JPH08111443A

JPH08111443A - 半導体素子の信頼性評価方法及び装置

Info

Publication number: JPH08111443A
Application number: JP6270625A
Authority: JP
Inventors: Masamune Kusunoki; 雅統楠
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度で効率よく信頼性評価を行なう【構成】測定部１はパルスジェネレータ２、電流電圧
計４及びスイッチングマトリックス６を備えており、被
測定半導体素子に直流又は交流のストレス電圧を印加
し、チャージポンピング電流Ｉｃｐを測定する。オート
プロービングシステム８は、測定部１と接続されてウエ
ハ上の１又は複数の被測定半導体素子のパッドにプロー
ブを押しあてるプロービング装置を含んでいる。制御部
となるコンピュータ１０は、オートプロービングシステ
ム８内でウエハ上の異なる被測定半導体素子に対して実
動作電圧より大きい異なるストレス電圧を測定部１から
印加させ、ホットキャリア寿命を定義するＩｃｐの劣化
率となる時間を測定させ、その測定された時間を実動作
電圧での値に外插してホットキャリア寿命を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子の信頼性試験
で利用される信頼性評価方法とそのための装置に関する
ものである。信頼性が評価される半導体素子としては、
ＤＲＡＭ（ダイナミックＲＡＭ）や一般の集積回路の
他、ＣＣＤ（電荷結合素子）やＬＣＤ（液晶素子）など
の半導体装置に広く利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】近年のＬＳＩプロセス開発は、半導体装
置の高集積化と微細化を中心に行なわれてきている。サ
ブミクロン世代と称される０.８μｍ程度のパターン幅
をもつ半導体装置より以後に開発された半導体装置で
は、半導体素子の劣化現象が信頼性に影響を及ぼし初
め、その劣化現象の解明と対策が重要な課題になってき
ている。

【０００３】現象的には、微細化によりチャネル長がま
すます短かくなることにより、チャネル方向の電界強度
が強くなってくる。その結果、デバイス動作時のチャネ
ルにホットキャリアが発生し、それが絶縁膜中に注入さ
れ捕獲されて、半導体基板と絶縁膜との界面の界面準位
密度を増加させ、デバイスのしきい値電圧をシフトさせ
たり、相互コンダクタンスｇｍの劣化を引き起こしたり
している。しきい値電圧のシフトにより回路動作が不安
定になったり、界面準位密度の増加や相互コンダクタン
スの劣化によるデバイス駆動能力の低下のためにデバイ
スの信頼性が低下することになる。

【０００４】半導体素子の信頼性評価として、従来は劣
化パラメータにしきい値電圧や相互コンダクタンスｇｍ
を用いている。しきい値電圧は初期値に対して１０ｍＶ
変化するまで、相互コンダクタンスｇｍは初期値に対し
て１０％劣化するまでにかかる時間をホットキャリア寿
命と定義し、実動作電圧でのホットキャリア寿命を１０
年以上と規定することで半導体素子の信頼性を保証して
いる（「サブミクロンデバイス２」１５５〜１５７頁
（丸善）参照）。

【０００５】ホットキャリア寿命を測定する具体的な方
法としては、実動作電圧より大きい複数のドレイン電圧
でホットキャリア寿命を測定し、それらの測定値を実動
作電圧（例えば３.３Ｖや５.０Ｖ）での値に外插するこ
とによりホットキャリア寿命を求めている（特開平５−
２２６４４４号公報参照）。半導体素子を評価するパラ
メータとしてチャージポンピング電流Ｉｃｐも用いられ
ており、例えばＩｃｐ電流の初期値に対する変化量が３
０ｐＡになるまでにかかる時間をホットキャリア寿命と
定義している（ＳＤＭ９０−１２２，２５〜３２頁参
照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】デバイスの高集積化と
微細化を進めてもなお半導体素子の信頼性を確保できる
ような素子構造として、例えば二重ドレイン構造やＬＤ
Ｄ（Lightly Doped Drain）構造が提案されている。そ
のような信頼性の高い素子構造を作り込むためのプロセ
スパラメータの最適化を含む開発期間を短縮するために
は、信頼性を決めるホットキャリア寿命測定の高精度化
と効率化を図り、それをプロセスへ迅速にフィードバッ
クすることが必要になる。

