JPH10270519A - Evaluation of semiconductor device - Google Patents

Evaluation of semiconductor device

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JPH10270519A
JPH10270519A JP7001497A JP7001497A JPH10270519A JP H10270519 A JPH10270519 A JP H10270519A JP 7001497 A JP7001497 A JP 7001497A JP 7001497 A JP7001497 A JP 7001497A JP H10270519 A JPH10270519 A JP H10270519A
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insulating film
voltage
damage
mos capacitor
semiconductor device
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Yoshito Fukumoto
吉人 福本
Toshihisa Nozawa
俊久 野沢
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating a semiconductor device capable of evaluating the degree of damage of an insulating film in a semiconductor device easily in a short time with high precision. SOLUTION: An MOS(metal oxide semiconductor) capacitor having a substrate, an insulating film formed on the substrate, and electrodes formed on the insulating film is subjected to plasma treatment as an LSI manufacturing process. Then, after the plasma treatment, the IV (current-voltage) characteristic of the MOS capacitor is measured. Then, a voltage lower than the voltage generated by the FN-tunnel current of the MOS capacitor is applied to this MOS capacitor, and a leakage current flowing from the electrode thereof to the substrate is measured. The magnitude of this leakage current is proportional to the degree of the damage of the insulating film due to the plasma treatment so that the degree of the damage thereof can be evaluated. Thus, the degree of the dielectric breakdown damage in case where the semiconductor device is plasma treated is evaluated from this result.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はLSI等の半導体装
置を製造する際のプラズマ処理中において発生する絶縁
膜(シリコン酸化膜)のダメージを評価する方法に関
し、特に、短時間で、連続したダメージの大小を容易に
評価することができる半導体装置の評価方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for evaluating damage to an insulating film (silicon oxide film) which occurs during plasma processing when manufacturing a semiconductor device such as an LSI, and more particularly to a method for evaluating the damage in a short time. The present invention relates to a semiconductor device evaluation method capable of easily evaluating the size of the semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近時、LSIのエッチング工程、レジス
ト除去工程及びイオン注入工程等のプラズマ処理におい
て、チャージアップ現象によって絶縁膜(シリコン酸化
膜:SiO2)が破壊したり、ダメージを受けたりする
ことが問題となっている。
2. Description of the Related Art In recent years, in a plasma process such as an LSI etching process, a resist removing process, and an ion implantation process, an insulating film (silicon oxide film: SiO 2 ) is broken or damaged by a charge-up phenomenon. That is the problem.

【0003】図7(a)はプラズマ処理中における基板
表面のプラズマ電位の分布を示すグラフ図と、このプラ
ズマ処理により発生する基板中の電流の流れを示す模式
図であり、(b)は基板の一部を拡大して示す断面図で
ある。図7(a)に示すように、シリコン基板22に種
々のプラズマ処理を施す場合、先ず、基板22を基体2
1の上に配置し、これをプラズマ処理装置のチャンバ1
5内に設けられた支持台16の上に配置する。なお、支
持台16は接地されており、基体21はシリコン基板2
2にRFバイアス電圧を印加するための電源17に接続
されている。従って、電源17によって基体21にRF
バイアス電圧を印加すると、シリコン基板22にもRF
バイアス電圧が印加される。
FIG. 7A is a graph showing the distribution of plasma potential on the substrate surface during the plasma processing, and FIG. 7B is a schematic diagram showing the flow of current in the substrate generated by this plasma processing. It is sectional drawing which expands and shows a part of. As shown in FIG. 7A, when performing various plasma treatments on the silicon substrate 22, first, the substrate 22 is
1 and this is placed in the chamber 1 of the plasma processing apparatus.
It is arranged on a support 16 provided in 5. The support 16 is grounded, and the base 21 is the silicon substrate 2.
2 is connected to a power source 17 for applying an RF bias voltage. Accordingly, the RF power is applied to the
When a bias voltage is applied, the silicon substrate 22 also has an RF
A bias voltage is applied.

【0004】図7(b)に示すように、シリコン基板2
2には、例えば、その上にゲート絶縁膜23が形成され
ており、このゲート絶縁膜23の上には、複数の上部電
極24が形成されている。なお、ゲート絶縁膜23は上
部電極24の下方において、他の部分よりも薄い膜厚で
形成されている。
[0004] As shown in FIG.
2, a gate insulating film 23 is formed thereon, for example, and a plurality of upper electrodes 24 are formed on the gate insulating film 23. The gate insulating film 23 is formed below the upper electrode 24 to have a smaller thickness than other portions.

【0005】このように構成された基板22に対してプ
ラズマ処理を施すと、図7(a)のグラフ図に示すよう
に、基板22の表面のプラズマ電位が不均一になる。こ
れにより、電荷が電極24からシリコン基板22の内部
を伝わり、プラズマ電位の高い場所から低い場所に移動
する。その結果、矢印25に示す方向に、上部電極24
から、その下方の薄いゲート絶縁膜23を通じて基板2
2に電流が流れて、チャージアップダメージが発生す
る。
[0005] When plasma processing is performed on the substrate 22 configured as described above, the plasma potential on the surface of the substrate 22 becomes non-uniform as shown in the graph of FIG. As a result, the electric charge is transmitted from the electrode 24 to the inside of the silicon substrate 22 and moves from a place having a high plasma potential to a place having a low plasma potential. As a result, the upper electrode 24 moves in the direction indicated by the arrow 25.
From the substrate 2 through a thin gate insulating film 23 thereunder.
2, a current flows, causing charge-up damage.

