JP5636886B2 - Dielectric breakdown lifetime simulation method and silicon wafer surface quality evaluation method - Google Patents

Dielectric breakdown lifetime simulation method and silicon wafer surface quality evaluation method Download PDF

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Description

本発明は、例えばMOSデバイス等の品質評価の際に行われる絶縁破壊寿命シミュレーション方法及びシリコンウェーハ表面の品質評価方法に関する。   The present invention relates to a dielectric breakdown lifetime simulation method and a quality evaluation method for a silicon wafer surface, for example, performed at the time of quality evaluation of a MOS device or the like.

MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、MOSキャパシタ等の半導体デバイスでは、長期信頼性において絶縁体薄膜(以下、絶縁膜ともいう)の品質が絶縁破壊寿命に大きく影響する。
そこで、絶縁膜に印加する電圧が実際のデバイス動作より高い電界ストレス、あるいは、その動作時より高温状態の温度ストレス等の下での加速試験により、例えばTZDB(Time Zero Dielectric Breakdown)やTDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)測定が行われ、絶縁膜の評価が行われる。この中でもTDDB測定は、信頼性(寿命)を評価するものであり、かつTZDBよりも高ストレスを印加することから、近年ウェーハ評価に対してもよく用いられている。
In semiconductor devices such as MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors and MOS capacitors, the quality of an insulating thin film (hereinafter also referred to as an insulating film) greatly affects the dielectric breakdown lifetime in long-term reliability.
Therefore, for example, TZDB (Time Zero Dielectric Breakdown) or TDDB (TimeDB) is performed by an acceleration test under an electric field stress in which the voltage applied to the insulating film is higher than the actual device operation or a temperature stress at a higher temperature than that during the operation. Dependent Dielectric Breakdown) measurement is performed, and the insulating film is evaluated. Among them, the TDDB measurement is used for evaluating wafers in recent years because it evaluates reliability (life) and applies a higher stress than TZDB.

これまでに、シリコンウェーハ上に形成されるシリコン酸化膜等の絶縁膜の絶縁破壊については、多くの物理的モデルが研究・提案されている。その中で、電界および温度による金属電極(M)あるいは基板(シリコンウェーハ)(S)の電極から絶縁膜への電子の注入や、絶縁膜中の電流機構等が詳細に調べられ、特にこの電子によって生成される正孔と、当該正孔の膜中への注入、蓄積が、絶縁破壊に大きく影響することが判っている(例えば、非特許文献1,2参照)。
ところで、上記絶縁膜の信頼性評価に広く用いられるMOSキャパシタのTDDB測定では、絶縁膜の絶縁破壊は確率的に生じる。これは、主に絶縁膜の欠陥であるいわゆるウィークスポット、ピンホール、あるいは、正孔や電子の電荷トラップや水素等の不純物が膜中で不均一に分布することによる。
Up to now, many physical models have been studied and proposed for dielectric breakdown of an insulating film such as a silicon oxide film formed on a silicon wafer. Among them, the injection of electrons from the electrode of the metal electrode (M) or the substrate (silicon wafer) (S) due to the electric field and temperature into the insulating film, the current mechanism in the insulating film, etc. are investigated in detail. It has been found that the holes generated by the above and the injection and accumulation of the holes into the film greatly affect the dielectric breakdown (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).
By the way, in the TDDB measurement of the MOS capacitor widely used for the reliability evaluation of the insulating film, the dielectric breakdown of the insulating film occurs stochastically. This is mainly due to non-uniform distribution of so-called weak spots, pinholes, holes or electron charge traps, and impurities such as hydrogen, which are defects in the insulating film, in the film.

そこで、絶縁膜の破壊を確率過程として捉え、数理統計的にシミュレーション予測する確率モデルが提案されている。そのモデルとして、パーコレーションモデル(Percolation Model;浸透モデル)がある(例えば、非特許文献3参照)。これは、例えばシリコン酸化膜をメッシュ構造に分割して微小なセルを形成し、各セルが破壊する確率を想定して、酸化膜の厚さ方向で破壊セルが1列をなしたところで絶縁破壊が起きるとする確率モデルである。   Therefore, a stochastic model has been proposed in which the breakdown of the insulating film is regarded as a stochastic process, and simulation is predicted mathematically and statistically. As the model, there is a percolation model (seepage 3). This is because, for example, a silicon oxide film is divided into a mesh structure to form minute cells, and assuming the probability that each cell will break, dielectric breakdown occurs when the broken cells form a line in the thickness direction of the oxide film. Is a probabilistic model that

上記確率モデルでは、絶縁膜が厚いと実測値からのズレが大きく、薄くなると実測値に良く合うようになってくることが知られている。そのため、この確率モデルを用いた絶縁膜の絶縁破壊シミュレーション予測は、絶縁膜の膜厚がある程度薄い場合に有用となる。このため、厚い酸化膜への適応については、例えば膜中トラップの存在をモデル化するような提案がなされている(例えば、非特許文献4参照)。   In the above probability model, it is known that when the insulating film is thick, the deviation from the actually measured value is large, and when the insulating film is thin, the measured value is well matched. Therefore, the dielectric breakdown simulation prediction of the insulating film using this probability model is useful when the thickness of the insulating film is thin to some extent. For this reason, for adaptation to a thick oxide film, for example, a proposal has been made to model the presence of traps in the film (see, for example, Non-Patent Document 4).