【０００７】ホットキャリア寿命測定の高精度化につい
ては、一般的にはウエハ面内の特性のばらつきによるホ
ットキャリア寿命のばらつきを如何に小さくするかが主
な課題であり、その対策として被測定半導体素子をウエ
ハ面内のある領域にまとめて配置している。また、ホッ
トキャリア寿命測定の効率化については、一般的に数時
間から数十時間、場合によっては数百時間もかかってい
るホットキャリア寿命測定時間を如何に短縮するかが主
な課題であり、その対策として同じチャネル長をもった
複数の測定素子をある領域にまとめて配置し、ドレイン
電圧を異ならせて同時に測定することにより測定時間を
短縮している（特開平５−２２６４４４号公報参照）。

【０００８】しきい値電圧や相互コンダクタンスを劣化
パラメータとした場合には、その測定には実動作電圧
（例えば３.３Ｖ）よりも高いストレス電圧をかけてい
るが、それでも劣化パラメータがかなり劣化するまでに
は数時間から数十時間をかけてホットキャリア寿命を求
めているので、一日に数回しか測定することができな
い。これは、例えば劣化パラメータとして相互コンダク
タンスを用いる方法では、短時間のストレス印加では劣
化率が１％以下しかなく、測定ばらつきが大きくなり、
劣化パラメータそのものの測定精度があまりよくないの
で、短時間の測定ではホットキャリア寿命を求められな
い場合が多いからである。本発明は高精度で効率よく信
頼性評価を行なうことを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は劣化パラメー
タとしてＩｃｐ電流を用いると短時間のストレス印加に
よっても再現性のある劣化率を測定できることを見出し
た。本発明はＩｃｐ電流を劣化パラメータとすることを
基本とする信頼性評価方法である。そして、さらにスト
レス電圧、ストレス時間の制御、Ｉｃｐ電流の測定、ホ
ットキャリア寿命算出のためのデータ処理を全てコンピ
ュータで制御し処理することにより、従来よりもさらに
高精度で効率よく信頼性評価を行なうことができるよう
にしたものである。

【００１０】本発明では、ウエハ内の測定領域内に同じ
チャネル長を有する複数の半導体素子を互いに近接させ
て配置し、信頼性評価パラメータとしてチャージポンピ
ング電流Ｉｃｐを用い、コンピュータ制御により以下の
ステップでホットキャリア寿命を測定して信頼性を評価
する。（Ａ）ウエハ上の１つの被測定半導体素子の測定点に、
又は複数の被測定半導体素子の測定点に同時に、プロー
ブ針を押しあて、ストレス印加前のＩｃｐ電流を測定す
る。（Ｂ）被測定半導体素子に実動作電圧より大きいストレ
ス電圧を印加する。このとき、複数の被測定半導体素子
を同時に測定するときは、各被測定半導体素子に実動作
電圧より大きい互いに異なるストレス電圧を印加する。
そして、Ｉｃｐ電流の劣化率がホットキャリア寿命を定
義するためのＩｃｐ電流の劣化率以上になるまで時間と
Ｉｃｐ電流の関係を測定する。（Ｃ）被測定半導体素子を１つずつ測定する場合には同
ウエハ上の他の被測定半導体素子について、ストレス電
圧を異ならせてＩｃｐ電流を測定する。その後、ストレ
ス電圧を異ならせて測定したＩｃｐ電流と時間の測定値
から、ホットキャリア寿命を定義するためのＩｃｐ電流
の劣化率となる時間を、ストレス電圧が実動作電圧での
値になるように外插して求め、それをホットキャリア寿
命とする。

【００１１】Ｉｃｐ電流を測定するための測定条件の１
つであるパルス高さは、Ｉｃｐ電流測定中に被測定半導
体素子を劣化させない大きさに設定されているのが好ま
しい。また、Ｉｃｐ電流を測定するための測定条件の１
つである測定周波数ｆは以下の条件を満たすように設定
されているのが好ましい。１／（ｖｔｈ・Ｎｄ・σ）＜α／ｆここで、ｖｔｈはキャリアの熱速度、Ｎｄは半導体基板
と絶縁膜との界面の伝導帯又は価電子帯に存在するキャ
リア数、すなわちチャネル濃度、σは捕獲断面積、αは
測定周波数のデューティ比である。