【0006】このような絶縁膜のダメージを評価する方
法として、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)キャ
パシタ構造を有するデバイスの電流−電圧特性を測定す
る方法(IV測定法)がある(Hyungcheol Shinら、「M
odeling Oxide Thickness Dependence of Charging Dam
age by Plasma Processing」IEEE ELECTRON DEVICE LET
TERS, VOL.14, NO.11, (1993), pp.509-511、水谷ら、
「プラズマプロセスによるSiO2/Siの照射損
傷」、応用物理、第59巻、第11号 、(1990)、pp.14
96-1501)。図8は従来のIV測定法において使用する
MOSキャパシタ構造を示す断面図である。半導体基板
(Semiconductor)26の上に酸化膜(Oxide)27が形
成されており、その上に電極(Metal)28が選択的に
形成されることによりMOSキャパシタ29が構成され
ている。なお、酸化膜27は、電極28の下方におい
て、他の部分よりも薄く形成されている。
As a method of evaluating the damage of such an insulating film, there is a method of measuring current-voltage characteristics of a device having a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) capacitor structure (IV measuring method) (Hyungcheol Shin et al. "M
odeling Oxide Thickness Dependence of Charging Dam
age by Plasma Processing '' IEEE ELECTRON DEVICE LET
TERS, VOL.14, NO.11, (1993), pp.509-511, Mizutani et al.
"Radiation Damage of SiO 2 / Si by plasma processes", Applied Physics, Vol. 59, No. 11, (1990), pp.14
96-1501). FIG. 8 is a sectional view showing a MOS capacitor structure used in a conventional IV measurement method. An oxide film (Oxide) 27 is formed on a semiconductor substrate (Semiconductor) 26, and an electrode (Metal) 28 is selectively formed thereon to form a MOS capacitor 29. The oxide film 27 is formed thinner below the electrode 28 than other portions.

【0007】このように構成されたMOSキャパシタ2
9を利用するIV測定法とは、MOSキャパシタ29に
印加する電圧を徐々に増加させて、電極28から基板2
6に流れる電流値を測定することによって絶縁膜のダメ
ージを評価する方法であり、単純な構造のデバイスを使
用して測定することができ、その測定方法が簡単であ
る。
[0007] The MOS capacitor 2 thus configured
The IV measurement method using the electrode 9 is to gradually increase the voltage applied to the MOS capacitor 29 and
This is a method for evaluating the damage of the insulating film by measuring the value of the current flowing through the device 6. The measurement can be performed using a device having a simple structure, and the measuring method is simple.

【0008】図9は縦軸に電流をとり、横軸に電圧をと
って、一般的なIV特性の例を示すグラフ図である。図
9に示すように、MOSキャパシタ29の電極28に印
加する電圧を増加させると、リーク電流30aが発生す
る。このリーク電流30aは、ある電圧値に達するまで
は電圧値の増加に伴って若干増加する。そして、ある電
圧値を超えると、FNトンネル電流30bが流れ始め
る。このFNトンネル電流とは、絶縁膜(酸化膜27)
に大きな電圧(電界)が印加された場合に、トンネル現
象によって電子が絶縁膜の電導帯に移動し、電流が流れ
る現象のことである。
FIG. 9 is a graph showing an example of general IV characteristics with current being plotted on the vertical axis and voltage on the horizontal axis. As shown in FIG. 9, when the voltage applied to the electrode 28 of the MOS capacitor 29 is increased, a leak current 30a is generated. The leak current 30a slightly increases as the voltage value increases until it reaches a certain voltage value. Then, when the voltage exceeds a certain voltage value, the FN tunnel current 30b starts flowing. This FN tunnel current refers to an insulating film (oxide film 27).
Is a phenomenon in which, when a large voltage (electric field) is applied, electrons move to the conduction band of the insulating film due to a tunnel phenomenon, and a current flows.

【0009】その後、更にMOSキャパシタ29の電極
28に印加する電圧を増加させると、例えば、約12
(MV/cm)の電圧の印加によって不可逆な絶縁破壊
30cが発生する。IV測定法においては、FNトンネ
ル電流が流れる領域で、所定の電流値(例えば5(mA
/cm2))に達したときの電圧値(GOI電圧)を測
定することにより、絶縁膜のダメージを評価することが
できる。
Thereafter, when the voltage applied to the electrode 28 of the MOS capacitor 29 is further increased, for example, about 12
Irreversible dielectric breakdown 30c occurs by applying a voltage of (MV / cm). In the IV measurement method, a predetermined current value (for example, 5 mA
/ Cm 2 )), the damage of the insulating film can be evaluated by measuring the voltage value (GOI voltage) when the voltage reaches the value.

【0010】他に、絶縁膜のダメージを評価する方法と
して、MOSキャパシタにの電極に定電流のストレスを
印加して、絶縁破壊に至るまでの時間(注入電荷量)を
測定する方法(QBD測定法)がある(K.Erigutiら、「Q
uantitative Evaluation ofGate Oxide Damage during
Plasma Processing Using Antenna-Structure Capacito
rs」、Jpn.J.Appl.Phys., Vol.33, Part 1, No.1A, (19
94), pp.83-87 )。
As another method of evaluating the damage of the insulating film, a method of applying a constant current stress to the electrode of the MOS capacitor and measuring the time until the dielectric breakdown (the amount of injected charge) (Q BD Measurement method) (K. Eriguti et al., “Q
uantitative Evaluation of Gate Oxide Damage during
Plasma Processing Using Antenna-Structure Capacito
rs '', Jpn.J.Appl.Phys., Vol. 33, Part 1, No. 1A, (19
94), pp.83-87).

【0011】図10は縦軸に電圧をとり、横軸に時間を
とって、プラズマ処理前のデバイスと、プラズマ処理後
のデバイスとの絶縁破壊に至るまでの時間の比較を示す
グラフ図である。図10においては、プラズマ処理前の
デバイスが絶縁破壊するまでの時間をT0とし、プラズ
マ処理後のデバイスが絶縁破壊するまでの時間をT1
している。MOSキャパシタに一定の電圧を印加したと
きに、電極から基板に流れる電流をI、破壊までの時間
をTとすると、QBDはI×Tによって算出することがで
きる。
FIG. 10 is a graph showing a comparison between the time before the breakdown of the device before the plasma treatment and the time after the plasma treatment, with the voltage on the vertical axis and the time on the horizontal axis. . In Figure 10, the time until the plasma pretreatment device to breakdown and T 0, the device after the plasma treatment is a T 1 the time to dielectric breakdown. When a constant voltage is applied to the MOS capacitor, the current flowing from the electrode to the substrate I, when a and T time to failure, Q BD can be calculated by I × T.