特開2010−62346号公報JP 2010-62346 A

「International Journal of High Speed Electronics and Systems」、Vol.11,No.3(2001),pp.849−886“International Journal of High Speed Electronics and Systems”, Vol. 11, no. 3 (2001), pp. 849-886 「IEEE Transactions on Electron Devices」、 Vol.36,No.11(1989)pp.2462−2465“IEEE Transactions on Electron Devices”, Vol. 36, no. 11 (1989) pp. 11-11. 2462-2465 「International Journal of High Speed Electronics and Systems」、Vol.11,No.3(2001),pp.789−848“International Journal of High Speed Electronics and Systems”, Vol. 11, no. 3 (2001), pp. 789-848 「富士時報」Vol80(6)、2007.pp.457−460“Fuji Times” Vol 80 (6), 2007. pp. 457-460

ところが、シリコン酸化膜のような絶縁膜がさらに薄くなると、その絶縁破壊は半導体デバイス基板であるシリコンウェーハ表面の品質に大きく影響を受けるようになる。
特許文献1においては、シリコンウェーハ表面の品質状態(欠陥量、欠陥サイズ、マイクロラフネス)を考慮し、具体的には、モンテカルロ法のコンピュータシミュレーションによる絶縁破壊寿命シミュレーション方法で、シリコンウェーハの表面欠陥を、ウェーハ上にあるセルに対してセルを破壊させる欠陥としてくり込むことで対応している。
However, when an insulating film such as a silicon oxide film becomes thinner, the dielectric breakdown is greatly influenced by the quality of the surface of the silicon wafer that is a semiconductor device substrate.
In Patent Document 1, in consideration of the quality state (defect amount, defect size, microroughness) of the surface of the silicon wafer, specifically, the surface failure of the silicon wafer is determined by a dielectric breakdown lifetime simulation method based on a Monte Carlo computer simulation. This can be dealt with by cutting into a cell on the wafer as a defect that destroys the cell.

しかし、実際のシリコンウェーハは、引上げ育成したシリコン単結晶インゴットが薄円盤状にスライスされ、その後、ラッピング、エッチング、鏡面研磨、洗浄等の各種加工の製造工程を経て作製される。このように作製したシリコンウェーハの表面には、単結晶インゴットの引上げ育成時に生じたグローンイン欠陥が存在する。また、引上げ育成において、石英ルツボからシリコン単結晶インゴットに取り込まれて固溶する格子間酸素の析出物(BMD:Bulk Micro Defect)のような欠陥が、微小であれ存在する。また、ウェーハ表面には、原子レベルでの凹凸(以下、マイクロラフネスまたは単にラフネスという)が残存している。さらに、これらのウェーハ製造工程においては、常に汚染の発生が懸念され、デバイス作製工程においても、金属汚染が絶縁膜へ影響することが十分考えられる。
従って、シミュレーションにおいて、基板/絶縁膜界面を考えるだけでは、上記の金属汚染やラフネス等に影響される実際の絶縁破壊との適合が不十分である。
However, an actual silicon wafer is manufactured through a manufacturing process of various processes such as lapping, etching, mirror polishing, and washing after a silicon single crystal ingot that has been pulled and grown is sliced into a thin disk shape. On the surface of the silicon wafer produced in this way, there is a grow-in defect generated during the pulling and growing of the single crystal ingot. Further, in pulling growth, defects such as precipitates of interstitial oxygen (BMD: Bulk Micro Defect) that are taken in from a quartz crucible into a silicon single crystal ingot and are dissolved are present even if they are minute. Further, unevenness at the atomic level (hereinafter referred to as microroughness or simply roughness) remains on the wafer surface. Further, in these wafer manufacturing processes, the occurrence of contamination is always a concern, and it is fully conceivable that metal contamination affects the insulating film also in the device manufacturing process.
Therefore, in the simulation, if only the substrate / insulating film interface is considered, the matching with the actual dielectric breakdown affected by the metal contamination and roughness described above is insufficient.

上記のような従来の絶縁破壊寿命シミュレーション予測では、実際の絶縁膜周辺の状況が十分考慮されていなかった。   In the conventional dielectric breakdown lifetime simulation prediction as described above, the actual situation around the insulating film has not been sufficiently considered.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、実際のデバイスの絶縁破壊寿命に適合する精度の良いシミュレーションを行って、正確な絶縁膜の絶縁破壊寿命を求めることで、実測データとの対比で欠陥種、欠陥の大きさ等を正確に解析できる絶縁破壊寿命シミュレーション方法及びシリコンウェーハ表面の品質評価方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and by performing accurate simulation suitable for the dielectric breakdown life of an actual device and obtaining the accurate dielectric breakdown lifetime of the insulating film, It is an object of the present invention to provide a dielectric breakdown lifetime simulation method and a silicon wafer surface quality evaluation method capable of accurately analyzing defect types, defect sizes, and the like.

上記目的を達成するために、本発明は、シリコンウェーハと、該シリコンウェーハ上の絶縁膜と、該絶縁膜上の金属電極とを有する構造において、前記絶縁膜の絶縁破壊を確率過程として捉え、前記絶縁膜中に欠陥を乱数にて発生させ、該発生させた欠陥が前記絶縁膜の前記シリコンウェーハとの界面から前記金属電極との界面までつながった時点で前記絶縁膜が絶縁破壊するとしたコンピュータシミュレーションにより、前記絶縁膜の絶縁破壊寿命を求めるシミュレーション方法であって、前記シミュレーションする構造における、前記シリコンウェーハと前記絶縁膜の界面及び前記絶縁膜と前記金属電極の界面に、及び/又は、前記絶縁膜中に予め欠陥を組み込み、該欠陥を組み込んだ構造において、前記絶縁膜中に欠陥を乱数にて発生させて前記絶縁膜の絶縁破壊寿命を求めることを特徴とする絶縁破壊寿命シミュレーション方法を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention regards a dielectric breakdown of the insulating film as a stochastic process in a structure having a silicon wafer, an insulating film on the silicon wafer, and a metal electrode on the insulating film, A computer that generates a random number of defects in the insulating film, and that the insulating film breaks down when the generated defect is connected from the interface of the insulating film with the silicon wafer to the interface with the metal electrode. A simulation method for obtaining a dielectric breakdown lifetime of the insulating film by simulation, in the structure to be simulated, at an interface between the silicon wafer and the insulating film and an interface between the insulating film and the metal electrode, and / or In the structure in which defects are incorporated in the insulating film in advance and the defects are incorporated, defects are generated in the insulating film with random numbers. Thereby providing a dielectric breakdown lifetime simulation method characterized by determining the dielectric breakdown lifetime of the insulating film.