【００１２】本発明の信頼性評価装置は、パルスジェネ
レータ、電流電圧計及びスイッチングマトリックスを備
えて被測定半導体素子に直流又は交流のストレス電圧を
印加し、チャージポンピング電流Ｉｃｐを測定する測定
部と、この測定部と接続され、ウエハ上の１又は複数の
被測定半導体素子のパッドにプローブを押しあてるプロ
ービング装置と、ウエハ上の異なる被測定半導体素子に
対して実動作電圧より大きい異なるストレス電圧を前記
測定部から印加させ、ホットキャリア寿命を定義するＩ
ｃｐの劣化率となる時間を測定させ、実動作電圧での値
に外插してホットキャリア寿命を算出する制御部とを備
えている。

【００１３】プロービング装置は、ウエハ上の複数の被
測定半導体素子に対して同時にプローブを押しあてるた
めの複数素子用プローブ針を有し、各素子用のプローブ
針は平面に対して斜め内側方向に伸びるとともに、平面
内において互いに９０°をなして取りつけられているプ
ローブカードを備えていることが好ましい。

【００１４】

【実施例】図１は、半導体素子のホットキャリア寿命を
測定する際の劣化パラメータとして相互コンダクタンス
ｇｍを用いる場合とチャージポンピング電流Ｉｃｐを用
いる場合を比較して示したものである。相互コンダクタ
ンス劣化測定とチャージポンピング電流劣化測定は、そ
れぞれ同じストレス電圧を印加し、ストレス時間に対す
るＩｃｐの変化率ｄＩｃｐとｇｍの変化率ｄｇｍを表わ
している。図１から、ｇｍ劣化を測定する場合はストレ
ス時間が１００秒以下ではｇｍ劣化率のばらつきが大き
く、測定限界以下となり、ホットキャリア寿命を算出す
ることは困難である。一方、Ｉｃｐ劣化測定の場合は、
ストレス時間が１００秒以下でも測定値のばらつきが小
さく、ホットキャリア寿命を十分に算出することができ
る。

【００１５】半導体信頼性評価装置の一例を図２に示
す。測定部１はパルスジェネレータ２、電流電圧計４及
びスイッチングマトリックス６を備えており、被測定半
導体素子に直流又は交流のストレス電圧を印加し、チャ
ージポンピング電流Ｉｃｐを測定する。オートプロービ
ングシステム８は、測定部１と接続されてウエハ上の１
又は複数の被測定半導体素子のパッドにプローブを押し
あてるプロービング装置を含んでいる。１０は制御部と
なるコンピュータであり、オートプロービングシステム
８内でウエハ上の異なる被測定半導体素子に対して実動
作電圧より大きい異なるストレス電圧を測定部１から印
加させ、ホットキャリア寿命を定義するＩｃｐの劣化率
となる時間を測定させ、その測定された時間を実動作電
圧での値に外插してホットキャリア寿命を算出する。

【００１６】図３にこの信頼性評価装置のオートプロー
ビングシステム８に設けられているプローブカード１１
を示す。（Ａ）はプローブ針が設けられている面を示す
平面図、（Ｂ）は正面側面図である。ウエハ上に互いに
近接して配置された３個の被測定半導体素子に対して同
時にプローブを押しあてるために、３個のプローブが被
測定半導体素子配置に対応して互いに近接して配置され
た３つのプローブ１２−１，１２−２，１２−３が設け
られている。各プローブ１２−１，１２−２，１２−３
のプローブ針１４は基板の平面に対して斜め内側方向に
伸びるとともに、平面内において互いに９０°をなして
基板に取りつけられている。

【００１７】図３（Ｃ）はこのプローブカードの１つの
被測定素子分を拡大して示す図であり、被測定素子との
関係を示している。この例では被測定素子はＭＯＳトラ
ンジスタであり、記号で概略的に表わされている。平面
内方向が互いに９０°をなすプローブ針１４がそれぞれ
のパッド１６に押しあてられて測定がなされる。