【0012】更に、EEPROM(Electrically Erasa
ble Programable Read-Only-Memory)又はMNOS(Me
tal-Nitride-Oxide-Semiconductor)構造デバイスの静
電容量−電圧を測定する方法(CV測定法)も公知であ
る(K.Hashimotoら、「QUANTITATIVE EVALUATION OF CH
ARGE-UP DAMAGE BY USING CURRENT SENSITIVE MOS DIOD
ES」、Proceeding of 13th Dry Process Symposium, (1
991), pp.93-97 )。図11は従来のCV測定法におい
て使用するMNOS構造のデバイスを示す断面図であ
る。半導体基板(Semiconductor)31の上に酸化膜(O
xide)32が形成されており、その上に窒化膜33が形
成されている。そして、この窒化膜33の上に電極(Me
tal)34が選択的に形成されることにより、MNOS
構造デバイス35が構成されている。なお、酸化膜32
は電極34の下方において、他の部分よりも薄く形成さ
れている。
Further, an EEPROM (Electrically Erasa
ble Programmable Read-Only-Memory) or MNOS (Me
A method of measuring the capacitance-voltage of a tal-Nitride-Oxide-Semiconductor (CV measurement method) is also known (K. Hashimoto et al., "QUANTITATIVE EVALUATION OF CH
ARGE-UP DAMAGE BY USING CURRENT SENSITIVE MOS DIOD
ES '', Proceeding of 13th Dry Process Symposium, (1
991), pp. 93-97). FIG. 11 is a sectional view showing a device having an MNOS structure used in a conventional CV measurement method. An oxide film (O) is formed on a semiconductor substrate (Semiconductor) 31.
xide) 32, and a nitride film 33 is formed thereon. An electrode (Me) is formed on the nitride film 33.
tal) 34 is selectively formed, so that MNOS
A structural device 35 is configured. The oxide film 32
Is formed thinner below the electrode 34 than other portions.

【0013】このように構成されたMNOS構造デバイ
ス35を利用したCV測定法は、プラズマ処理中に受け
たチャージアップ電圧を凍結して、C−V(静電容量−
電圧)を測定することにより絶縁膜のダメージを評価す
る方法である。
The CV measurement method using the MNOS structure device 35 configured as described above freezes the charge-up voltage received during the plasma processing to obtain a CV (capacitance-
This is a method for evaluating the damage of the insulating film by measuring the voltage.

【0014】更にまた、このMNOS構造デバイス等を
使用したCV測定において、そのしきい値電圧のシフト
を測定する方法も使用されている(Hyungcheol Shin
ら、「Spatial Distributions of Thin Oxide Charging
in Reactive Ion Etcher and MERIE Etcher」、IEEE E
LECTRON DEVICE LETTERS, VOL.14, NO.2, (1993), pp.8
8-90 )。
Further, in CV measurement using the MNOS structure device or the like, a method of measuring a shift of the threshold voltage is also used (Hyungcheol Shin).
`` Spatial Distributions of Thin Oxide Charging
in Reactive Ion Etcher and MERIE Etcher '', IEEE E
LECTRON DEVICE LETTERS, VOL.14, NO.2, (1993), pp.8
8-90).

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
絶縁膜のダメージを測定する方法には、以下に示す問題
点がある。例えば、一般的にFNトンネル領域における
IV特性は、プラズマダメージの初期には殆ど変化せ
ず、ダメージの最終段階で急激に変化して絶縁破壊に至
る。この場合、測定されるGOI電圧は健常値又は零付
近(絶縁破壊の状態)の値となり、中間の値を示すこと
がない。従って、IV測定法においては、絶縁膜のダメ
ージの大きさはGoodとNo-Goodとの2段階のみで判断す
ることになり、中間のダメージ及びダメージの連続的な
大小関係を評価することは困難である。
However, the above-described method for measuring the damage of the insulating film has the following problems. For example, generally, the IV characteristic in the FN tunnel region hardly changes at the beginning of plasma damage, but changes abruptly at the final stage of damage, leading to dielectric breakdown. In this case, the measured GOI voltage is a healthy value or a value near zero (dielectric breakdown state), and does not show an intermediate value. Therefore, in the IV measurement method, the magnitude of the damage of the insulating film is determined only in two stages of Good and No-Good, and it is difficult to evaluate the intermediate magnitude of the damage and the continuous magnitude relation of the damage. It is.

【0016】また、QBD測定法においては、各デバイス
のQBD値には統計的な分布があるので、各デバイスの絶
縁膜におけるダメージの大小を直接評価することは困難
である。更に、評価精度を向上させるためには、測定す
るために必要な時間が著しく長くなるという問題点があ
る。
In the Q BD measurement method, since the Q BD value of each device has a statistical distribution, it is difficult to directly evaluate the magnitude of damage to the insulating film of each device. Further, in order to improve the evaluation accuracy, there is a problem that the time required for the measurement becomes extremely long.