このように、シミュレーションする構造における、シリコンウェーハと絶縁膜の界面及び絶縁膜と金属電極の界面に、及び/又は、絶縁膜中に予め欠陥を組み込み、該欠陥を組み込んだ構造において、絶縁膜中に欠陥を乱数にて発生させて絶縁膜の絶縁破壊寿命を求めることで、絶縁破壊に影響する絶縁膜の欠陥やウェーハ表面品質を織り込んだ精度の良いシミュレーションを行って、実際のデバイスに近い絶縁破壊寿命を求めることができる。このため、本発明のシミュレーションを用いて、実際のデバイスの品質や、シリコンウェーハ表面の品質を精度高く評価することができる。   As described above, in the structure to be simulated, a defect is previously incorporated in the interface between the silicon wafer and the insulating film and the interface between the insulating film and the metal electrode and / or in the insulating film. By generating defects with random numbers and determining the dielectric breakdown lifetime of the insulation film, we perform accurate simulations that incorporate the defects in the insulation film that affect the dielectric breakdown and the wafer surface quality, and provide insulation close to that of the actual device. Destruction life can be determined. For this reason, the quality of the actual device and the quality of the silicon wafer surface can be evaluated with high accuracy using the simulation of the present invention.

このとき、前記予め組み込む欠陥の大きさ、密度又は位置を、実際のシリコンウェーハ、絶縁膜、金属電極又はそれらの界面の欠陥を予測した仮定値とすることが好ましい。
このように、本発明のシミュレーションにおいて、予め組み込む欠陥の大きさ、密度又は位置を、実際のシリコンウェーハ、絶縁膜、金属電極又はそれらの界面の欠陥を予測した仮定値とすることで、より精度の良いシミュレーションを行うことができ、また、当該シミュレーション結果を基に、実際のデバイス中の欠陥量等を正確に評価できる。
At this time, it is preferable that the size, density, or position of the defect to be incorporated in advance is an assumed value that predicts a defect in an actual silicon wafer, an insulating film, a metal electrode, or an interface thereof.
As described above, in the simulation of the present invention, the size, density, or position of the defects to be incorporated in advance is assumed to be a hypothetical value that predicts the defects at the actual silicon wafer, insulating film, metal electrode, or their interface, thereby providing more accuracy. In addition, the amount of defects in the actual device can be accurately evaluated based on the simulation result.

このとき、前記予め組み込む欠陥の大きさ又は位置を、ポアソン分布に基づいて設定することが好ましい。
このように、本発明のシミュレーションにおいて、予め組み込む欠陥の大きさ又は位置を、ポアソン分布に基づいて設定することで、より精度の良いシミュレーションを行うことができる。
At this time, it is preferable to set the size or position of the defect to be incorporated in advance based on the Poisson distribution.
Thus, in the simulation of the present invention, a more accurate simulation can be performed by setting the size or position of the defect to be incorporated in advance based on the Poisson distribution.

このとき、前記絶縁破壊寿命をシミュレーションする絶縁膜の厚さを、10nm以下とすることができる。
このように、絶縁破壊寿命をシミュレーションする絶縁膜の厚さが、10nm以下であるような場合に、本発明であれば、シリコンウェーハ表面の品質の影響を考慮したシミュレーションを行うことができ、実際のデバイスに即した正確な絶縁破壊寿命を求めることができる。
At this time, the thickness of the insulating film for simulating the dielectric breakdown lifetime can be 10 nm or less.
As described above, when the thickness of the insulating film for simulating the dielectric breakdown lifetime is 10 nm or less, the present invention can perform a simulation in consideration of the quality of the surface of the silicon wafer. Therefore, it is possible to obtain an accurate dielectric breakdown lifetime in conformity with the device.

また、本発明は、シリコンウェーハ表面の品質評価方法であって、前記シリコンウェーハ上に絶縁膜と金属電極を形成して作製された複数のMOSキャパシタのTDDBの実測データを測定し、本発明の絶縁破壊寿命シミュレーション方法において、前記MOSキャパシタと同じ条件を設定して、前記絶縁膜の絶縁破壊寿命を示すTDDBを求め、該シミュレーションで求めたTDDBと、前記TDDBの実測データとを対比させて、前記シミュレーションで予め組み込んだ欠陥の設定値を基に、前記シリコンウェーハの表面欠陥を評価することを特徴とするシリコンウェーハ表面の品質評価方法を提供する。   The present invention also relates to a method for evaluating the quality of a silicon wafer surface, wherein measured data of TDDB of a plurality of MOS capacitors fabricated by forming an insulating film and a metal electrode on the silicon wafer is measured. In the dielectric breakdown lifetime simulation method, the same conditions as the MOS capacitor are set, TDDB indicating the dielectric breakdown lifetime of the insulating film is obtained, and the TDDB obtained in the simulation is compared with the measured data of the TDDB, There is provided a quality evaluation method for a surface of a silicon wafer, characterized by evaluating a surface defect of the silicon wafer based on a set value of a defect previously incorporated in the simulation.

このようなシリコンウェーハ表面の品質評価方法であれば、本発明のシミュレーション方法で精度良く求めたTDDBと実測データとの対比により、シミュレーションで設定した欠陥を基に、実際のシリコンウェーハの欠陥量やラフネス等を正確に評価することができる。   With such a quality evaluation method for the surface of a silicon wafer, the actual amount of silicon wafer defects can be determined based on the defects set in the simulation by comparing the TDDB accurately obtained by the simulation method of the present invention with the measured data. Roughness etc. can be accurately evaluated.