【００１８】図４はこのプローブカード１１を用いて同
時に測定される３つのＭＯＳ半導体素子を記号で示した
ものである。３つのＭＯＳ半導体素子の相互の配置を表
現するだけのものであり、それが形成されているウエハ
１７との大きさの関係は無視されており、ＭＯＳ半導体
素子の大きさが誇張されている。その３つのＭＯＳトラ
ンジスタは同じチャネル長をもち、互いに近接して１列
に配列されている。このような３個一組の被測定素子が
ウエハ１７上に複数箇所にわたって配置されて形成され
ている。

【００１９】図３に示されるプローブカードを用いると
次のような利点がある。（１）プローブ針１４間の角度が平面内で９０°をな
し、最も広く離れた状態になっているので、プローブ針
１４間に発生するパルス電圧による誘導ノイズを除去す
ることができ、チャージポンピング電流測定時のパルス
電圧を同時に複数の半導体素子に印加することができ
る。よって、短時間に多くのサンプル数の測定を行なう
ことができて、精度が向上する。また、ストレス電圧も
ＤＣ電圧だけでなく、ＡＣ電圧のような実デバイスに近
い劣化方法も用いることができるようになる。

【００２０】（２）ウエハ中の測定領域内に同じチャネ
ル長をもつ複数の半導体素子を配置しておき、それらを
同時にプロービングできるようになるので、位置的な特
性のばらつきによるＩｃｐ劣化率のばらつきを小さくす
ることができ、劣化時間が短かい場合でも信頼性評価が
でき、精度も向上する。

【００２１】１つの半導体素子ずつ順次測定する一実施
例の測定方法を図５に示す。図５の処理系統では、ウエ
ハ上の測定点にプローブ針を押しつけ、電流電圧計４と
パルスジェネレータ２により、まずストレス印加前のチ
ャージポンピング電流を測定する。その後、電流電圧計
により被測定半導体素子へストレス電圧を印加し、チャ
ージポンピング電流の劣化率が所定の劣化率以上になる
までストレス時間とチャージポンピング電流の関係を測
定していく。１つの半導体素子の測定が終了すると、次
の素子へ測定点を移動させ、ウエハ面内に存在する必要
な被測定半導体素子全てにわたって測定を繰り返し行な
う。

【００２２】図６は複数の被測定半導体素子をプローブ
カードを用いて同時に測定する場合の例を示したもので
ある。ウエハ上の同じチャネル長を有する複数の被測定
半導体素子にプローブカードをプービングし、電流電圧
計４とパルスジェネレータ２を用いて、プービングされ
た全被測定半導体素子のストレス前のチャージポンピン
グ電流を測定する。

【００２３】電流電圧計４を用いて異なる被測定半導体
素子に異なるストレス電圧を同時に印加し、最小ストレ
ス電圧が印加された被測定半導体素子のチャージポンピ
ング電流の劣化率がホットキャリア寿命を定義する劣化
率以上の所定の値以上になるまで、各測定半導体素子で
ストレス印加時間とチャージポンピング電流を同時に測
定し、解析を行なってグラフ表示をする。そのグラフ表
示の例は図７（Ａ）に示されるものである。劣化率ΔＩ
cpは初期のチャージポンピング電流をＩcpoとしたと
き、 ΔＩcp＝（Ｉcp−Ｉcpo）／Ｉcpo として計算される。１組の被測定半導体素子についての
測定が終了すると、そのウエハ面内の別の場所にある１
組の被測定半導体素子についても同様にチャージポンピ
ング電流の測定と解析及びグラフ表示を繰り返す。

【００２４】チャージポンピング電流値の劣化率がホッ
トキャリア寿命を定義する劣化率となる時間をそれぞれ
のストレス電圧についての平均値から求め、それを図７
（Ｂ）のようにプロットし、図７（Ｃ）のようにそのプ
ロットを最小自乗法により処理して一次回帰直線を求
め、図７（Ｄ）のようにストレス電圧が実動作電圧とな
るときのホットキャリア寿命をその一次回帰直線から求
める。このように、コンピュータ制御による測定と解析
を行なえば、プロセスパラメータの最適化や信頼性評価
の時間を大幅に短縮することができ、作業効率も向上す
る。