【0017】更にまた、CV測定法においては、トラン
ジスタ等の実際の半導体装置に形成されたデバイスが受
けるダメージは、注入された電荷量に依存するので、C
V測定の結果と、実際の半導体装置に形成されたデバイ
スが受けるダメージとを直接対比させることができな
い。即ち、例えばプラズマ照射時間の長さと、絶縁膜の
ダメージの大きさとを対比させて評価することができな
い。更に、このCV測定法では、デバイスはプラズマ処
理中に印加された最大のチャージアップ電圧を記憶する
ことになるので、プラズマが時間によって変化する場合
等には、正確に絶縁膜のダメージを評価することはでき
ない。
Furthermore, in the CV measurement method, the damage to a device formed in an actual semiconductor device such as a transistor depends on the amount of injected charge.
It is not possible to directly compare the result of the V measurement with the damage to the device formed on the actual semiconductor device. That is, for example, the length of the plasma irradiation time cannot be compared with the magnitude of the damage to the insulating film for evaluation. Furthermore, in this CV measurement method, the device memorizes the maximum charge-up voltage applied during the plasma processing. Therefore, when the plasma changes with time, the damage of the insulating film is accurately evaluated. It is not possible.

【0018】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、半導体装置の絶縁膜のダメージの程度を容
易に短時間で評価することができ、その評価精度が優れ
た半導体装置の評価方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and the degree of damage to an insulating film of a semiconductor device can be easily evaluated in a short time. The aim is to provide a method.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の評価方法は、半導体基板と、この半導体基板の上に形
成された絶縁膜と、この絶縁膜の上に形成された電極と
を有するMOSキャパシタをプラズマ処理した後、前記
MOSキャパシタの電流−電圧特性におけるFNトンネ
ル電流が生じる電圧よりも低い電圧を前記MOSキャパ
シタに与えて発生するリーク電流を測定し、半導体装置
をプラズマ処理した場合の前記半導体装置の絶縁破壊ダ
メージの程度を前記MOSキャパシタのリーク電流によ
り評価することを特徴とする。
A method of evaluating a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate, and an electrode formed on the insulating film. After plasma processing of the MOS capacitor, a leakage current generated by applying a voltage lower than a voltage at which an FN tunnel current occurs in the current-voltage characteristic of the MOS capacitor to the MOS capacitor is measured, and the plasma processing of the semiconductor device is performed. The degree of dielectric breakdown damage of the semiconductor device is evaluated by a leak current of the MOS capacitor.

【0020】本発明においては、MOSキャパシタの電
流−電圧特性において、FNトンネル電流が生じる電圧
よりも低い電圧をMOSキャパシタに与えて、そのとき
に発生するリーク電流を測定する。本発明における電圧
測定領域のリーク電流の大きさは、MOSキャパシタの
絶縁膜が受けたダメージの大きさに依存すると共に、ダ
メージの大小によって連続的に変化するものである。従
って、これにより、MOSキャパシタの絶縁膜のダメー
ジの程度を高精度に評価することができる。そして、半
導体装置をプラズマ処理した場合のこの半導体装置の絶
縁破壊ダメージの程度をリーク電流の値によって評価す
ることができる。
In the present invention, in the current-voltage characteristics of the MOS capacitor, a voltage lower than the voltage at which the FN tunnel current is generated is applied to the MOS capacitor, and the leakage current generated at that time is measured. In the present invention, the magnitude of the leak current in the voltage measurement region depends on the magnitude of the damage to the insulating film of the MOS capacitor and changes continuously depending on the magnitude of the damage. Therefore, this makes it possible to evaluate the degree of damage to the insulating film of the MOS capacitor with high accuracy. Then, the degree of dielectric breakdown damage of the semiconductor device when the semiconductor device is subjected to plasma processing can be evaluated by the value of the leak current.

【0021】また、本発明においては、MOSキャパシ
タの電流−電圧特性を利用するので、単純な構造のデバ
イスにより、簡単に半導体装置を評価することができ、
その測定時間は、従来の測定法と比較して著しく短縮す
ることができる。
Further, in the present invention, since the current-voltage characteristic of the MOS capacitor is used, a semiconductor device can be easily evaluated with a device having a simple structure.
The measuring time can be significantly reduced as compared to conventional measuring methods.

【0022】前記MOSキャパシタは、前記絶縁膜の膜
厚が10乃至300Åであり、前記電極が前記絶縁膜の
面積の1乃至1000000倍の面積を有するものであ
って、前記リーク電流を測定する電圧は、前記MOSキ
ャパシタの絶縁破壊電圧の5乃至70%の電圧であるこ
とが好ましい。
In the MOS capacitor, the thickness of the insulating film is 10 to 300 ° and the electrode has an area of 1 to 1,000,000 times the area of the insulating film. Is preferably 5 to 70% of the breakdown voltage of the MOS capacitor.

【0023】一般的に使用される半導体装置の絶縁膜
は、通常10乃至300Åの膜厚を有するので、本発明
においては、評価する対象となる半導体装置の絶縁膜の
膜厚と同様の膜厚を有するMOSキャパシタを使用する
ことが好ましい。また、絶縁膜の面積に対する電極の面
積比(アンテナ比)についても、通常の半導体装置のア
ンテナ比に対応させて、本発明においてはMOSキャパ
シタのアンテナ比を1乃至1000000倍とすること
が好ましい。
Since the insulating film of a generally used semiconductor device usually has a thickness of 10 to 300.degree., In the present invention, the same thickness as the insulating film of the semiconductor device to be evaluated is used. It is preferable to use a MOS capacitor having the following. In the present invention, the area ratio of the electrode to the area of the insulating film (antenna ratio) is preferably 1 to 1,000,000 times in the present invention, corresponding to the antenna ratio of a normal semiconductor device.