以上のように、本発明によれば、実際のデバイスの絶縁破壊に適合するシミュレーションを行うことができ、精度良く絶縁破壊寿命を求めて、実際のシリコンウェーハの表面品質を正確に評価することができる。   As described above, according to the present invention, simulation suitable for the dielectric breakdown of an actual device can be performed, the dielectric breakdown lifetime can be obtained accurately, and the surface quality of an actual silicon wafer can be accurately evaluated. it can.

本発明の絶縁破壊シミュレーション方法の実施態様の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the embodiment of the dielectric breakdown simulation method of this invention. 本発明の絶縁破壊シミュレーション方法において、予め組み込む欠陥の配置の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of arrangement | positioning of the defect integrated previously in the dielectric breakdown simulation method of this invention. 実施例1及び比較例1におけるシミュレーションで求めたTDDBと、実測して求めたTDDBのワイブルプロットである。It is a Weibull plot of TDDB calculated | required by simulation in Example 1 and Comparative Example 1, and TDDB calculated | required by actual measurement. 実施例2及び比較例2におけるシミュレーションで求めたTDDBと、実測して求めたTDDBのワイブルプロットである。It is a Weibull plot of TDDB calculated | required by simulation in Example 2 and Comparative Example 2, and TDDB calculated | required by actual measurement.

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図1は、本発明の絶縁破壊シミュレーション方法の実施態様の一例を示すフロー図である。図2は、本発明の絶縁破壊シミュレーション方法において、予め組み込む欠陥の配置の例を示す説明図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail as an example of an embodiment with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
FIG. 1 is a flowchart showing an example of an embodiment of the dielectric breakdown simulation method of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of arrangement of defects incorporated in advance in the dielectric breakdown simulation method of the present invention.

まず、本発明において、図1(a)に示すような、シリコンウェーハ13上に絶縁膜12と金属膜11を有する例えばMOS構造10の絶縁破壊寿命を以下のような本発明のシミュレーションで求める。
このようなMOS構造10の絶縁膜12の厚さ等は、評価対象に合わせて適宜設定でき、例えば、本発明の方法であれば、シリコンウェーハ13表面の欠陥等の影響を組み込んだシミュレーションを行うことができるため、絶縁膜12が10nm以下の厚さのものでも精度の良いシミュレーションを行うことができる。
First, in the present invention, the dielectric breakdown lifetime of, for example, the MOS structure 10 having the insulating film 12 and the metal film 11 on the silicon wafer 13 as shown in FIG. 1A is obtained by the following simulation of the present invention.
The thickness and the like of the insulating film 12 of the MOS structure 10 can be set as appropriate according to the evaluation target. For example, in the method of the present invention, a simulation incorporating the influence of defects on the surface of the silicon wafer 13 is performed. Therefore, even if the insulating film 12 has a thickness of 10 nm or less, a highly accurate simulation can be performed.

本発明のシミュレーション方法に際しては、図1(b)に示すようなMOS構造10’を想定する。当該想定したMOS構造10’は、絶縁膜12、絶縁膜12の金属膜11との界面14、及び、絶縁膜12のシリコンウェーハ13との界面15からなる。   In the simulation method of the present invention, a MOS structure 10 'as shown in FIG. The assumed MOS structure 10 ′ includes an insulating film 12, an interface 14 between the insulating film 12 and the metal film 11, and an interface 15 between the insulating film 12 and the silicon wafer 13.

そして、図1(c)のように、MOS構造10’に予め欠陥16を組み込む。
この際、図1(c)及び図2(a)のように絶縁膜12の金属膜11との界面14、及び、絶縁膜12のシリコンウェーハ13との界面15に欠陥16を組み込むか、図2(b)に示すように絶縁膜12中に欠陥16を組み込むか、あるいは、図2(c)に示すように界面14,15及び絶縁膜12中に欠陥16を組み込む。
Then, as shown in FIG. 1C, the defect 16 is previously incorporated in the MOS structure 10 ′.
At this time, as shown in FIG. 1C and FIG. 2A, the defect 16 is incorporated into the interface 14 of the insulating film 12 with the metal film 11 and the interface 15 of the insulating film 12 with the silicon wafer 13 or FIG. As shown in FIG. 2B, the defect 16 is incorporated in the insulating film 12, or as shown in FIG. 2C, the defect 16 is incorporated in the interfaces 14, 15 and the insulating film 12.

このような組み込む欠陥の大きさ、密度又は位置は、実際のシリコンウェーハ、絶縁膜、金属電極、又はそれらの界面の欠陥を予測した仮定値とすることが好ましい。
このときの仮定値の設定は、例えば、大きさをポアソン分布で仮定し、ある密度で繰り込むことで大きさの影響を検討できる。そして、大きさを決定した後、密度を変化させてシミュレーションを繰り返し行う。
このように、実情に合わせて、実際のMOS構造の絶縁膜の界面、絶縁膜中、シリコンウェーハ表面等に存在する欠陥種類を予測した仮定値を決定して、組み込むことで、シミュレーションで求めた値と実測値との対比がより精度良くでき、正確な欠陥評価を行うことができる。
It is preferable that the size, density, or position of the defect to be incorporated is an assumed value that predicts a defect of an actual silicon wafer, an insulating film, a metal electrode, or an interface thereof.
In this setting of the assumed value, for example, the size is assumed to be a Poisson distribution, and the influence of the size can be examined by moving in at a certain density. Then, after determining the size, the simulation is repeated by changing the density.
In this way, in accordance with the actual situation, the assumed value predicting the defect type existing in the interface of the insulating film of the actual MOS structure, in the insulating film, the silicon wafer surface, etc. is determined and incorporated, and obtained by simulation. The value and the measured value can be compared with higher accuracy, and accurate defect evaluation can be performed.