【００２５】Ｉｃｐ測定は半導体素子にパルス電圧を印
加するので、条件によっては測定中に半導体素子を劣化
させてしまい、本来のストレスによる劣化状態をモニタ
することができない場合も生じる。Ｉｃｐ電流によるモ
ニタは劣化の初期をモニタするので、その影響は大き
い。したがって、Ｉｃｐ電流を測定するための測定条件
の１つであるパルス高さはＩｃｐ電流測定中に被測定半
導体素子を劣化させない範囲に設定する必要がある。

【００２６】Ｉｃｐ電流は半導体基板と絶縁膜との界面
の界面準位を介した再結合電流であるので、界面特性の
１つであるキャリアの捕獲特性を考慮して色々なプロセ
スパラメータで作り込んだ半導体素子を各々比較するに
は、全ての界面準位にキャリアが捕獲されていることが
重要になる。それを保証するための測定条件は、測定周
波数ｆを以下の範囲に設定すればよい。１／（ｖｔｈ・Ｎｄ・σ）＜α／ｆ（１）（１）式において、ｖｔｈはキャリアの熱速度、Ｎｄは
半導体基板と絶縁膜との界面の伝導帯又は価電子帯に存
在するキャリア数、すなわちチャネル濃度、σは捕獲断
面積、αは測定周波数のデューティ比である。

【００２７】（１）式を導くために、まず界面準位への
キャリア捕獲は捕獲時定数ｔで特徴づけられ、次の
（２）式のように表わされる。ｔ＝１／（ｖｔｈ・Ｎｄ・σ）（２）（２）式はキャリアが界面準位に捕獲されるのにかかる
時間を表わしている。つまり、パルス電圧の１周期中で
の各捕獲過程（少数キャリア捕獲は界面が反転状態のと
きに相当し、多数キャリア捕獲は界面が蓄積状態のとき
に相当する）において、捕獲時間（測定周波数に関係す
る）が捕獲時定数ｔよりも十分長ければ全ての界面準位
にキャリアが捕獲されていることになる。特に界面への
キャリアの捕獲は少数キャリア捕獲で決まり、捕獲時
間、すなわち界面が反転状態になっている時間ｔinvはｔinv＝α／ｆ（３）であるので、ｔinv＞ｔ（４）となっておればよい。これらの（２），（３），（４）
式から（１）式が導かれる。

【００２８】以下に、さらに具体的な測定例を説明す
る。図４に示されるように、３つのＭＯＳトランジスタ
が互いに近接して配置された組がウエハ１７上に５組形
成され、それらのＭＯＳトランジスタのチャネル幅Ｗを
２５μｍ、チャネル長Ｌを０.８μｍ、チャネル濃度Ｎ
ｄを１×１０¹⁷／ｃｍ³と設定しておく。前実験として
Ｉｃｐ測定によってＭＯＳトランジスタが劣化しないＩ
ｃｐ電流測定時のパルス高さの上限値を測定した結果、
６Ｖであることを確認した。

【００２９】さらに前実験として各プロセスのウエハを
既知測定技術によりストレス時間による捕獲断面積の変
化を測定した結果、σ＝１×１０^-16ｃｍ²で一定値であ
った。よって、Ｎｄ＝１×１０¹⁷／ｃｍ³、ｖｔｈ＝１.
５×１０⁷ｃｍ／秒、α＝０.５と合わせて、（１）式を
満足するような測定周波数ｆは７５ＭＨｚ以下になっ
た。

【００３０】まず、最初にＩｃｐ電流の測定条件、スト
レス電圧、ストレス時間を以下のように設定し、ウエハ
内の５点のＩｃｐ劣化率を測定した。ストレス条件：ドレイン電圧Ｖｄ＝４.０Ｖ，４.２Ｖ，４.４Ｖ（ＤＣ
電圧ストレス）ゲート電圧Ｖｇ＝１.８Ｖ（基板電流最大条件）

【００３１】図６と図７に示した半導体信頼性評価シス
テム・コントロール・シーケンスとホットキャリア寿命
算出シーケンスに従い、信頼性評価を行なった。ここで
はウエハ面内測定数は５ポイントである。よってその測
定数は、１×３×５＝１５となる。

