JPH11345850A

JPH11345850A - 絶縁膜評価方法および装置

Info

Publication number: JPH11345850A
Application number: JP10150944A
Authority: JP
Inventors: Kenji Okada; 健治岡田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 1999-12-14
Anticipated expiration: 2018-06-01
Also published as: JP3859357B2

Abstract

(57)【要約】【課題】短時間に精度の高いゲート酸化膜寿命の推定
を行なう。【解決手段】判定電圧Ｖｍと判定ＡモードＳＩＬＣ電
流量Ｉｍとを設定する（ステップ７１）。評価用ストレ
ス印加条件およびストレス印加時間ｔ_totalを設定する
（ステップ７２）。設定したストレス条件で絶縁膜に対
してストレス試験を実施する（ステップ７３）。ストレ
ス試験終了後、ストレス試験中に記録しておいた各スト
レス印加時間ｔにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを
Ｉ_A＝ａ×ｔ^bの関係式に代入し、フィッティングを実行
する（ステップ７４）。２つのストレス電界におけるａ
値およびｂ値を求め、２つの異なるストレス電界におけ
る寿命ｔの関係を式ｔ₂＝（ａ₁／ａ₂）×ｔ₁で表現す
る。ここで、ａ₁およびｔ₁は、それぞれ、第１のストレ
ス電界におけるａ値および寿命であり、ａ₂およびｔ
₂は、それぞれ、第２のストレス電界におけるａ値およ
び寿命である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は絶縁膜評価方法およ
び絶縁膜評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路装置の集積度の向
上に伴って、素子のサイズは縮小の一途をたどってい
る。超ＬＳＩの分野でゲート絶縁膜として用いられるシ
リコン酸化膜（ＳｉＯ₂）の厚さは１０ｎｍを下回って
おり、その信頼性の評価が以前にもまして重要になって
きている。ゲート絶縁膜の信頼性を評価する方法とし
て、定電圧ストレス印加方法および定電流ストレス印加
方法が広く用いられている。

【０００３】図３２を参照しながら、従来の定電圧スト
レス印加方法を最初に説明する。

【０００４】まず、ステップＳ５０で、評価用としてあ
らかじめ設定された任意の電圧Ｖ₀、判定電流量Ｉ₀、お
よび、測定を行なう試料の個数Ｎを設定する。

【０００５】次に、ステップＳ５１で、複数の試料の中
から選択された最初の試料へ測定用プローブ端子を移動
させる。

【０００６】次に、ステップＳ５２で、評価用電圧Ｖ₀
を試料の絶縁膜に供給する。そして、ステップＳ５３
で、評価用電圧Ｖ₀の供給状態をｔ₁秒間保持したのち、
ステップＳ５４で、電流量Ｉを測定する。ステップＳ５
５で、電流量Ｉの大きさから絶縁破壊が発生したかどう
かの判定を行う。たとえば、電流量Ｉの絶対値が判定電
流量Ｉ₀の絶対値よりも大きい場合に絶縁破壊が発生し
たと判定する。

【０００７】ステップＳ５５で、絶縁破壊が発生してい
ないと判定された場合、ステップＳ５３に戻り、絶縁膜
に絶縁破壊が発生するまでステップＳ５３、ステップＳ
５４、およびステップＳ５５の操作を繰り返す。

【０００８】ステップＳ５５で、絶縁破壊が発生してい
ると判定された場合には、ステップＳ５６で、評価用電
圧Ｖ₀供給開始から絶縁破壊が発生するまでに要した所
要時間ｔを記録する。

【０００９】Ｎ個の試料について測定を終了した場合に
は（ステップＳ５７）、ステップＳ５８で、Ｎ個の試料
について測定された所要時間ｔを統計的に処理し、これ
らの試料についての絶縁破壊時間ｔ_BDを算出する。統計
的な処理方法としては、一般にワイブルプロットと呼ば
れる手法が用いられている。以下に、その手法を説明す
る。

【００１０】まず、累積不良率Ｆから算出される指数Ｗ
を、ｌｏｇスケールのストレス印加時間ｔに対してプロ
ットする。ここで、累積不良率Ｆは、ある時間までに絶
縁破壊した試料の個数の割合を示し、ストレス印加時間
ｔは、評価用電圧Ｖ₀印加時間を示す。すると、指数Ｗ
は以下の式（１）により計算される。

【００１１】Ｗ＝ｌｎ［ｌｎ｛１／（１−Ｆ）｝］式（１）このようにして算出されたＷとｔとは、上記ワイブルプ
ロットを行なうことによって直線的な関係を有すること
が経験的に知られており、絶縁膜の寿命を簡便に知る方
法として使用されている。測定の結果得られたデータを
ワイブルプロットし、たとえばＦ＝５０％になるときの
ストレス印加時間を求める。次に、これを絶縁膜の５０
％絶縁破壊寿命ｔ_BDまたはｔ₅₀して記述する。

【００１２】ステップＳ５７でＮ個の試料についての測
定を終了していない場合には、次の試料へ移動し（ステ
ップＳ５９）、ステップＳ５２に戻り、Ｎ個の試料をす
べて測定するまで、ステップＳ５２からステップＳ５９
までの各操作を繰り返す。

【００１３】測定個数Ｎは、通常、２０から１００であ
る。これは、個々の測定におけるｔ値が統計的な分布を
有するため、数回程度の測定によって得られたｔ値に基
づいては、その分布を正確に知ることが不可能だからで
ある。

【００１４】このようにして得られるｔ_BDは、絶縁膜の
絶縁破壊に要する時間を表している。そのため、ｔ
_BDは、絶縁膜の品質を定量的に検証して比較・検討する
ためや、品質保証を示す情報としては最適であり、絶縁
膜質・信頼性を表現する指標として広く用いられてい
る。

【００１５】次に、図３３を参照しながら、従来の定電
流ストレス印加方法を説明する。

【００１６】まず、ステップＳ６０で、評価用としてあ
らかじめ設定された任意の電流量Ｉ₀、判定電圧Ｖ₀、お
よび、測定を行なう試料の個数Ｎを設定し、ステップＳ
６１で初めの試料へと移動する。