【0024】更に、リーク電流を測定する電圧が、MO
Sキャパシタの絶縁破壊電圧の5%未満であると、絶縁
膜が受けたダメージの程度を高精度に評価することが困
難になる。一方、測定電圧がMOSキャパシタの絶縁破
壊電圧の70%を超えると、FNトンネル電流が発生し
始めるので、測定電圧におけるリーク電流値が接近し、
絶縁膜のダメージの程度を高精度に評価することが困難
になる。従って、本発明においては、MOSキャパシタ
の絶縁破壊電圧の5乃至70%の電圧でリーク電流を測
定することが望ましい。
Further, the voltage for measuring the leak current is MO
If the breakdown voltage of the S capacitor is less than 5%, it becomes difficult to evaluate the degree of damage to the insulating film with high accuracy. On the other hand, when the measured voltage exceeds 70% of the breakdown voltage of the MOS capacitor, the FN tunnel current starts to be generated, and the leak current value at the measured voltage approaches,
It becomes difficult to evaluate the degree of damage to the insulating film with high accuracy. Therefore, in the present invention, it is desirable to measure the leak current at a voltage of 5 to 70% of the breakdown voltage of the MOS capacitor.

【0025】なお、本発明においては、絶縁膜の絶縁破
壊ダメージの程度の評価結果により、前記プラズマ処理
の適正条件を設計することができる。
In the present invention, appropriate conditions for the plasma processing can be designed based on the evaluation result of the degree of dielectric breakdown damage of the insulating film.

【0026】このように、プラズマ処理中のチャージア
ップ電圧を測定することにより半導体装置を評価するの
ではなく、チャージアップにより発生した絶縁膜のダメ
ージを直接評価するので、実際に使用する半導体装置が
有する絶縁膜が受けるダメージと対比することが容易と
なる。従って、このダメージの程度によって、半導体装
置にプラズマ処理を施す場合のプラズマ処理条件を適切
に設定することができる。
As described above, instead of evaluating the semiconductor device by measuring the charge-up voltage during the plasma processing, the damage of the insulating film caused by the charge-up is directly evaluated. This makes it easy to compare with the damage that the insulating film has. Therefore, the plasma processing conditions when performing the plasma processing on the semiconductor device can be appropriately set depending on the degree of the damage.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体装置の
評価方法について、添付の図面を参照して説明する。図
1は本実施例に係る半導体装置の評価方法において使用
するMOSキャパシタ構造を示す断面図である。また、
図2(a)はチップが形成されたウエハを示す平面図で
あり、(b)はこのチップを拡大して示す平面図であ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for evaluating a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a MOS capacitor structure used in the semiconductor device evaluation method according to the present embodiment. Also,
FIG. 2A is a plan view showing a wafer on which a chip is formed, and FIG. 2B is an enlarged plan view showing the chip.

【0028】先ず、図2(a)に示すように、例えば、
8インチウエハ7の全面に複数のチップ6を形成し、評
価用ウエハを作製する。これらの各チップ6にはMOS
キャパシタ構造を有するデバイスが形成されている。本
実施例において使用するデバイスのMOSキャパシタ構
造を以下に説明する。図1に示すように、下部電極とし
てのp型シリコン基板1の表面にフィールド絶縁膜2が
選択的に形成されており、これにより、素子領域が区画
されている。また、区画された素子領域の表面に、フィ
ールド絶縁膜2よりも薄い膜厚(例えば、90Åの膜
厚)でゲート絶縁膜3が形成されている。更に、ゲート
酸化膜3の上には、ポリシリコンからなる上部電極4が
形成されている。このようにして、MOSキャパシタ構
造が構成されている。
First, as shown in FIG. 2A, for example,
A plurality of chips 6 are formed on the entire surface of an 8-inch wafer 7, and an evaluation wafer is manufactured. Each of these chips 6 has a MOS
A device having a capacitor structure has been formed. The MOS capacitor structure of the device used in this embodiment will be described below. As shown in FIG. 1, a field insulating film 2 is selectively formed on a surface of a p-type silicon substrate 1 serving as a lower electrode, thereby defining an element region. The gate insulating film 3 is formed on the surface of the partitioned element region with a thickness smaller than the field insulating film 2 (for example, a thickness of 90 °). Further, on the gate oxide film 3, an upper electrode 4 made of polysilicon is formed. Thus, a MOS capacitor structure is formed.

【0029】本実施例においては、図2(b)に示すよ
うに、面積が異なる分離された複数の電極が形成される
ようにポリシリコン膜を加工して上部電極4を形成し、
これにより、各評価デバイスA、B、C、D及びEを1
つのチップ6上に形成した。即ち、上部電極(アンテ
ナ)4の面積と、絶縁膜のゲート部分(ゲート酸化膜
3)の面積との比(アンテナ比)を変化させることによ
り、種々の条件でプラズマ処理を施したデバイスを想定
した。各評価デバイスのアンテナ比を下記表1に示す。
In this embodiment, as shown in FIG. 2B, the upper electrode 4 is formed by processing the polysilicon film so that a plurality of separated electrodes having different areas are formed.
Thereby, each evaluation device A, B, C, D, and E is set to 1
One chip 6 was formed. That is, a device subjected to plasma processing under various conditions is assumed by changing the ratio (antenna ratio) of the area of the upper electrode (antenna) 4 to the area of the gate portion (gate oxide film 3) of the insulating film. did. Table 1 below shows the antenna ratio of each evaluation device.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】次に、上記ウエハ7にLSIの製造工程と
してのプラズマ処理(エッチング、レジスト除去及びイ
オン注入等)を施す。本実施例においては、ウエハ7を
プラズマエッチング装置に設置し、これを所定の条件
(ガス種、ガス圧力、高周波プラズマ電力及びバイアス
電極)でエッチング処理した。また、エッチング時間
は、上部電極4の膜厚の半分がエッチングされる時間に
設定した。
Next, the wafer 7 is subjected to plasma processing (etching, resist removal, ion implantation, etc.) as an LSI manufacturing process. In the present embodiment, the wafer 7 was set in a plasma etching apparatus, and this was subjected to an etching process under predetermined conditions (gas type, gas pressure, high-frequency plasma power, and bias electrode). The etching time was set to a time during which half of the thickness of the upper electrode 4 was etched.