【００３２】ある１ポイントの測定についての各ストレ
ス電圧に対するＩｃｐ劣化率の経時変化を図８に示す。
ホットキャリア寿命をＩｃｐ劣化率が１００％になるま
でにかかる時間と定義し、図８の結果を用いてウエハ面
内の平均値を計算し、図９に示されるようにＶｄ＝３.
３Ｖにおける値に外插して、おけるホットキャリア寿命
は１０年以上であることが確認された。この結果を得る
までに約３０分を要したが、従来の相互コンダクタンス
ｇｍの劣化率を用いた方法では数時間から数十時間かか
っていたのに比べると格段に評価時間が短縮される。

【００３３】

【発明の効果】本発明の方法では、ウエハ内の測定領域
内に同じチャネル長を有する複数の半導体素子を互いに
近接させて配置し、信頼性評価パラメータとしてチャー
ジポンピング電流Ｉｃｐを用いるので、Ｉｃｐ電流が高
感度であり、短時間の劣化測定でも被測定半導体素子の
信頼性を評価することができ、高信頼性素子構造の開発
プロセスを効率的に行なうことができるようになる。Ｉ
ｃｐ電流は相互コンダクタンスとよい相関関係にあるの
で、従来の方法と同じように劣化率でホットキャリア寿
命を定義して従来法による結果と比較することにより、
製品の開発プロセスの確かさの確認や劣化耐性の多角的
な信頼性を向上させることができる。

【００３４】ウエハ内の測定領域内に同じチャネル長を
有する複数の半導体素子を互いに近接させて配置し、複
数の被測定半導体素子に同時にプローブ針を押しあてて
Ｉｃｐ電流を測定するようにすれば、位置的なバラツキ
によるＩｃｐ劣化率のバラツキを小さくでき、劣化時間
が短い場合でも信頼性評価の精度を向上させることがで
きる。Ｉｃｐ電流を測定するための測定条件の１つであ
るパルス高さを、Ｉｃｐ電流測定中に被測定半導体素子
を劣化させない大きさに設定すれば、測定中に被測定半
導体素子を劣化させずに、本来のストレスによる劣化状
態をモニタすることができる。Ｉｃｐ電流を測定するた
めの測定条件の１つである測定周波数ｆを、すべての界
面準位にキャリアが捕獲されていることを保証する条件
に設定すれば、いろいろなプロセスパラメータで作り込
んだ半導体素子を比較することができる。

【００３５】本発明の信頼性評価装置では、被測定半導
体素子にストレス電圧を印加しながらチャージポンピン
グ電流Ｉｃｐを測定し、解析してホットキャリア寿命を
算出する動作を自動的に行なうので、プロセスパラメー
タの最適化や新たな素子構造の開発のための信頼性評価
のための時間を短縮でき、作業効率も向上する。ウエハ
上の複数の被測定半導体素子に対して同時にプローブを
押しあてて測定できるプローブカードを装着すれば、複
数の被測定半導体素子を同時に測定でき、短時間に多く
のサンプル数のデータを得ることができて、信頼性評価
の精度がより向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ｇｍ劣化率とＩｃｐ劣化率の比較を示す図であ
る。

【図２】一実施例の半導体信頼性評価装置を示すブロッ
ク図である。

【図３】同装置で用いるプローブカードの一例を示す図
であり、（Ａ）はプローブ針側からみた平面図、（Ｂ）
は正面側面図、（Ｃ）は１つの被測定半導体素子用のプ
ローブ針を被測定半導体素子と合わせて示す平面図であ
る。