例えば、図1(c)、図2(a)のように、界面14,15に等間隔で欠陥を組み込むことで、実際のデバイスにおけるシリコンウェーハ表面のラフネスを再現することができ、ラフネスの影響をシミュレーションすることが可能になる。
また、図2(b)のように、絶縁膜中に欠陥を組み込む場合には、例えば絶縁膜中の欠陥密度を仮定して、組み込むことができる。また、この場合、シリコンウェーハ13との界面15側に欠陥を配置する等して、実際の絶縁膜中に存在する欠陥やトラップ等を再現することができる。
For example, as shown in FIGS. 1C and 2A, by incorporating defects at equal intervals in the interfaces 14 and 15, the roughness of the silicon wafer surface in an actual device can be reproduced, and the influence of the roughness Can be simulated.
Also, as shown in FIG. 2B, when defects are incorporated in the insulating film, for example, the defect density in the insulating film can be assumed and incorporated. Also, in this case, defects, traps, etc. existing in the actual insulating film can be reproduced by arranging defects on the interface 15 side with the silicon wafer 13.

また、組み込む欠陥の大きさは、2種類以上としてもよく、実際のデバイスに即して決定することができる。
組み込む欠陥の大きさや配置としては、例えば、実際の欠陥に応じて、ポアソン分布に基づき統計的に設定することが好ましい。ただし、大きさや座標位置を、任意に指定して配置することもできる。
Also, the size of the defect to be incorporated may be two or more, and can be determined according to the actual device.
The size and arrangement of defects to be incorporated are preferably set statistically based on a Poisson distribution, for example, according to actual defects. However, the size and coordinate position can be arbitrarily designated and arranged.

そして、絶縁膜12の膜厚、ゲート長等を設定し、絶縁膜12の絶縁破壊を確率過程として捉え、絶縁膜12中に乱数的に欠陥17を発生させ(図1(d))、欠陥16,17が、絶縁膜12のシリコンウェーハ13との界面15から金属電極11との界面14までつながった時点(図1(e))で絶縁膜が破壊するとしたシミュレーションを行う。
このような絶縁破壊までに試行した回数(乱数にて欠陥17を発生させた回数)を絶縁破壊までの時間として、MOS構造10の絶縁破壊寿命を求めることができる。
Then, the film thickness, gate length, etc. of the insulating film 12 are set, the dielectric breakdown of the insulating film 12 is regarded as a stochastic process, and defects 17 are randomly generated in the insulating film 12 (FIG. 1D). A simulation is performed in which the insulating film breaks when 16 and 17 are connected from the interface 15 with the silicon wafer 13 of the insulating film 12 to the interface 14 with the metal electrode 11 (FIG. 1E).
The dielectric breakdown lifetime of the MOS structure 10 can be obtained by using the number of trials until the dielectric breakdown (the number of times the defect 17 is generated by random numbers) as the time until the dielectric breakdown.

なお、当該試行回数を絶縁破壊までの時間へ換算する際には、例えば、シリコンウェーハ13表面や絶縁膜12に欠陥が存在しない場合の実測値との比較から換算値を求めることができる。ただし、シリコンウェーハ表面等の欠陥の絶縁破壊への影響を評価するのであれば、厳密な換算値は必ずしも必要でなく、任意の換算値を用いて、相対データ比較でも十分な議論が可能である。
また、当該絶縁破壊までのシミュレーションを、実際のシリコンウェーハ上に形成されるMOS構造の所定の個数分(例えば100回以上)繰り返すことで、実際のMOS構造のTDDB測定で得られるワイブルプロットを構築することができる。
Note that when the number of trials is converted into the time until dielectric breakdown, for example, a converted value can be obtained from a comparison with an actually measured value when there is no defect on the surface of the silicon wafer 13 or the insulating film 12. However, if you want to evaluate the influence of defects such as silicon wafer surface on dielectric breakdown, a strict conversion value is not always necessary, and it is possible to have a sufficient discussion even in relative data comparison using any conversion value. .
In addition, by repeating the simulation up to the breakdown for a predetermined number of MOS structures formed on an actual silicon wafer (for example, 100 times or more), a Weibull plot obtained by TDDB measurement of the actual MOS structure is constructed. can do.

また、本発明のシミュレーション方法には、モンテカルロ法のようにメッシュで区切る方法よりも実欠陥のイメージに近いS−PLUS関数を用いることが好ましい。
また、本発明でシミュレーションできる絶縁膜12としては、シリコン酸化膜に限られず、シリコン酸窒化膜、シリコン酸化膜とシリコン酸窒化膜の複合膜、高融点金属酸化膜、シリケート膜であってもよい。このような絶縁膜12の種類によって、シミュレーションで発生させる欠陥の大きさ、または予め組み込む欠陥の大きさ、位置等を適宜設定することができる。
In the simulation method of the present invention, it is preferable to use an S-PLUS function that is closer to the image of the actual defect than the method of dividing with a mesh like the Monte Carlo method.
The insulating film 12 that can be simulated by the present invention is not limited to a silicon oxide film, but may be a silicon oxynitride film, a composite film of a silicon oxide film and a silicon oxynitride film, a refractory metal oxide film, or a silicate film. . Depending on the type of the insulating film 12, the size of a defect generated in a simulation or the size, position, etc. of a defect to be incorporated in advance can be set as appropriate.