【００１７】次に、ステップＳ６２で、評価用電流Ｉ₀
を絶縁膜に供給する。そして、評価用電流Ｉ₀の供給状
態をｔ₁秒間保持したのち（ステップＳ６３）、ステッ
プＳ６４で電圧値Ｖを測定し、ステップＳ６５で絶縁破
壊が発生したかどうかの判定を行う。たとえば電圧値Ｖ
の絶対値が判定電圧Ｖ₀の絶対値よりも小さいときに
は、絶縁破壊が発生したと判定する。ステップＳ６５
で、絶縁破壊が発生していないと判定される場合には、
ステップＳ６２に戻り、絶縁膜に絶縁破壊が発生するま
でステップＳ６３からステップＳ６５までの操作を繰り
返す。

【００１８】ステップＳ６５で絶縁破壊が発生している
と判定された場合には、ステップＳ６６で、評価用電流
Ｉ₀供給開始から絶縁破壊が発生するまでに要した所要
時間をｔとして記録する。Ｎ個の試料について測定を終
了した場合には（ステップＳ６７）、Ｎ個の試料につい
ての各所要時間ｔを統計的に処理することにより、これ
らの試料における絶縁破壊時間ｔ_BDをおよび絶縁破壊ま
での総注入電荷量Ｑ_BDを算出する（ステップＳ６８）。
絶縁破壊時間ｔ_BDの算出には、前述のワイブルプロット
が一般に用いられる。ここで、Ｑ_BDはｔ_BDと評価用電流
Ｉ₀の積を面積Ｓで割った値として定義される。

【００１９】ステップＳ６７で、Ｎ個の試料について測
定を終了していない場合には、ステップＳ６９で、次の
試料へ移動し、Ｎ個の試料のすべてについて測定を終了
するまでステップＳ６２からステップＳ６９までの操作
を繰り返す。この場合も、測定個数Ｎは、２０から１０
０程度である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】従来の絶縁膜信頼性評
価方法によれば、測定個数Ｎが通常２０から１００程度
であるため、多数の試料を用意することが必要になると
ともに、膨大な測定時間を必要とするという問題点を有
している。測定個数をＮ個とすると、その測定誤差は一
般に（Ｎ^1/2）／Ｎに比例することが知られており、測
定個数が少ない場合にはその測定結果は十分に信用でき
ないものとなる。そこで、測定結果の信頼性を上げるた
めには、測定個数を多くすることが必要となるが、測定
に要する時間も増大してしまい、また、測定用に多数の
試料を用意することが必要となる。

【００２１】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、測定結果の信頼性を低
下させることなく、測定に要する時間および試料数を抑
制することが可能となる絶縁膜評価方法および装置を提
供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明による絶縁膜評価
方法は、第１の絶縁膜に第１の電気的ストレスを印加す
る第１ストレス印加工程と、前記第１の絶縁膜に対して
Ａモードストレス誘起リーク電流量の時間変化を測定す
る第１測定工程と、第２の絶縁膜に前記第１の電気的ス
トレスのレベルとは異なるレベルの第２の電気的ストレ
スを印加する第２ストレス印加工程と、前記第２の絶縁
膜に対してＡモードストレス誘起リーク電流量の時間変
化を測定する第２測定工程と、前記第１測定工程の結果
と前記第２測定工程の結果に基づいて、絶縁膜寿命の電
界依存性を決定する決定工程とを包含する。

【００２３】前記決定工程は、前記第１測定工程および
前記第２測定工程によって得られた結果に、ストレス印
加時間ｔにおけるＡモードストレス誘起リーク電流量Ｉ
_A＝ａ×ｔ^bの関係式を適用することによって、前記第１
の電気的ストレス印加時のパラメータａ（＝ａ₁）と、
前記第２の電気的ストレス印加時のパラメータａ（＝ａ
₂）とを決定する工程を含んでいてもよい。

【００２４】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ
₁を求める工程と、前記寿命ｔ₁を式ｔ₂＝（ａ₁／ａ₂）
×ｔ₁に代入することによって、前記第２の電気的スト
レス印加時の寿命ｔ₂を推定する工程とを更に包含して
もよい。

【００２５】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ
₁を求める工程と、ｃを定数とし、ｂを前記第１の電気
ストレス印加時のｂ値と前記第２の電気ストレス印加時
のｂ値とによって定まる規定値とした場合の式ｔ₂＝
（ａ₁／ａ₂）^c/b×ｔ₁に前記寿命ｔ₁を代入することに
よって、前記第２の電気的ストレス印加時の寿命ｔ₂を
推定する工程とを更に包含してもよい。

【００２６】前記規定値ｂは、前記第１の電気ストレス
印加時のｂ値と前記第２の電気ストレス印加時のｂ値と
の平均値であってもよい。

【００２７】前記決定工程は、前記第１測定工程および
前記第２測定工程によって得られた結果をｌｏｇ−ｌｏ
ｇスケールグラフ上にプロットし、前記第１および第２
の電気的ストレスに対応するデータを示す直線を前記グ
ラフ上に記載する工程と、前記直線と任意のある値を示
すＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Xに対応する水平直線との
二つの交点からグラフ横軸（時間軸）に対して２本の垂
線を引き、前記垂線と時間軸との交点から時間ｔ_q1およ
びｔ_q2を求め、ｃを定数とし、前記第１の電気的ストレ
ス印加時の寿命ｔ₁および前記第２の電気的ストレス印
加時の寿命ｔ₂との間に成立する関係式ｔ₂＝（ｔ_q2／ｔ
_q1）^c×ｔ₁を決定する工程とを含んでいてもよい。

【００２８】前記決定工程は、前記第１測定工程および
前記第２測定工程によって得られた結果をｌｏｇ−ｌｏ
ｇスケールグラフ上にプロットし、前記第１および第２
の電気的ストレスに対応するデータを示す直線を前記グ
ラフ上に記載する工程と、前記直線と任意のある値を示
すＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Xに対応する水平直線との
二つの交点からグラフ縦軸に平行な線に対して傾きｃの
直線を引き、前記グラフ縦軸に平行な線と前記傾きｃの
直線との交点からＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_q1およびＩ
_q2を求め、前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ₁
および前記第２の電気的ストレス印加時の寿命ｔ₂との
間に成立する関係式ｔ₂＝（Ｉ_q1／Ｉ_q2）×ｔ₁を決定す
る工程とを含んでいてもよい。

【００２９】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ
₁を求める工程と、前記寿命ｔ₁を前記関係式に代入する
ことによって、前記第２の電気的ストレス印加時の寿命
ｔ₂を推定する工程とを更に包含してもよい。

【００３０】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ
₁を求める工程は、複数の試料について、その試料に含
まれる絶縁膜に電気的ストレスを印加するストレス印加
工程と、各試料について、Ａモードストレス誘起リーク
電流量をモニタし、前記絶縁膜の絶縁破壊が生じるとき
の前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の値を測定す
る工程と、測定された前記Ａモードストレス誘起リーク
電流量の複数の値を統計的に処理することによって、前
記Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい
値を決定するしきい値決定工程とを包含してもよい。