【0032】次いで、エッチングが終了したウエハをプ
ローバ評価装置に設置し、各デバイスのIV(電流−電
圧)特性を測定する。図3はウエハ7上の1つのチップ
6における各デバイスのIV特性を示すグラフ図であ
る。図3中の記号は各デバイス記号を示す。また、Fは
プラズマ処理を施していないウエハのデバイスを示す。
プラズマ処理の条件が一定である場合、各デバイスのゲ
ート絶縁膜3が受けるチャージアップダメージの大きさ
は、アンテナ面積(アンテナ比)に比例することが公知
である。従って、本実施例においては、異なる条件でプ
ラズマ処理が施されて、異なる大きさのチャージアップ
ダメージを受けた絶縁膜のIV特性を評価した結果と同
様となる。
Next, the etched wafer is placed in a prober evaluation apparatus, and the IV (current-voltage) characteristics of each device are measured. FIG. 3 is a graph showing the IV characteristics of each device in one chip 6 on the wafer 7. The symbols in FIG. 3 indicate each device symbol. F indicates a device on a wafer that has not been subjected to plasma processing.
It is known that when the conditions of the plasma processing are constant, the magnitude of the charge-up damage to the gate insulating film 3 of each device is proportional to the antenna area (antenna ratio). Therefore, in this embodiment, the result is the same as the result of evaluating the IV characteristics of the insulating film subjected to the plasma treatment under different conditions and having received the charge-up damage of different sizes.

【0033】図3に示すように、デバイスAは低電圧の
印加によって大きな電流が流れている。これは、デバイ
スAのゲート絶縁膜が、既に絶縁破壊を起こしているこ
とを示している。また、デバイスB乃至Eは絶縁破壊を
起こしていないが、FNトンネル電流よりも低い電圧で
リーク電流が発生している。更に、デバイスFはリーク
電流が発生していない。
As shown in FIG. 3, a large current flows through the device A by applying a low voltage. This indicates that the gate insulating film of the device A has already caused dielectric breakdown. In addition, the devices B to E do not cause dielectric breakdown, but generate a leak current at a voltage lower than the FN tunnel current. Further, the device F has no leakage current.

【0034】図4は縦軸にリーク電流値をとり、横軸に
アンテナ比をとって、各デバイスに発生するリーク電流
値を示すグラフ図である。即ち、図4は各デバイスのゲ
ート絶縁膜に10Vの電圧を印加した場合のリーク電流
値をアンテナ比に対して示したものである。図4に示す
ように、リーク電流値はアンテナ比の大きさ、即ち、チ
ャージアップによるダメージ量に比例して大きくなって
いる。
FIG. 4 is a graph showing the value of the leak current generated in each device, with the ordinate representing the leak current value and the abscissa representing the antenna ratio. That is, FIG. 4 shows the leakage current value with respect to the antenna ratio when a voltage of 10 V is applied to the gate insulating film of each device. As shown in FIG. 4, the leakage current value increases in proportion to the magnitude of the antenna ratio, that is, the amount of damage due to charge-up.

【0035】一方、FNトンネル領域では、図3に示す
ように、デバイスB乃至Eは、デバイスFと殆ど同一の
IV特性を有している。従って、GOI電圧を測定する
ことによって絶縁膜のダメージを評価する従来の技術で
は、デバイスB乃至Eが受けたダメージの程度を評価す
ることはできず、絶縁破壊を起こしたデバイスA(No-g
ood)と絶縁破壊を起こしていないデバイスB乃至F(G
ood)との2段階で判定されるのみとなる。更に、デバ
イスB乃至Eは、絶縁膜のダメージを受けていないデバ
イスFと同一のダメージなし(Good)と判断されるの
で、ダメージの検出精度も低い。
On the other hand, in the FN tunnel region, devices B to E have almost the same IV characteristics as device F as shown in FIG. Therefore, according to the conventional technique of evaluating the damage of the insulating film by measuring the GOI voltage, the degree of damage received by the devices B to E cannot be evaluated, and the device A (No-g
ood) and devices B to F (G
ood). Further, since the devices B to E are determined to have no damage (Good), which is the same as the device F in which the insulating film is not damaged, the detection accuracy of the damage is low.

【0036】本実施例においては、図4に示すように、
デバイスB乃至EとデバイスFとの違いを明確に評価す
ることができると共に、デバイスB乃至Eの間のダメー
ジの程度も判断することができる。従って、デバイスが
受けたチャージアップダメージを、連続したダメージの
変化として高精度に評価することができる。従って、例
えば、種々の条件でMOSキャパシタにプラズマ処理を
施した場合の絶縁膜のダメージの程度を評価することに
より、実際の半導体装置の製造工程におけるプラズマ処
理条件を適切に設定することができる。
In this embodiment, as shown in FIG.
The difference between the devices B to E and the device F can be clearly evaluated, and the degree of damage between the devices B to E can also be determined. Therefore, the charge-up damage received by the device can be evaluated with high accuracy as a continuous change in damage. Therefore, for example, by evaluating the degree of damage to the insulating film when the plasma processing is performed on the MOS capacitor under various conditions, the plasma processing conditions in the actual semiconductor device manufacturing process can be appropriately set.

【0037】なお、前述の如く、プラズマ処理条件が一
定であるとき、絶縁膜のダメージの程度はアンテナ比に
比例し、デバイスの構造には依存しないので、本実施例
に示すように、単純な三層構造の評価デバイスを使用し
て絶縁膜のダメージの程度を評価することができる。但
し、評価デバイスの構造は、図1に示す構造に限定され
ず、本発明においては、種々のMOSキャパシタ構造を
有する評価デバイスを使用することができる。
As described above, when the plasma processing conditions are constant, the degree of damage to the insulating film is proportional to the antenna ratio and does not depend on the structure of the device. The degree of damage to the insulating film can be evaluated using a three-layer evaluation device. However, the structure of the evaluation device is not limited to the structure shown in FIG. 1, and in the present invention, evaluation devices having various MOS capacitor structures can be used.