以上のようなパーコレーションモデルによる本発明のシミュレーション方法であれば、従来の絶縁破壊モデルにおいて取り込めていなかった実際のシリコンウェーハ表面の表面欠陥、マイクロラフネス等の品質状態の影響、さらには、絶縁膜中の欠陥も簡便に組み込んでシミュレーションでき、精度良く絶縁破壊寿命を求めることができる。これにより、実際のシリコンウェーハ表面に形成したシリコン酸化膜等のTDDBの実測値を基に、MOS構造やシリコンウェーハ表面の品質評価を簡易に精度高く行うことができる。   With the simulation method of the present invention based on the percolation model as described above, the surface defects on the surface of the actual silicon wafer, the influence of the quality state such as microroughness that could not be captured in the conventional dielectric breakdown model, and further, in the insulating film These defects can be easily incorporated and simulated, and the dielectric breakdown life can be obtained with high accuracy. Thereby, based on the measured value of TDDB such as a silicon oxide film formed on the actual silicon wafer surface, the quality evaluation of the MOS structure and the silicon wafer surface can be easily performed with high accuracy.

本発明のシミュレーション方法を用いてシリコンウェーハ表面の品質評価を行う方法としては、まず、シリコンウェーハ上に絶縁膜と金属電極を形成して作製された複数のMOSキャパシタのTDDBの実測データを測定する。一方、本発明の絶縁破壊寿命シミュレーション方法において、上記実測したMOSキャパシタと同じ条件(絶縁膜の膜厚、ゲート長等)を設定して、絶縁膜の絶縁破壊寿命を示すTDDBを求める。
そして、シミュレーションで求めたTDDBと、TDDBの実測データとを対比させて、本発明のシミュレーションで予め組み込んだ欠陥の設定値を基に、シリコンウェーハの表面欠陥を評価する。
As a method for evaluating the quality of a silicon wafer surface using the simulation method of the present invention, first, measured data of TDDB of a plurality of MOS capacitors produced by forming an insulating film and a metal electrode on a silicon wafer is measured. . On the other hand, in the dielectric breakdown lifetime simulation method of the present invention, the same conditions (insulating film thickness, gate length, etc.) as those of the actually measured MOS capacitor are set, and TDDB indicating the dielectric breakdown lifetime of the insulating film is obtained.
Then, the surface defect of the silicon wafer is evaluated based on the set value of the defect previously incorporated in the simulation of the present invention by comparing the TDDB obtained by the simulation with the measured data of the TDDB.

具体的には、例えば、シミュレーションにおいて予め組み込む欠陥を0として、シリコンウェーハ表面に欠陥が無い場合のシミュレーションTDDBを求めてワイブルプロットを構築する。一方、実際のシリコンウェーハ表面の実欠陥や表面ラフネスを基に予測される仮定値の欠陥を予め組み込んだ構造でシミュレーションを行い、当該欠陥を組み込んだ場合のシミュレーションTDDBを求めてワイブルプロットを構築する。そして、TDDBの実測データのワイブルプロットを構築して、上記シミュレーションの2つのワイブルプロットとの対比で、相対的に評価することができる。予測した欠陥を組み込んだシミュレーションTDDBのワイブルプロットよりも、欠陥が0としたシミュレーションTDDBのワイブルプロットの方に実測データのワイブルプロットが近ければ、予測した仮定値よりも欠陥が少なく、良好な表面であると評価することができる。   Specifically, for example, a defect to be incorporated in advance in the simulation is set to 0, and a simulation TDDB in the case where there is no defect on the silicon wafer surface is obtained to construct a Weibull plot. On the other hand, a simulation is performed with a structure in which defects of an assumed value predicted based on actual defects on the actual silicon wafer surface and surface roughness are incorporated in advance, and a Weibull plot is constructed by obtaining a simulation TDDB in which the defects are incorporated. . Then, a Weibull plot of measured data of TDDB can be constructed and relatively evaluated by comparison with the two Weibull plots of the simulation. If the Weibull plot of the measured data is closer to the Weibull plot of the simulation TDDB in which the defect is 0 than the Weibull plot of the simulation TDDB incorporating the predicted defect, there are fewer defects than the predicted assumption and the surface is good. It can be evaluated that there is.

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1、比較例1)
シリコンウェーハを材料として、酸化膜厚を5nm、ゲート長を2mmに設定したMOS構造において、酸化膜中で確率かつ経時的にランダムに生成する欠陥の大きさを0.5nmに仮定して設定し、S−PLUS言語で作製したソフトにて当該設定した欠陥を乱数的に発生させ(図1(d))、電極/ウェーハ間で欠陥がつながった時(図1(e))を絶縁破壊したとし、この時までの試行回数を破壊までの時間(寿命)として算出した。このシミュレーションを100回実施し、ワイブルプロットを作製した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these.
(Example 1, Comparative Example 1)
In a MOS structure in which a silicon wafer is used as the material and the oxide film thickness is set to 5 nm and the gate length is set to 2 mm, the size of defects that are randomly generated in the oxide film at random with time is assumed to be 0.5 nm. Then, the set defect is randomly generated by the software produced in the S-PLUS language (FIG. 1 (d)), and when the defect is connected between the electrode / wafer (FIG. 1 (e)), the dielectric breakdown occurs. And the number of trials up to this time was calculated as the time until failure (lifetime). This simulation was performed 100 times to prepare a Weibull plot.

なお、シミュレーション回数に制限はないが、実際の測定との関係を考慮すると100回以上は行った方が精度が良い。また、乱数的に発生させる欠陥の大きさについても、5nmに限定されないが、一般的な大きさとして、例えば非特許文献4等にもおおよそ1nm前後であると記載されている。   The number of simulations is not limited, but considering the relationship with the actual measurement, it is better to perform the simulation more than 100 times. Further, the size of the defect generated randomly is not limited to 5 nm, but as a general size, for example, Non-Patent Document 4 also describes that it is about 1 nm.