【００３１】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ
₁を求める工程は、前記第１の絶縁膜と同種の絶縁膜に
前記第１の電気的ストレスと同一レベルの電気的ストレ
スを印加する工程と、Ａモードストレス誘起リーク電流
量を測定する工程と、前記Ａモードストレス誘起リーク
電流量の測定値と、前記Ａモードストレス誘起リーク電
流量の絶縁破壊しきい値に基づいて決められた判定値と
の関係に基づいて、前記第１の絶縁膜の寿命を推定する
寿命推定工程とを包含してもよい。

【００３２】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ
₁を求める工程は、前記第１の絶縁膜と同種の絶縁膜に
前記第１の電気的ストレスと同一レベルの電気的ストレ
スを印加する工程と、前記絶縁膜の絶縁破壊を生じるま
で前記電気的ストレスの印加を続け、それによって前記
絶縁膜の寿命を測定する工程とを包含してもよい。

【００３３】本発明による絶縁膜評価装置は、前記絶縁
膜評価方法を実するための絶縁膜評価装置であって、評
価対象の絶縁膜が形成された試料を保持するホルダと、
ホルダ上に置かれた試料に電気的に接触するプローブ
と、プローブを介して試料に電気的ストレスを印加し、
電流・電圧の測定を実行するための測定部とを備えてい
る。

【００３４】前記測定部によって得られたデータを解析
するための解析部を更に備えていることが好ましい。

【００３５】

【発明の実施の形態】ゲート酸化膜の厚さが約６ｎｍ程
度以下になると、２つのモードのストレス誘起リーク電
流（Stress Induced Leakage Current：以下、「ＳＩＬ
Ｃ」と称する）が観察されることが知られている（K. O
kada, S. Kawasaki and Y. Hirofuji：Extended Abstru
cts of the 1994 International Conference on SOLID
STATEDEVICES AND MATERIALS (1994) p.565）。これら
２つのモードの電流は、それぞれ「Ａモードストレス誘
起リーク電流」および「Ｂモードストレス誘起リーク電
流」と呼び、区別される。本願明細書では、Ａモードス
トレス誘起リーク電流を「Ａ−ＳＩＬＣ」と称し、Ｂモ
ードストレス誘起リーク電流を「Ｂ−ＳＩＬＣ」と称す
ることとする。

【００３６】図１は、本発明の絶縁膜評価方法に使用さ
れるＭＯＳキャパシタの一例の断面構造を示している。
このＭＯＳキャパシタは、Ｐ型の単結晶シリコン基板１
上に形成された厚さ４．３ｎｍのゲート酸化膜（面積
０．０１ｍｍ²）２と、そのゲート酸化膜２上に形成さ
れたゲート電極３とを備えている。ゲート電極３の側面
には絶縁性のサイドウォール４が設けられている。ゲー
ト酸化膜２はシリコン基板１の表面を熱酸化することに
よって形成され、ゲート電極３は、例えば、ＣＶＤ法で
堆積した多結晶シリコン膜をパターニングすることによ
って形成される。

【００３７】シリコン基板１およびゲート電極３は、そ
れぞれ、絶縁膜評価装置５の測定部に電気的に接続され
る。このようなＭＯＳキャパシタのゲート電極３に負電
圧を繰り返し印加することによって、ゲート絶縁膜２に
電気的なストレスを与えることができる。

【００３８】図２は、図１のＭＯＳキャパシタを用い
て、そのゲート絶縁膜２に電気的ストレスを与えた場合
に測定される、「電流−電圧特性」の変化を示してい
る。この電流−電圧特性は、ゲート電極３に負電圧を可
変的に印加しながら、シリコン基板１からゲート絶縁膜
２を介してゲート電極３へ流れるリーク電流（以下、
「ゲート電流」と称する場合がある）を測定することに
よって得られる。電流−電圧特性の測定は、前述のスト
レス印加を時折中断して実行される。

【００３９】図２のグラフには、典型的なＡ−ＳＩＬＣ
およびＢ−ＳＩＬＣが観測されている。ストレス印加前
の初期特性では、ファウラー・ノードハイム（ＦＮ）ト
ンネル電流、および直接トンネル電流が支配的である
が、ストレス印加を開始すると、まず、Ａ−ＳＩＬＣが
観察されるようになる。Ａ−ＳＩＬＣは、ストレス印加
時間の経過とともに連続的に増大する。さらにストレス
印加を継続すると、やがて、より大きな電流レベルを有
するＢ−ＳＩＬＣが観察されるようになる。Ａ−ＳＩＬ
Ｃはストレス印加時間の経過に伴って連続的に増大する
のに対し、Ｂ−ＳＩＬＣは突然不連続に現れる。さらに
ストレス印加を継続することによって、完全な絶縁破壊
に至る。この完全絶縁破壊は、厚さが１０ｎｍ程度を越
える比較的に厚い絶縁膜で観察される絶縁破壊と同様の
ものである。

【００４０】Ａ−ＳＩＬＣは、酸化膜のほぼ全面を流れ
る電流であるのに対し、Ｂ−ＳＩＬＣは、数ｎｍ〜数１
０ｎｍ程度のサイズを有する局所領域を流れる電流であ
る。Ｂ−ＳＩＬＣが現れる現象は、絶縁破壊過程の一部
であることがわかっている（K. Okada and S. Kawasak
i：Extended Abstructs of the 1995 InternationalCon
ference on SOLID STATE DEVICES AND MATERIALS (199
5) p.473, およびK.Okada：Extended Abstructs of the
1996 International Conference on SOLIDSTATE DEVIC
ES AND MATERIALS (1996) p.782）。従って、この現象
を部分絶縁破壊（partial-breakdown、以下、ｐ−Ｂ
Ｄ）と呼び、Ｂ−ＳＩＬＣ状態から完全に絶縁破壊に至
る反応を完全絶縁破壊（complete-breakdown、以下、c
−ＢＤ）と呼んでいる。

【００４１】また、Ｂ−ＳＩＬＣ状態を経ることなく完
全に絶縁破壊に至る場合もある。なお、ｐ−ＢＤを疑似
絶縁破壊（quasi−breakdown）もしくはソフトブレーク
ダウン（soft-breakdown）、Ｂ−ＳＩＬＣを疑似絶縁破
壊電流（quasi−breakdown current）と呼ぶこともある
が、本願明細書では、Ａ−ＳＩＬＣ、Ｂ−ＳＩＬＣ、ｐ
−ＢＤ、c−ＢＤの用語を用いることにする。