【0038】図5及び図6は本発明に係る半導体装置の
評価方法において使用することができる評価デバイスの
構造例を示す断面図である。図5及び6に示すデバイス
において、図1と同一物には同一符号を付して、その詳
細な説明は省略する。
FIGS. 5 and 6 are sectional views showing examples of the structure of an evaluation device that can be used in the method for evaluating a semiconductor device according to the present invention. In the devices shown in FIGS. 5 and 6, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0039】図5に示す評価デバイスは、図1に示す上
部電極4を加工する前のポリシリコン膜8の上に、フォ
トレジスト9が選択的に形成されたものである。また、
図6に示す評価デバイスは、上部電極4及びフィールド
酸化膜2を含む表面全面に層間絶縁膜10が形成されて
おり、この層間絶縁膜10は、ゲート絶縁膜3に整合す
る領域にコンタクトホール10aが設けられていて、更
に、層間絶縁膜10の上に、コンタクトホール10aを
埋める金属膜11が形成されたものである。
In the evaluation device shown in FIG. 5, a photoresist 9 is selectively formed on the polysilicon film 8 before the upper electrode 4 shown in FIG. 1 is processed. Also,
In the evaluation device shown in FIG. 6, an interlayer insulating film 10 is formed on the entire surface including the upper electrode 4 and the field oxide film 2, and the interlayer insulating film 10 has a contact hole 10a in a region matching the gate insulating film 3. And a metal film 11 filling the contact hole 10a is formed on the interlayer insulating film 10.

【0040】このように構成された評価デバイスによっ
ても、図1に示す評価デバイスと同様に、絶縁膜のダメ
ージの程度を評価することができる。
With the evaluation device configured as described above, the degree of damage to the insulating film can be evaluated as in the evaluation device shown in FIG.

【0041】また、本実施例においては、プラズマエッ
チング装置を使用してエッチング処理時におけるチャー
ジアップダメージを測定したが、本発明においては、そ
の他のプラズマ処理、例えば、レジスト除去(アッシン
グ)装置又はイオン注入装置を使用したレジスト除去時
又はイオン注入時におけるチャージアップダメージを測
定することができる。
In this embodiment, the charge-up damage during the etching process was measured using a plasma etching apparatus. However, in the present invention, other plasma processing such as a resist removal (ashing) apparatus or an ion It is possible to measure charge-up damage at the time of removing a resist using an implantation apparatus or at the time of ion implantation.

【0042】更に、本実施例においては、零電圧からダ
メージを受けていないMOSキャパシタが絶縁破壊する
電圧まで各デバイスに電圧を印加し、そのデバイスのI
V特性によって各デバイスの特性を評価した。しかし、
本発明においては、MOSキャパシタのFNトンネル電
流が発生する電圧よりも小さな所定の電圧、例えば10
Vの電圧を印加した場合に発生するリーク電流のみを測
定してもよい。この電圧は、例えば、MOSキャパシタ
の絶縁破壊電圧の5乃至70%の範囲で設定することが
できる。このようにすることにより、測定時間を著しく
短縮することができる。
Further, in this embodiment, a voltage is applied to each device from zero voltage to a voltage at which the undamaged MOS capacitor breaks down, and the I
The characteristics of each device were evaluated by V characteristics. But,
In the present invention, a predetermined voltage smaller than the voltage at which the FN tunnel current of the MOS capacitor is generated, for example, 10
It is also possible to measure only a leak current generated when a voltage of V is applied. This voltage can be set, for example, in the range of 5 to 70% of the breakdown voltage of the MOS capacitor. By doing so, the measurement time can be significantly reduced.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
MOSキャパシタを使用して、このMOSキャパシタの
電流−電圧特性におけるFNトンネル電流が生じる電圧
よりも低い電圧をMOSキャパシタに印加して、発生す
るリーク電流を測定するので、MOSキャパシタの絶縁
膜のダメージの程度を高精度に評価することができ、こ
のリーク電流の値により、半導体装置をプラズマ処理し
た場合の前記半導体装置の絶縁破壊ダメージの程度を高
精度に評価することができる。また、本発明において使
用するMOSキャパシタは単純な構造であるので、その
評価方法が簡単になると共に、その評価時間を著しく短
縮することができる。
As described in detail above, according to the present invention,
Using a MOS capacitor, a voltage lower than the voltage at which the FN tunnel current occurs in the current-voltage characteristic of the MOS capacitor is applied to the MOS capacitor, and the generated leakage current is measured. Therefore, the insulating film of the MOS capacitor is damaged. Can be evaluated with high accuracy, and the value of the leak current allows the degree of dielectric breakdown damage of the semiconductor device when the semiconductor device is subjected to plasma processing to be evaluated with high accuracy. Further, since the MOS capacitor used in the present invention has a simple structure, the evaluation method can be simplified, and the evaluation time can be significantly reduced.

【0044】また、MOSキャパシタの絶縁膜及びアン
テナ比を適切に設定すると共に、リーク電流を測定する
電圧を適切に選択すると、実際の半導体装置に厳密に対
比させることができると共に、ダメージの評価精度を向
上させることができる。
When the insulating film of the MOS capacitor and the antenna ratio are appropriately set and the voltage for measuring the leakage current is appropriately selected, the actual semiconductor device can be strictly compared with the actual semiconductor device, and the damage evaluation accuracy can be improved. Can be improved.

【0045】更に、絶縁膜の絶縁破壊ダメージの程度の
評価結果により、前記プラズマ処理の条件を選択する
と、実際の半導体装置の製造工程におけるプラズマ処理
条件を適切に設計することができる。
Further, if the conditions of the plasma processing are selected based on the evaluation result of the degree of dielectric breakdown damage of the insulating film, the plasma processing conditions in the actual semiconductor device manufacturing process can be appropriately designed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本実施例に係る半導体装置の評価方法において
使用するMOSキャパシタ構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a MOS capacitor structure used in a semiconductor device evaluation method according to the present embodiment.