ここで、実施例1では、上記のように乱数にて欠陥を発生させる前に、ウェーハ/酸化膜及び酸化膜/電極の両界面にあらかじめ欠陥を存在させるように組み込んだ。この際、図2(a)に示すように、あらかじめ周期が2nm程度になるように欠陥を両界面に設定する。これによりシリコンウェーハ表面上のラフネスをあらわしていることになる。
一方、比較例1では、欠陥を予め組み込まずにシミュレーションを行った。
Here, in Example 1, before a defect was generated with a random number as described above, a defect was previously incorporated at both the wafer / oxide film and oxide film / electrode interfaces. At this time, as shown in FIG. 2A, defects are set at both interfaces in advance so that the period is about 2 nm. This represents roughness on the surface of the silicon wafer.
On the other hand, in Comparative Example 1, simulation was performed without incorporating defects in advance.

実施例1,比較例1のシミュレーションにおいて、欠陥がつながるまでに試行した回数を任意の時間単位で横軸にし、縦軸は100回のデータをワイブル表示したグラフを図3(a)に示す。   FIG. 3A shows a graph in which the horizontal axis represents the number of trials until a defect is connected in the simulation of Example 1 and Comparative Example 1, and the vertical axis represents 100 times of data.

また、比較のために実測データを図3(b)に示す。これは、ラフネスを持つサンプルと、ラフネスのない(非常に小さい)サンプルについてゲート酸化膜5nmで評価を行った結果である。   For comparison, the actual measurement data is shown in FIG. This is a result of evaluating a sample having roughness and a sample having no roughness (very small) with a gate oxide film of 5 nm.

図3(a)から、従来法に比べて実施例1の方が絶縁破壊までの時間が短くなっていることが分かる。また、図3(b)から、実測データにおいて、ラフネスのないものは破壊までの時間(電荷量Qbd)が長く、ラフネスのあるものは破壊までの時間(Qbd)が短くなっている。すなわち、ラフネスを考慮しない比較例1とラフネスを考慮した実施例1に、実測データがそれぞれ対応している。
このように、界面ラフネスの有無について実測データとシミュレーションは良い一致を示しており、本発明により界面ラフネスの影響を繰り込んだ精度の良いシミュレーションが可能となった。
From FIG. 3A, it can be seen that the time until dielectric breakdown is shorter in Example 1 than in the conventional method. Also, from FIG. 3B, in the measured data, the data without roughness has a long time to breakdown (charge amount Qbd), and the data with roughness has a short time to breakdown (Qbd). That is, the measured data corresponds to Comparative Example 1 in which the roughness is not considered and Example 1 in which the roughness is considered.
As described above, the measured data and the simulation are in good agreement with respect to the presence / absence of the interface roughness, and the present invention makes it possible to perform a highly accurate simulation that incorporates the influence of the interface roughness.

(実施例2、比較例2)
シリコンウェーハを材料として、酸化膜厚を15nm、ゲート長を2mmに設定したMOS構造において、酸化膜中で確率かつ経時的にランダムに生成する欠陥の大きさを0.5nmに仮定して設定し、S−PLUS言語で作製したソフトにて当該設定した欠陥を乱数的に発生させ、電極/ウェーハ間で欠陥がつながった時を絶縁破壊したとし、この時までの試行回数を破壊までの時間(寿命)として算出した。このシミュレーションを100回実施し、ワイブルプロットを作製した。
(Example 2, comparative example 2)
In a MOS structure in which a silicon wafer is used as the material and the oxide film thickness is set to 15 nm and the gate length is set to 2 mm, the size of defects generated randomly and over time in the oxide film is assumed to be 0.5 nm. , It is assumed that the set defects are generated randomly by software created in the S-PLUS language, and the dielectric breakdown occurs when the defects are connected between the electrode / wafer. The number of trials up to this time Life). This simulation was performed 100 times to prepare a Weibull plot.

ここで、実施例2では、上記のように乱数にて欠陥を発生させる前に、酸化膜中に予め欠陥を存在させるように組み込んだ。この際、図2(b)に示すように、予め大きさ2nmの欠陥を、密度を0.001個/nmとして、乱数を用いて酸化膜中に配置した。これにより、酸化膜の膜中欠陥をあらわしていることになる。
一方、比較例2では、欠陥を予め組み込まずにシミュレーションを行った。
Here, in Example 2, before a defect was generated with a random number as described above, the defect was previously incorporated in the oxide film. At this time, as shown in FIG. 2B, defects having a size of 2 nm were previously arranged in the oxide film with a density of 0.001 / nm 2 using random numbers. This represents a defect in the oxide film.
On the other hand, in Comparative Example 2, simulation was performed without incorporating defects in advance.

実施例2,比較例2のシミュレーションにおいて、欠陥がつながるまでに試行した回数を任意の時間単位で横軸にし、縦軸は100回のデータをワイブル表示したグラフを図4(a)に示す。   FIG. 4A shows a graph in which the number of trials until a defect is connected in the simulation of Example 2 and Comparative Example 2 is plotted on the horizontal axis in arbitrary time units, and the vertical axis represents 100 times of data.

また、比較のために実測データを図4(b)に示す。これは膜中欠陥を有するサンプルと、膜中欠陥のない(非常に少ない)サンプルについてゲート酸化膜15nmで評価を行った結果である。   For comparison, actual measurement data is shown in FIG. This is a result of evaluation of a sample having defects in the film and a sample having no (very few) defects in the film at a gate oxide film of 15 nm.