【００４２】ｐ−ＢＤの発生によってリーク電流は増大
するが、直ちにデバイスが動作しなくなることはない。
このため、ゲート酸化膜の寿命としては完全絶縁破壊が
発生するまでの時間をとるべきである。しかしながら、
デバイス構造によってはＢ−ＳＩＬＣのリーク電流でも
動作不良の原因となりうるし、また、リーク電流レベル
の規格の厳しいデバイスについてはｐ−ＢＤまでの時間
を寿命と考えるべきである。したがって、ｐ−ＢＤまで
の時間を測定もしくは推定することが、デバイス評価の
ために重要となる。そこで、本願明細書においては、ｐ
−ＢＤが発生する現象、およびｐ−ＢＤを経ることなく
完全絶縁破壊する現象を含めて絶縁破壊と呼ぶことと
し、それまでの時間をゲート酸化膜の寿命と定義し用い
ることとする。

【００４３】図３は、図１のＭＯＳキャパシタのゲート
電極３に負の一定電圧（−６Ｖ）を印加した場合におけ
る、ゲート電流量の時間変化を示している。この試料に
ついては、ストレス電圧（−６Ｖ）の印加開始から４１
０秒後にｐ−ＢＤが発生し、Ｂ−ＳＩＬＣが流れ始めて
いる。ストレス電圧が印加された状態でのゲート電流量
はストレス印加時間の経過とともに連続的に増大してい
るが、その変化は、４１０秒間に０．８２３μＡから
０．８８９μＡへと僅か８％程度の増加に過ぎない。こ
の変化の割合（変化率）は、酸化膜厚が薄くなるほど、
より小さくなることが知られている。したがって、スト
レス印加電圧と同じレベルの電圧がゲート電極に印加さ
れているときのゲート電流の時間変化をモニタするだけ
では、絶縁破壊の発生を予見することは非常に困難であ
る。前述したように、従来の絶縁膜信頼性評価は、この
ようなゲート電流量をモニターするため、実際に絶縁破
壊が発生するまでストレスの印加を続けることが必要と
なり、非常に長い測定時間を要している。

【００４４】測定時間を短縮するためにストレス条件を
厳しく、すなわち、評価用電圧の絶対値をより大きくす
るか、もしくはストレス印加時の温度を高くする、など
の方法が用いられている。これは電界もしくは温度加速
試験と呼ばれている。この方法によれば、デバイスの実
使用条件下におけるゲート酸化膜寿命を推定するために
は、ゲート酸化膜寿命が電界もしくは温度によってどの
ように変化するかを知ることが必要になる。そのモデル
としていくつか存在するが、未だにどのモデルが正しい
のか明確になっていないのが現状である。また電界もし
くは温度加速試験により求めた寿命をデバイスの実使用
条件（電界、温度）まで外挿することによって実使用条
件下におけるゲート酸化膜寿命を求めるため、正確な寿
命推定を行うためには、より低電界・低温度で試験を行
うことが求められる。

【００４５】以上のように、試験時間を短縮すると推定
寿命の精度が低下するため、精度を上げるためには試験
時間が非常に長くなってしまう原因となっている。

【００４６】図４は、厚さ４．３ｎｍのシリコン酸化膜
を有するＭＯＳキャパシタについて定電圧ストレス印加
を行ったときの電流−電圧特性の時間変化を示してい
る。ストレス印加は、ＭＯＳキャパシタのゲート電極側
に負一定電圧（−６Ｖ）を印加することによって行っ
た。ストレス印加前にはカーブ１で示される特性を示し
ていたが、ストレス印加時間の増加とともに、ゲート電
圧が−２Ｖから−５Ｖ程度までの領域におけるゲート電
流、すなわちＡ−ＳＩＬＣが連続的に増大し、ｐ−ＢＤ
の直前にはカーブ２で示される特性を示している。ゲー
ト電圧が−４Ｖのときのゲート電流量（Ａ−ＳＩＬＣ）
は、２けた以上変化している。

【００４７】図５は、ストレス印加時間と、ゲート電圧
が−４Ｖのときのゲート電流量（Ａ−ＳＩＬＣ）との関
係を示している。図５のグラフの縦軸は、上記ＭＯＳキ
ャパシタのゲート電極に−４Ｖの電圧を印加したときの
ＡモードＳＩＬＣ電流量を示し、横軸はストレス印加時
間を示している。図５に示されるように、ゲート電圧が
−４Ｖのときのゲート電流量（Ａ−ＳＩＬＣ）は、スト
レス印加時間に対して、ｌｏｇ−ｌｏｇスケールにおけ
る直線関係にある。

【００４８】図６は、異なるストレス条件下での、Ａモ
ードＳＩＬＣ電流量（ゲート電圧−４Ｖ）の時間変化を
示している。図６のグラフ中においては、絶縁破壊の発
生時間およびそのときのＡ−ＳＩＬＣ電流量を逆三角形
のマーク（▼）で示している。ストレス電界の大きさに
応じて、直線の位置が変化しているが、直線の傾きは変
化していない。さらに、絶縁破壊までのストレス印加時
間は電界強度に応じて変化しているが、絶縁破壊時のＡ
−ＳＩＬＣ電流量は概略一定である。

【００４９】図７は、異なる作製プロセスにより形成し
た膜厚３．８ｎｍの３種類のシリコン酸化膜（試料１〜
３）についての、ＡモードＳＩＬＣ電流量（ゲート電圧
−４Ｖ）の時間変化を示している。ストレス印加は、ゲ
ート電極に−６Ｖの定電圧を印加することによって行っ
た。試料１〜３の作成プロセスの相違点は、ゲート酸化
膜の形成プロセスの差にある。具体的には、酸化炉中に
シリコン基板（シリコンウェハ）を挿入する際の炉の温
度と酸化工程中の炉内雰囲気の組み合わせが異なってい
る。試料１の炉挿入時温度は８００℃、酸化雰囲気は酸
素（ドライ酸化）であり、試料２の炉挿入時温度は７０
０℃、酸化雰囲気は水蒸気（パイロ酸化）であり、試料
３の炉挿入時温度は５００℃、酸化雰囲気は水蒸気（パ
イロ酸化）である。なお、酸化温度は、各試料に共通で
８００℃である。図７のグラフ中においても、絶縁破壊
の発生時間およびそのときのＡ−ＳＩＬＣ電流量を逆三
角形のマーク（▼）で示している。作製プロセスの違い
に応じて、直線の位置が変化しているが、直線の傾きは
変化していない。さらに、絶縁破壊までのストレス印加
時間は試料毎に異なるが、絶縁破壊時のＡ−ＳＩＬＣ電
流量はほぼ一定である。

