 177.6 (1 / Vcg) +15.6 (c10)
Therefore, when the temperature of the semiconductor substrate is T and the test time is “1000 seconds”, the area S of these floating gates is “13 μm”, respectively.²”,“ 22 μm²”,“ 28 μm²The conditions of the voltage applied to the control gate when “” are expressed by the following equations (c11) to (c13).
[0065]
T> 177.5 (1 / Vcg) +117.8 (c11)
T> 177.6 (1 / Vcg) +52.7 (c12)
T> 177.6 (1 / Vcg) +15.6 (c13)
Note that the test conditions for directly evaluating the reliability as illustrated in FIG. 7 are the area of the floating gate and the voltage applied to the control gate when the reliability of each semiconductor device is actually evaluated. It is desirable to match the conditions for the temperature of the semiconductor substrate. Thereby, the reliability can be accurately evaluated. However, as illustrated in FIG. 8 and FIG. 9, when there is data indicating the correlation between the test results when the three parameters of the semiconductor substrate temperature, applied voltage, and floating gate area are changed, Even if they do not necessarily match, it is possible to evaluate the reliability of the semiconductor substrate based on a predetermined test.
[0066]
By performing a test for evaluating the reliability under such conditions, for example, in the area CA shown in FIG. 1, the nonvolatile memory having the same configuration as the nonvolatile memory shown in FIGS. When the memory is formed, the reliability of the nonvolatile memory can be appropriately evaluated. That is, in an actual semiconductor device, it is possible to appropriately evaluate whether or not the amount of change in the threshold value of the nonvolatile memory falls within an allowable range.
[0067]
According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(1) By detecting a change in the threshold value of the nonvolatile memory, it is possible to appropriately detect the movable charge in the insulating film. In addition, since the floating gate 30 is configured so that at least a part thereof is not covered with the control gate 16, the collection capability of the movable charge to the floating gate 30 can be improved, and the detection accuracy of the movable charge can be improved. Can be improved.
[0068]
(2) Since the detection of the movable charge is performed as detection of the change in the threshold value, it is possible to avoid performing processing such as calculation of the amount of movable charge.
(3) Since the value of the voltage applied to the control gate 16 is set to a value at which no current flows between one of the source region 17 and the drain region 18 and the floating gate 30, the movable charge is detected stably. Will be able to.
[0069]
(4) By forming the control gate 16, the source region 17, and the drain region 18 on the semiconductor substrate 10, a non-volatile memory used for detecting movable charges can be formed by using a normal transistor manufacturing process.
[0070]
(5) Since the nonvolatile memory used for the detection of the movable charge is formed in the cut line CL which is a region other than the plurality of regions CA constituting the semiconductor device, for example, a wiring or a pad for applying a voltage to the control gate, etc. The means used for detecting the change in threshold value can be formed without being restricted by the specifications of the semiconductor device.
[0071]
(6) The area of the floating gate 30, the voltage applied to the control gate 16, so that the amount of change in the threshold when the voltage application time to the control gate 16 is “1000 seconds” is “0.05 V” or more, The temperature of the semiconductor substrate 10 was adjusted. As a result, it is possible to perform appropriate mobile charge detection while keeping the time required for mobile charge detection within an allowable time.
[0072]
Each of the above embodiments may be modified as follows.
The memory used for detecting the movable charge is not limited to those illustrated in FIGS. For example, even when the control gate is not formed on the semiconductor substrate, the effect according to the above embodiment can be obtained as long as at least a part of the upper surface of the floating gate is not covered with the control gate.
[0073]
The area for forming the memory used for detecting the movable charge is not limited to the cut line CL, and may be, for example, a test chip formation area. Further, when the semiconductor device includes such a memory, the movable charge may be detected using the memory.
[0074]
The evaluation of the reliability of the semiconductor device based on the detection of the movable charge is not limited to the evaluation of the reliability of the memory having the same configuration as the memory used for the detection of the movable charge. For example, even when evaluating the reliability of an element different from the memory used for detecting the mobile charge, if the reliability is affected by the mobile charge, the change of the threshold value is detected in the evaluation of the reliability of the element. Mobile charge detection based on can be used. In this case as well, in view of the correlation between the mobile charge and the change in threshold, the reliability of such an element can be directly evaluated by the change in threshold without directly calculating the amount of mobile charge. You can also.
[0075]
The relationship between the voltage applied to the control gate, the area of the floating gate, and the temperature of the semiconductor substrate at the time of detection of the movable charge is not limited to those exemplified in the above equations (c11) to (c13). For example, the cross-sectional area of the floating gate is “13 to 28 μm.²It is effective to use appropriate values in the region exemplified in the above formula (c13) as the voltage applied to the control gate and the temperature of the semiconductor substrate even when the value is set to an arbitrary value. However, when performing the acceleration test, it is desirable that the temperature of the semiconductor substrate is “85 ° C.” or higher, and the voltage applied to the control gate is “4 V” or higher.
[0076]
Further, the characteristics shown in FIG. 10 are the above-mentioned