図4(a)から、従来法の比較例2に比べて実施例2の方が、シミュレーションの絶縁破壊までの時間が短くなっていることが分かる。また、図4(b)から、実測データにおいて、膜中欠陥のないものは破壊までの時間(電荷量Qbd)が長く、膜中欠陥のあるものは破壊までの時間(Qbd)が短くなっている。すなわち、膜中欠陥を考慮しない比較例2と、膜中欠陥を考慮した実施例2に、実測データがそれぞれ対応している。
このように、酸化膜の膜中欠陥の有無について実測データとシミュレーションは良い一致を示しており、本発明により膜中欠陥の影響を繰り込んだ精度の良いシミュレーションが可能となった。
FIG. 4A shows that the time until the dielectric breakdown in the simulation is shorter in Example 2 than in Comparative Example 2 of the conventional method. Also, from FIG. 4B, in the measured data, in the case of no defect in the film, the time to breakdown (charge amount Qbd) is long, and in the case of the defect in the film, the time to breakdown (Qbd) is short. Yes. That is, the measured data corresponds to Comparative Example 2 in which no defects in the film are considered and Example 2 in which defects in the film are considered.
As described above, the measured data and the simulation are in good agreement with respect to the presence / absence of defects in the oxide film, and the present invention makes it possible to perform a highly accurate simulation that incorporates the effects of defects in the film.

なお、上記実施例、比較例では、ワイブルプロットにより絶縁破壊寿命を表したが、絶縁破壊のワイブルプロットに換えて絶縁破壊の累積不良率により統計処理を行うようにしても問題はないため、使用者側で選択されるべきものである。   In the above examples and comparative examples, the breakdown life was expressed by the Weibull plot, but there is no problem even if statistical processing is performed by the cumulative failure rate of the breakdown instead of the Weibull plot of the breakdown. It should be chosen by the party.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

10、10’…MOS構造、 11…金属電極、 12…絶縁膜、
13…シリコンウェーハ、 14…絶縁膜と金属電極の界面、
15…絶縁膜とシリコンウェーハの界面、 16、17…欠陥、
10, 10 '... MOS structure, 11 ... Metal electrode, 12 ... Insulating film,
13 ... Silicon wafer, 14 ... Interface between insulating film and metal electrode,
15 ... Interface between insulating film and silicon wafer 16, 16 ... Defect,

Claims (4)

シリコンウェーハと、該シリコンウェーハ上の絶縁膜と、該絶縁膜上の金属電極とを有する構造において、前記絶縁膜の絶縁破壊を確率過程として捉え、前記絶縁膜中に欠陥を乱数にて発生させ、該発生させた欠陥が前記絶縁膜の前記シリコンウェーハとの界面から前記金属電極との界面までつながった時点で前記絶縁膜が絶縁破壊するとしたコンピュータシミュレーションにより、前記絶縁膜の絶縁破壊寿命を求めるシミュレーション方法であって、
前記シミュレーションする構造における、前記シリコンウェーハと前記絶縁膜の界面及び前記絶縁膜と前記金属電極の界面に、及び/又は、前記絶縁膜中に予め欠陥を組み込み、前記予め組み込む欠陥の大きさ、密度又は位置を、実際のシリコンウェーハ、絶縁膜、金属電極又はそれらの界面の欠陥を予測した仮定値とし、該欠陥を組み込んだ構造において、前記絶縁膜中に欠陥を乱数にて発生させて前記絶縁膜の絶縁破壊寿命を求めることを特徴とする絶縁破壊寿命シミュレーション方法。
In a structure having a silicon wafer, an insulating film on the silicon wafer, and a metal electrode on the insulating film, the dielectric breakdown of the insulating film is regarded as a stochastic process, and defects are generated in the insulating film with random numbers. The dielectric breakdown lifetime of the insulating film is obtained by computer simulation in which the insulating film breaks down when the generated defect is connected from the interface with the silicon wafer to the interface with the metal electrode. A simulation method comprising:
In the structure to be simulated, defects are incorporated in advance in the interface between the silicon wafer and the insulating film and the interface between the insulating film and the metal electrode and / or in the insulating film, and the size and density of the defects incorporated in advance. Or, the position is assumed to be a predicted value of defects in an actual silicon wafer, insulating film, metal electrode or their interface, and in the structure incorporating the defects, defects are generated in the insulating film by random numbers and the insulation is performed. A dielectric breakdown lifetime simulation method characterized by obtaining a dielectric breakdown lifetime of a film.
前記予め組み込む欠陥の大きさ又は位置を、ポアソン分布に基づいて設定することを特徴とする請求項1記載の絶縁破壊寿命シミュレーション方法。 2. The dielectric breakdown lifetime simulation method according to claim 1 , wherein the size or position of the defect to be incorporated in advance is set based on a Poisson distribution. 前記絶縁破壊寿命をシミュレーションする絶縁膜の厚さを、10nm以下とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の絶縁破壊寿命シミュレーション方法。 Dielectric breakdown lifetime simulation method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the thickness of the insulating film to simulate the dielectric breakdown lifetime, and 10nm or less. シリコンウェーハ表面の品質評価方法であって、
前記シリコンウェーハ上に絶縁膜と金属電極を形成して作製された複数のMOSキャパシタのTDDBの実測データを測定し、
請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の絶縁破壊寿命シミュレーション方法において、前記MOSキャパシタと同じ条件を設定して、前記絶縁膜の絶縁破壊寿命を示すTDDBを求め、
該シミュレーションで求めたTDDBと、前記TDDBの実測データとを対比させて、前記シミュレーションで予め組み込んだ欠陥の設定値を基に、前記シリコンウェーハの表面欠陥を評価することを特徴とするシリコンウェーハ表面の品質評価方法。
A method for evaluating the quality of a silicon wafer surface,
Measure actual data of TDDB of a plurality of MOS capacitors produced by forming an insulating film and a metal electrode on the silicon wafer,
In the dielectric breakdown lifetime simulation method according to any one of claims 1 to 3, the same conditions as the MOS capacitor are set, and TDDB indicating the dielectric breakdown lifetime of the insulating film is obtained.
The silicon wafer surface characterized in that the surface defect of the silicon wafer is evaluated based on the set value of the defect previously incorporated in the simulation by comparing the TDDB obtained by the simulation with the measured data of the TDDB. Quality evaluation method.
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