【００５０】実際の個々の試料における絶縁破壊寿命に
は多少のばらつきが存在するため、個々の試料における
絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量にもばらつきが存
在する。

【００５１】本願発明者は、上記絶縁破壊時点でのＡ−
ＳＩＬＣ電流量がストレス条件（ストレス電圧およびス
トレス電流の大きさ）やプロセス条件にほとんど依存し
ないことに着目し、その現象を利用して絶縁膜の寿命推
定を行う方法に想到した。具体的には、複数の試料につ
いて、絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量を実際に測
定し、測定値を統計的に処理することによって、絶縁膜
寿命推定に最適な「絶縁破壊しきい値」を決定する。こ
の「しきい値」を決定する際に測定値のばらつきを考慮
することによって、従来例のように多数の試料の寿命を
実際に測定することなく、統計的に信用できる寿命値を
得ることが可能になる。

【００５２】このように本願発明では、上述した極薄絶
縁膜の破壊メカニズムに関する研究成果を基礎とするこ
とにより、測定結果の信頼性を低下させることなく、測
定に要する時間および試料数を抑制できる絶縁膜評価方
法および装置を提供するこができる。

【００５３】以下、図面を参照しながら、本発明による
絶縁膜評価方法の実施形態を説明する。

【００５４】（第１の実施形態）図８のフローチャート
を参照する。

【００５５】本実施形態の絶縁膜信頼性評価方法（定電
圧ストレス法）においては、まず、ステップＳ１で、判
定電圧Ｖ_mと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定
し、ステップＳ２で、評価用電圧Ｖ₀を設定する。ここ
で、「判定電圧Ｖ_m」は、Ａ−ＳＩＬＣ電流量を測定す
るためにゲート電極に印加する電圧であり、例えば、−
４Ｖである。「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」とし
ては、試料の絶縁膜と同じ種類・同じ膜厚の絶縁膜につ
いて絶縁破壊が生じるときに、その絶縁膜を流れるＡモ
ードＳＩＬＣ電流量が用いられ得る。なお、本願明細書
で用いる「絶縁破壊が生じるときのＡモードＳＩＬＣ電
流量」という言葉は、単調・連続的に増加するＡ−ＳＩ
ＬＣ電流量を有限の時間間隔をおいて測定し、測定値が
突然に大きく増加した場合において、そのような電流量
の大きな増加が実際に測定された時の直前の測定時（電
流量が単調・連続的な増加を示している状態の最後の測
定時）におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を意味するもの
とする。また、ストレス電圧を実質的に連続に印加して
いる間に絶縁膜を流れる電流を計測し、その電流が急に
増加した時を特定し、それまでに不連続的に計測してき
たＡモードＳＩＬＣ電流量の変化を示す直線（または曲
線）を前記特定した時まで延長（外挿）することによっ
て、その特定した時におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を
「絶縁破壊が生じるときのＡモードＳＩＬＣ電流量」と
してもよい。このような絶縁破壊が生じるときに絶縁膜
を流れるＡモードＳＩＬＣ電流量を、本願明細書では、
「絶縁破壊しきい値」と称する場合がある。「絶縁破壊
しきい値」は、本実施形態の絶縁膜評価方法を実施する
前に、前もって、後述する方法によって決定されたもの
である。「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」として
は、「絶縁破壊しきい値」の代わりに、「絶縁破壊しき
い値」に比較的に近い値を用いても良い。例えば、絶縁
破壊しきい値の９０％ないしは１１０％の値を「判定Ａ
モードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」として用いても良い。「評
価用電圧Ｖ₀」は、ストレス印加工程で絶縁膜に印加す
る電圧であり、例えば、−６Ｖである。なお、ステップ
Ｓ１およびステップＳ２は、その順序を交換しても良い
ことは言うまでもない。

【００５６】なお、ゲート電流量（Ｉ_G）の中に、Ａモ
ードＳＩＬＣ電流量以外の電流（直接トンネル電流やＦ
Ｎ電流）の成分（Ｉ_G0）が無視できない割合で存在する
場合は、これらの電流量（Ｉ_G0）をゲート電流量
（Ｉ_G）から引いた残りの電流量をＡモードＳＩＬＣ電
流量として用いても良い。

【００５７】ステップＳ１およびＳ２の後、ステップＳ
３で、絶縁膜に評価用電圧Ｖ₀を供給し、ストレス印加
工程を開始する。そして、評価用電圧Ｖ₀の供給状態を
ｔ₁秒間保持したのち（ステップＳ４）、ステップＳ５
で、電圧Ｖ_mにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定
し、ステップＳ６でＩ_Aの絶対値がＩ_mの絶対値以上にな
ったかどうかの判定を行う。なお、評価用電圧Ｖ₀の供
給状態を保持する時間は、一定間隔である必要はなく、
ｌｏｇスケールで増加させていってもよい。

【００５８】ステップＳ６において、Ｉ_Aの絶対値がＩ_m
の絶対値以上になっていないと判定された場合には、ス
テップＳ４に戻り、ステップＳ４〜ステップＳ６の操作
を繰り返す。

【００５９】ステップＳ６において、Ｉ_Aの絶対値がＩ_m
の絶対値以上になっていると判定された場合には、ステ
ップＳ７で評価用電圧Ｖ₀供給開始から要した所要時間
をｔ_BDとして記録する。この時間ｔ_BDは、評価対象絶縁
膜の寿命に相当している。なぜなら、ストレスの印加時
間の経過にともなって増加するＩ_Aの絶対値がＩ_mの絶対
値以上になったときに、統計的に有意な確率で絶縁膜の
絶縁破壊が生じるからである。