【図４】図３のプローブカードで同時に測定される３個
のＭＯＳトランジスタの配置をＭＯＳトランジスタを記
号として示す平面図である。

【図５】被測定半導体素子を１個ずつ測定する場合のコ
ントロールシーケンスを示すフローチャート図である。

【図６】複数の半導体素子を同時に測定する場合のコン
トロールシーケンスを示すフローチャート図である。

【図７】（Ａ）から（Ｄ）は図６のシーケンスにおける
ホットキャリア寿命算出シーケンスを示す図である。

【図８】実施例におけるＩｃｐ劣化率経時変化を示す図
である。

【図９】図８の結果に基づいてホットキャリア寿命を算
出する動作を示す図である。

【符号の説明】

２パルスジェネレータ４電流電圧計６スイッチングマトリックス８オートプロービングシステム１０制御部のコンピュータ１１プローブカード１４プローブ針

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子のホットキャリア寿命を測定
する信頼性評価方法において、ウエハ内の測定領域内に同じチャネル長を有する複数の
半導体素子を互いに近接させて配置し、信頼性評価パラ
メータとしてチャージポンピング電流Ｉｃｐを用い、以
下のステップを含んでホットキャリア寿命を測定するコ
ンピュータ制御された信頼性評価方法。（Ａ）ウエハ上の１つの被測定半導体素子の測定点にプ
ローブ針を押しあて、ストレス印加前のＩｃｐ電流を測
定するステップ、（Ｂ）被測定半導体素子に実動作電圧
より大きいストレス電圧を印加し、Ｉｃｐ電流の劣化率
がホットキャリア寿命を定義するためのＩｃｐ電流の劣
化率以上になるまで時間とＩｃｐ電流の関係を測定する
ステップ、（Ｃ）同ウエハ上の他の被測定半導体素子に
ついて、ストレス電圧を異ならせて上記のステップを繰
り返してストレス印加前及びストレス印加後のＩｃｐ電
流を測定するステップ、（Ｄ）ホットキャリア寿命を定
義するためのＩｃｐ電流の劣化率となる時間を、ストレ
ス電圧が実動作電圧での値になるように外插して求め、
それをホットキャリア寿命とするステップ。
【請求項２】半導体素子のホットキャリア寿命を測定
する信頼性評価方法において、ウエハ内の測定領域内に同じチャネル長を有する複数の
半導体素子を互いに近接させて配置し、信頼性評価パラ
メータとしてチャージポンピング電流Ｉｃｐを用い、以
下のステップを含んでホットキャリア寿命を測定するコ
ンピュータ制御された信頼性評価方法。（Ａ）複数の被測定半導体素子に同時にプローブ針を押
しあて、ストレス印加前のＩｃｐ電流を測定するステッ
プ、（Ｂ）各被測定半導体素子に実動作電圧より大きい
互いに異なるストレス電圧を印加し、Ｉｃｐ電流の劣化
率がホットキャリア寿命を定義するためのＩｃｐ電流の
劣化率以上になるまで時間とＩｃｐ電流の関係を測定す
るステップ、（Ｃ）ホットキャリア寿命を定義するため
のＩｃｐ電流の劣化率となる時間を、ストレス電圧が実
動作電圧での値になるように外插して求め、それをホッ
トキャリア寿命とするステップ。
【請求項３】Ｉｃｐ電流を測定するための測定条件の
１つであるパルス高さは、Ｉｃｐ電流測定中に被測定半
導体素子を劣化させない大きさに設定されている請求項
１又は２に記載の信頼性評価方法。
【請求項４】Ｉｃｐ電流を測定するための測定条件の
１つである測定周波数ｆは以下の条件を満たすように設
定されている請求項１又は２に記載の信頼性評価方法。１／（ｖｔｈ・Ｎｄ・σ）＜α／ｆここで、ｖｔｈはキャリアの熱速度、Ｎｄは半導体基板
と絶縁膜との界面の伝導帯又は価電子帯に存在するキャ
リア数、すなわちチャネル濃度、σは捕獲断面積、αは
測定周波数のデューティ比である。
【請求項５】パルスジェネレータ、電流電圧計及びス
イッチングマトリックスを備えて被測定半導体素子に直
流又は交流のストレス電圧を印加し、チャージポンピン
グ電流Ｉｃｐを測定する測定部と、この測定部と接続され、ウエハ上の１又は複数の被測定
半導体素子のパッドにプローブを押しあてるプロービン
グ装置と、ウエハ上の異なる被測定半導体素子に対して実動作電圧
より大きい異なるストレス電圧を前記測定部から印加さ
せ、ホットキャリア寿命を定義するＩｃｐの劣化率とな
る時間を測定させ、実動作電圧での値に外插してホット
キャリア寿命を算出する制御部と、を備えたことを特徴
とする信頼性評価装置。
【請求項６】前記プロービング装置は、ウエハ上の複
数の被測定半導体素子に対して同時にプローブを押しあ
てるための複数素子用プローブ針を有し、各素子用のプ
ローブ針は平面に対して斜め内側方向に伸びるととも
に、平面内において互いに９０°をなして取りつけられ
ているプローブカードを備えている請求項５に記載の信
頼性評価装置。