【図2】(a)はチップが形成されたウエハを示す平面
図であり、(b)はこのチップを拡大して示す平面図で
ある。
2A is a plan view showing a wafer on which chips are formed, and FIG. 2B is an enlarged plan view showing the chips.

【図3】ウエハ7上の1つのチップ6における各デバイ
スのIV特性を示すグラフ図である。
FIG. 3 is a graph showing IV characteristics of each device in one chip 6 on a wafer 7;

【図4】縦軸にリーク電流値をとり、横軸にアンテナ比
をとって、各デバイスに発生するリーク電流値を示すグ
ラフ図である。
FIG. 4 is a graph showing a leak current value generated in each device, with a vertical axis indicating a leak current value and a horizontal axis indicating an antenna ratio.

【図5】本発明に係る半導体装置の評価方法において使
用することができる評価デバイスの構造例を示す断面図
である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structural example of an evaluation device that can be used in the semiconductor device evaluation method according to the present invention.

【図6】本発明に係る半導体装置の評価方法において使
用することができる評価デバイスの他の構造例を示す断
面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the structure of the evaluation device that can be used in the semiconductor device evaluation method according to the present invention.

【図7】(a)はプラズマ処理中における基板表面のプ
ラズマ電位の分布を示すグラフ図と、このプラズマ処理
により発生する基板中の電流の流れを示す模式図であ
り、(b)は基板の一部を拡大して示す断面図である。
FIG. 7A is a graph showing the distribution of plasma potential on the substrate surface during the plasma processing, and a schematic view showing the flow of current in the substrate generated by the plasma processing, and FIG. It is sectional drawing which expands and shows a part.

【図8】従来のIV測定法において使用するMOSキャ
パシタ構造を示す断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a MOS capacitor structure used in a conventional IV measurement method.

【図9】縦軸に電流をとり、横軸に電圧をとって、一般
的なIV特性の例を示すグラフ図である。
FIG. 9 is a graph showing an example of general IV characteristics, with the vertical axis representing current and the horizontal axis representing voltage.

【図10】縦軸に電圧をとり、横軸に時間をとって、プ
ラズマ処理前のデバイスと、プラズマ処理後のデバイス
との絶縁破壊に至るまでの時間の比較を示すグラフ図で
ある。
FIG. 10 is a graph showing a comparison of a time before a device before plasma treatment and a device after a plasma treatment until dielectric breakdown occurs, with the voltage on the vertical axis and the time on the horizontal axis.

【図11】従来のCV測定法において使用するMNOS
構造のデバイスを示す断面図である。
FIG. 11 shows MNOS used in a conventional CV measurement method.
It is sectional drawing which shows the device of a structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、22、26、31;基板 2;フィールド絶縁膜 3、23;ゲート絶縁膜 4、24;上部電極 6;チップ 7;ウエハ 8;ポリシリコン膜 9;フォトレジスト 10;層間絶縁膜 11;金属膜 21;基体 28、34;電極 29;MOSキャパシタ 30a;リーク電流 30b;FNトンネル電流 30c;絶縁破壊 32;酸化膜 33;窒化膜 35;MNOS構造デバイス A、B、C、D、E、F;デバイス 1, 22, 26, 31; substrate 2: field insulating film 3, 23; gate insulating film 4, 24; upper electrode 6; chip 7, wafer 8; polysilicon film 9, photoresist 10, interlayer insulating film 11; Film 21; Substrate 28, 34; Electrode 29; MOS capacitor 30a; Leakage current 30b; FN tunnel current 30c; Dielectric breakdown 32; Oxide film 33; Nitride film 35; ;device

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板と、この半導体基板の上に形
成された絶縁膜と、この絶縁膜の上に形成された電極と
を有するMOSキャパシタをプラズマ処理した後、前記
MOSキャパシタの電流−電圧特性におけるFNトンネ
ル電流が生じる電圧よりも低い電圧を前記MOSキャパ
シタに与えて発生するリーク電流を測定し、半導体装置
をプラズマ処理した場合の前記半導体装置の絶縁破壊ダ
メージの程度を前記MOSキャパシタのリーク電流によ
り評価することを特徴とする半導体装置の評価方法。
An MOS capacitor having a semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate, and an electrode formed on the insulating film is subjected to plasma processing, and then the current-voltage of the MOS capacitor is changed. The leakage current generated by applying a voltage lower than the voltage at which the FN tunnel current occurs in the characteristics to the MOS capacitor is measured, and the degree of dielectric breakdown damage of the semiconductor device when the semiconductor device is subjected to plasma processing is determined by the leakage of the MOS capacitor. An evaluation method of a semiconductor device, wherein the evaluation is performed by a current.
【請求項2】 前記MOSキャパシタは、前記絶縁膜の
膜厚が10乃至300Åであり、前記電極が前記絶縁膜
の面積の1乃至1000000倍の面積を有するもので
あって、前記リーク電流を測定する電圧は、前記MOS
キャパシタの絶縁破壊電圧の5乃至70%の電圧である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の評価方
法。
2. The MOS capacitor according to claim 1, wherein the thickness of the insulating film is 10 to 300 °, and the electrode has an area of 1 to 1,000,000 times the area of the insulating film. The voltage to be applied is
2. The method according to claim 1, wherein the voltage is 5% to 70% of a dielectric breakdown voltage of the capacitor.
【請求項3】 前記絶縁膜の絶縁破壊ダメージの程度の
評価結果により、前記プラズマ処理の適正条件を設計す
ることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置
の評価方法。
3. The method for evaluating a semiconductor device according to claim 1, wherein an appropriate condition of the plasma processing is designed based on an evaluation result of a degree of dielectric breakdown damage of the insulating film.
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