【００６０】このような測定を、１つの試料（１つのＭ
ＯＳキャパシタ内のゲート絶縁膜）に対して１度だけ実
施することにより、測定対象絶縁膜と同一種類・同一膜
厚の絶縁膜を有する複数の試料全体について、そのｔ_BD
値を得ることができる。ここでいう「複数の試料」は、
上記測定対象となった絶縁膜が形成されたシリコンウェ
ハ内の他の場所に形成された他の絶縁膜を含む。この
「他の絶縁膜」は、測定対象絶縁膜を含むチップとは別
のチップ内に含まれていてもよい。また、測定対象絶縁
膜が形成されたシリコンウェハが経験してきた製造プロ
セスと実質的に同一の製造プロセスを経験してきた他の
シリコンウェハ内に含まれる絶縁膜も上記「複数の試
料」に含まれ得る。上記測定は、ある試料（絶縁膜）に
ついて、現実に絶縁破壊（ｐ−ＢＤ）が生じるか、また
は、絶縁破壊が生じると判断し得るレベル程度のＡモー
ドＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aが測定されるまでストレス印加を
続けている。

【００６１】次に、「判定ＡモードＳＩＬＣ電流量
Ｉ_m」または「絶縁破壊しきい値」の決定方法を説明す
る。

【００６２】上記測定方法とほぼ同様にして、ＭＯＳキ
ャパシタ内のゲート絶縁膜にストレスを印加し、ゲート
電流量を測定する（モニタする）。そして、実際にゲー
ト絶縁膜が絶縁破壊するまでストレス印加を継続して行
う。ゲート電流の不連続的な増加が観測された場合、観
測時点直前の測定時（電流量が単調・連続的な増加を示
している状態の最後の測定時）点でのゲート電流量、ま
たは、電流量の単調・連続的な増加を表現する直線（ま
たは曲線）を電流の不連続な増加時点の直前にまで外挿
して決定したゲート電流量を、絶縁破壊時点の「Ａモー
ドＳＩＬＣ電流量」として記録する。言い換えると、
「絶縁膜が絶縁破壊するとき」のＡモードＳＩＬＣ電流
量の値を記録する。この作業を複数の試料について実行
する。試料の数としては、例えば、２０〜１００個が適
当である。

【００６３】こうして、複数の試料（複数の絶縁膜）に
ついて、「絶縁破壊が生じるとき」の「ＡモードＳＩＬ
Ｃ電流量」の測定値を得ることができる。これを統計的
に処理することによって、「絶縁破壊しきい値」を決定
することができる。

【００６４】図９は、複数の試料について測定された
「絶縁膜が絶縁破壊するとき」の「ＡモードＳＩＬＣ電
流量」の値と累積不良率との関係を示している。図９の
グラフは、一枚のシリコンウェハ内に同時形成された１
７個のＭＯＳキャパシタについて、そのゲート絶縁膜の
絶縁破壊を行うことによって得た測定値をワイブルプロ
ットしたものである。測定は、複数の異なるストレス電
界を絶縁膜に与えて行った。

【００６５】図９において、「５０％しきい値」と表記
されている値は、統計的に全体の５０％の試料（絶縁
膜）について絶縁破壊が生じるＡモードＳＩＬＣ電流量
である。たとえば、この「５０％しきい値」を「判定Ａ
モードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m」として用いることができ
る。その場合、図８のフローチャートに示す方法を一回
だけ実行することにより、絶縁膜の５０％絶縁破壊寿命
ｔ_BD（またはｔ₅₀）が求められる。

【００６６】なお、図９において、「１％しきい値」お
よび「９９％しきい値」と表記される値は、それぞれ、
統計的に全体の１％の試料（絶縁膜）について絶縁破壊
が生じるＡモードＳＩＬＣ電流量、および、統計的に全
体の９９％の試料（絶縁膜）について絶縁破壊が生じる
ＡモードＳＩＬＣ電流量である。

【００６７】このように統計的処理によって図９に示す
関係を得れば、所望の累積不良率に対するＡモードＳＩ
ＬＣ電流しきい値を「絶縁破壊しきい値」として決定
し、絶縁膜の寿命の測定・推定に用いることができる。

【００６８】この「絶縁破壊しきい値」は、絶縁膜の面
積やストレス印加時の温度によって変化することがわか
っている。「絶縁破壊しきい値」と絶縁膜の面積との関
係や、「絶縁破壊しきい値」とストレス印加時の温度と
関係が求まれば、絶縁膜の面積やストレス印加時の温度
に応じて「絶縁破壊しきい値」を補正して使用しても良
い。

【００６９】このように本実施形態によれば、ストレス
印加にともなうＡ−ＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの時間変化をモ
ニタすることによって、より短時間に精度の高い酸化膜
寿命の測定を行なうことが可能となる。なお、Ａモード
ＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電
流量Ｉ_mの絶対値以上になったかどうかにより前述の
「判定」を行う代わりに、ある一定のＡモードＳＩＬＣ
電流量が流れるために必要なゲート電圧値を用いること
によっても判定することが可能である。これは、ある一
定のＡモードＳＩＬＣ電流が絶縁膜を流れる際に、その
絶縁膜に印加される電圧（ゲート電圧）の値が、ストレ
ス印加時間の経過によって単調・連続的に減少し、絶縁
破壊（ｐ−ＢＤ）が生じたときに、大きく不連続的に減
少するからである。絶縁破壊が生じるときに前記ゲート
電圧値にも「しきい値」があり、そのしきい値もストレ
ス条件や製造プロセス条件によらず、ほぼ一定である。

【００７０】（第２の実施形態）図１０のフローチャー
トを参照する。

【００７１】本実施形態の絶縁膜信頼性評価方法（定電
流ストレス法）においては、まず、ステップＳ１１で判
定電圧Ｖ_mと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定
し、ステップＳ１２で評価用電流量Ｉ₀を設定する。こ
こで、「判定電圧Ｖ_m」および「判定ＡモードＳＩＬＣ
電流量Ｉ_m」は、第１の実施形態について説明したとお
りである。「評価用電流量Ｉ₀」は、定電流ストレス印
加工程において、測定対象の絶縁膜に与えるストレス電
流である。

【００７２】次に、ステップＳ１３で絶縁膜に評価用電
流（Ｉ₀）を供給する。そして、ステップＳ１４で評価
用電流（Ｉ₀）の供給状態をｔ₁秒間保持したのち、ステ
ップＳ１５で判定電圧Ｖ_mにおけるＡモードＳＩＬＣ電
流量Ｉ_Aを測定し、ステップＳ１６でＩ_Aの絶対値がＩ_m
の絶対値以上になったかどうかの判定を行う。

【００７３】ステップＳ１６で、Ｉ_Aの絶対値がＩ_mの絶
対値以上になっていないと判定された場合には、ステッ
プＳ１４に戻り、ステップＳ１４〜ステップＳ１６の操
作を繰り返す。