field oxide films

20, 22, 24,

gate oxide films

26, 28, BPSG film 40, TEOS film 42, silicon nitride film 44, etc. shown in FIG. This is a characteristic with respect to the structure having the insulating film of the configuration shown in FIG. However, even in the case of having an insulating film different from this, in view of the fact that there is a correlation between the change of the threshold and the movable charge, the relationship exemplified in the above formulas (c11) to (c13) is satisfied. It is effective to detect the movable charge under the condition setting.
[0077]
Note that the relationship between the voltage applied to the control gate, the area of the floating gate, and the temperature of the semiconductor substrate when detecting the movable charge is expressed by the above equation (c13) in accordance with the reliability specifications required for the semiconductor device. You may set other than the area | region illustrated.
[0078]
Instead of detecting the movable charge as a change in threshold value, this may be directly measured (calculated) using, for example, the above equation (c7).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor wafer in an embodiment of a movable charge detection method according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a nonvolatile memory used for detecting movable charges in the embodiment.
FIG. 3 is a plan view of the nonvolatile memory.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a simulation result of a potential distribution near a floating gate of the nonvolatile memory.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the voltage application time to the control gate, the change in threshold value, and the temperature of the semiconductor substrate in the embodiment.
FIG. 6 is an exemplary circuit diagram showing an equivalent circuit of the nonvolatile memory according to the embodiment;
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a voltage application time to a control gate and a change in threshold value.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the voltage application time to the control gate, the change in threshold value, and the temperature of the semiconductor substrate.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the area of the floating gate, the change in threshold value, and the temperature of the semiconductor substrate.
FIG. 10 is a diagram showing an applied voltage at which a change in threshold value becomes 0.05 V when a voltage is applied to the control gate for 1000 seconds and the temperature of the semiconductor substrate.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method of BT treatment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor wafer, 10 ... Semiconductor substrate, 12, 14 ... P well, 16 ... Control gate, 17 ... Source region, 18 ... Drain region, 20, 22, 24 ... Field oxide film, 26, 28 ... Gate oxide film, 30 ... floating gate, 40 ... BPSG film, 42 ... TEOS film, 44 ... silicon nitride film.

Claims

In a method for detecting a movable charge in an insulating film on a semiconductor substrate,
When a memory in which at least a part of the floating gate is not covered with the control gate is formed on the semiconductor substrate, the applied voltage to the control gate is Vcg, and the temperature of the semiconductor substrate is T,
T> 177.6 (1 / Vcg) +15.6 (However, the area of the floating gate is “28 μm ² ”)
The movable charge is detected based on detection of a change in the threshold value of the memory when a voltage is applied to the control gate so as to satisfy the relationship expressed by the above.

The method of detecting a mobile charge according to claim 1, wherein the detection of the mobile charge is performed as detection of a change in the threshold value.

The method for detecting a movable charge according to claim 1, wherein a value of a voltage applied to the control gate is set to a value at which a current does not flow between one of a source region and a drain region of the memory and the floating gate. .

The method for detecting a movable charge according to claim 1, wherein the memory includes the control gate, the source region, and the drain region formed on the semiconductor substrate.

In the detection method of the movable electric charge in any one of Claims 1-4,
The semiconductor substrate has a plurality of regions constituting a semiconductor device, and the memory used for detecting the movable charge is formed in a region other than the plurality of regions constituting the semiconductor device. Method for detecting mobile charge.