【００７４】ステップＳ１６で、Ｉ_Aの絶対値がＩ_mの絶
対値以上になっていると判定された場合には、ステップ
Ｓ１７で評価用電流量Ｉ₀の供給開始から要した所要時
間をｔ_BDとして記録し、ステップＳ１８でｔ_BDから絶縁
破壊までの総注入電荷量Ｑ_BDを算出する。ここで、Ｑ_BD
は、ｔ_BDと評価用電流Ｉ₀の積を面積Ｓで割った値とし
て定義される。

【００７５】本実施形態では、絶縁膜に定電圧ストレス
を印加する代わりに、定電流ストレスを印加している点
で前述の実施形態と異なっている。しかし、本実施形態
によっても、基本的には同様の方法で絶縁膜の寿命ｔ_BD
が求められる。従って、第１の実施形態について説明し
た理由と同様の理由から、上記測定を１度だけ実施すれ
ば、その試料を含む試料全体におけるｔ_BD値を得ること
が可能である。また、本実施形態の場合は、絶縁破壊ま
での総注入電荷量Ｑ_BDが簡単に算出され得る。

【００７６】以上のように本実施形態によれば、ストレ
ス印加にともなうＡ−ＳＩＬＣ電流量の時間変化をモニ
タすることによってより短時間に精度の高いゲート酸化
膜寿命推定を行なうことが可能となる。

【００７７】なお、本実施形態においても、ＡモードＳ
ＩＬＣ電流量Ｉ_Aの絶対値が判定ＡモードＳＩＬＣ電流
量Ｉ_mの絶対値以上になったかどうかにより判定する代
わりに、ある一定のＡモードＳＩＬＣ電流量が流れるた
めに必要なゲート電圧値を用いることによっても判定す
ることが可能である。

【００７８】（第３の実施形態）図１１のフローチャー
トを参照する。以下に述べる本実施形態によれば、絶縁
膜の寿命を簡単に推定することができる。

【００７９】本実施形態では、まず、ステップＳ２１
で、判定電圧Ｖ_mと判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを
設定し、ステップＳ２２で、評価用ストレス印加条件お
よびストレス印加時間ｔ_totalを設定する。「評価用ス
トレス印加条件」は、例えば、第１の実施形態で採用し
た定電圧ストレス、第２の実施形態で採用した定電流ス
トレスなどの条件である。ストレスは、室温から昇温し
た加速試験状態で印加してもよい。

【００８０】次に、ステップＳ２２で設定したストレス
条件のもと、ステップＳ２３で絶縁膜に対するストレス
試験を実施する。絶縁膜へのストレス印加開始後、スト
レス印加時間ｔ_totalが経過したとき、ストレス試験を
終了する。ストレス試験終了後、ステップＳ２４で、ス
トレス試験中に記録しておいた各ストレス印加時間ｔに
おけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aをｌｏｇ−ｌｏｇス
ケールでストレス印加時間ｔに対してプロットする。ス
テップＳ２５で、このプロットにｌｏｇ−ｌｏｇスケー
ル上で直線を当てはめる。そして、ステップＳ２６で、
ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの絶対値が判定ＡモードＳ
ＩＬＣ電流量Ｉ_mの絶対値よりも大きくなっている場合
には、判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mに到達するまで
の時間をｔ_BDとする。また、大きくなっていない場合に
は直線を長時間側へ外挿し、判定ＡモードＳＩＬＣ電流
量Ｉ_mに到達するまでの時間をｔ_BDとする。

【００８１】次に、図１２を参照しながら、ステップＳ
２３のストレス試験の具体的な手順を説明する。

【００８２】まず、ステップＳ３１で、指定されたスト
レス印加条件のもとでストレスを絶縁膜に印加する。こ
の状態をｔ₁秒間保持したのち（ステップＳ３２）、ス
テップＳ３４で指定電圧Ｖ_m（例えば、−４Ｖ）におけ
るＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定し、ステップＳ３
５でＩ_Aおよび時間ｔを記録する。ストレス試験開始か
らの経過時間が指定のストレス印加時間ｔ_total以上に
なった場合には（ステップＳ３６）、ストレス印加を終
了し、ストレス試験を終了する。ステップＳ３６で、ス
トレス試験開始からの経過時間が指定のストレス印加時
間ｔ_total以上になっていない場合には、ステップＳ３
２に戻り、ステップＳ３２、ステップＳ３４、ステップ
Ｓ３５、ステップＳ３６の操作を繰り返す。ｔ₁は、例
えば、０．１〜１０秒であり、ストレス印加時間ｔ
_totalは、例えば、１０〜１００００秒である。

【００８３】本実施形態では、測定対象試料について、
絶縁膜の絶縁破壊に至るまでストレスを印加する必要は
ない。ストレス印加時間ｔ_totalとして、前述した絶縁
膜の寿命ｔ_BDに比較して充分に短い時間を設定してもよ
い。本実施形態では、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aおよ
びストレス印加時間ｔが、図６および図７に示されるよ
うに、ｌｏｇ−ｌｏｇスケールで直線的な関係を持つこ
とに着目して、絶縁膜の寿命を推定している。これは、
ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aが「絶縁破壊しきい値」以
上になったときに絶縁破壊が生じることに基づいてい
る。

【００８４】第１の実施形態について説明した理由と同
様の理由によって、上記測定を１度だけ実施すれば、そ
の試料全体におけるｔ_BD値を得ることが可能である。

【００８５】なお、本実施形態において、ＡモードＳＩ
ＬＣ電流量Ｉ_Aをプロットする代わりに、ある一定のＡ
モードＳＩＬＣ電流量が流れるために必要なゲート電圧
値を用いることによっても可能である。

【００８６】以上のように本実施形態によれば、より短
時間に精度の高いゲート酸化膜寿命推定を行なうことが
可能となる。本実施形態は実際に絶縁膜が絶縁破壊する
までストレス試験を継続する必要がないため、試験時間
を短縮することが可能であるという点で、第１の実施形
態と比べて優れている。

【００８７】本実施形態では、ストレス試験開始からの
経過時間が指定のストレス印加時間ｔ_total以上になっ
たときにストレス試験を終了するが、こうする代わり
に、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aがあらかじめ指定した
電流量Ｉ_AA以上になったときにストレス試験を終了する
ようにしてもよい。図１３および図１４は、そのような
方法の手順を示しており、図１１および図１２のステッ
プＳ２２およびステップＳ３６が、それぞれ、ステップ
Ｓ２２’およびステップＳ３６’に入れ替わっている。
図１３および図１４に示す方法は、ＡモードＳＩＬＣ電
流量Ｉ_Aとストレス時間との間に図１５に示されるよう
な関係がある場合に特に効果的である。なぜなら、スト
レス印加時間ｔ_totalの設定が短すぎると、絶縁膜の劣
化に伴ってＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aの実質的な増加
が観察される前にストレス試験が終了してしまうおそれ
があるからである。なお、絶縁膜に印加する電気的スト
レスが比較的に小さい場合に、ＡモードＳＩＬＣ電流量
Ｉ_Aは図１５に示すような変化を示す可能性がある。

【００８８】（第４の実施形態）図１６のフローチャー
トを参照する。

【００８９】まず、ステップＳ４１で、判定電圧Ｖ_mと
判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定する。次に、
ステップＳ４２で評価用ストレス印加条件およびストレ
ス印加時間ｔ_totalを設定する。ステップＳ４２で設定
したストレス条件で絶縁膜に対してストレス試験を実施
する（ステップＳ４３）。ストレス試験終了後、ステッ
プＳ４４で、ストレス試験中に記録しておいた各ストレ
ス印加時間ｔにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを以
下の式（２）または式（３）に代入し、フィッティング
を実行する。

【００９０】Ｉ_A＝ａ×ｔ^b 式（２）ｌｏｇ（Ｉ_A）＝ｌｏｇ（ａ）＋ｂ・ｌｏｇ（ｔ）式（３）ここで、Ｉ_AはＡモードＳＩＬＣ電流量電流量、ｔはス
トレス時間、ａおよびｂはフィッティングパラメータで
ある。

【００９１】フィッティングの実行により、パラメータ
ａおよびｂの値が決定される。次に、ステップＳ４４で
求めたａおよびｂの値を式（２）に代入し、Ｉ_Aが既定
値（判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m）になるときのス
トレス時間ｔを算出すれば、ｔ_BDが得られる（ステップ
Ｓ４５）。

【００９２】なお、ステップＳ４３のストレス試験の具
体的な手順は、図１１のストレス試験と同じように（図
１２または図１４のフローにされている）行えばよい。

【００９３】本実施形態によっても、第１の実施形態に
おいて説明した理由と同様の理由によって上記測定を１
度だけ実施すれば、その試料全体におけるｔ_BD値を得る
ことが可能である。なお、本実施形態において、Ａモー
ドＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを用いる代わりに、ある一定のＡ
モードＳＩＬＣ電流量が流れるために必要なゲート電圧
値を用いることによっても可能である。

【００９４】また、第３の実施形態について説明したよ
うに、ストレス試験開始からの経過時間が指定のストレ
ス印加時間ｔ_total以上になったときにストレス試験を
終了する代わりに、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aがあら
かじめ指定した電流量Ｉ_AA以上になったときにストレス
試験を終了するようにしてもよい。

【００９５】以上のように本実施形態によれば、より短
時間に精度の高いゲート酸化膜寿命推定を行なうことが
可能となる。本実施形態は実際に絶縁膜が絶縁破壊する
までストレス試験を継続する必要がないため、試験時間
を短縮することが可能であるという点で、第１の実施形
態と比べて優れており、また、数式化することによりフ
ィッティングパラメータａおよびｂの値を定量化するこ
とが可能となり、ａおよびｂの値をチェックすることに
よって、測定および寿命推定が妥当であるかどうか知る
ことができる。この点で本実施形態は第３の実施形態に
比べて優れている。

【００９６】なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩ
ＬＣ電流量Ｉ_Aとの関係が、本実施形態で用いた式以外
の式を用いてフィッティングする方がより好ましいフィ
ッティングを達成できる場合は、適宜、前述の式（２）
または式（３）を他の式と交換するか、補正することが
好ましい。図６や図７のグラフでは、ストレス印加時間
ｔとＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aと関係が直線的である
が、前述したように、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aが比
較的に小さい領域と大きい領域との間で直線の傾きが異
なることもあり得る。従って、ストレス印加時間ｔとＡ
モードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aとの関係は、図６や図７に示
されるような関係に限定されるわけではない。

【００９７】（第５の実施形態：絶縁膜評価装置）以下
に、図１７を参照しながら、本発明の絶縁膜評価方法の
実施のために用いる絶縁膜評価装置を説明する。

【００９８】図示されている絶縁膜評価装置は、試料１
０を保持するサンプルホルダ２０と、サンプルホルダ２
０上に置かれた試料１０に電気的に接触するプローブ
（探針）２１と、プローブ２１を介して試料１０に電気
的ストレスの印加と電流・電圧の測定を実行するための
測定部２２と、得られたデータを解析するための解析部
２６とを備えている。

【００９９】試料１０は、シリコン基板１１と、基板１
１上に形成されたゲート酸化膜１２と、ゲート酸化膜上
に形成されたゲート電極１３とを有している。この試料
１０を保持するホルダ２０は、ストレス印加工程中に試
料１０を加熱することができるようにヒータを備えてい
る。ホルダ２０は、試料１０のシリコン基板１１に電気
的に接触するとともに、接地されている。

【０１００】測定部２２は、電圧印加部２３と、電流測
定部２４と、記録部２５とを備えており、電圧印加部２
３は、ストレス印加工程では、試料１０に評価用電圧Ｖ
₀（ストレス電圧：例えば−６Ｖ）を印加し、Ａモード
ＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定する工程では、試料１０に判
定電圧Ｖ_m（例えば、−４Ｖ）を印加する。電流測定部
２４は、ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを測定する工程に
おいて、試料１０に判定電圧Ｖ_mが印加されたときに絶
縁膜１２を流れる電流を測定する。測定されたＡモード
ＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aは、測定時刻（ストレス時間ｔ）に
関連づけられて記録部２５に記録される。定電流ストレ
スを印加する場合には、不図示の定電流供給部から定電
流が試料に供給される。

【０１０１】第４の実施形態の方法を実施する場合に
は、記録部２５に記録されたデータに対して、解析部２
６の演算器で前述のフィッティングが実行され、フィッ
ティングパラメータａおよびｂが求められるともに、既
定値（判定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_m）が与えられて
いると、ｔ_BDが算出される。

【０１０２】なお、上記各実施形態では、判定Ａモード
ＳＩＬＣ電流量Ｉ_mまたは絶縁破壊しきい値がストレス
条件やプロセス条件によらず一定であるとして、絶縁膜
寿命の推定を行っているが、絶縁膜破壊しきい値は、ス
トレス印加時の温度に応じて変化することがわかってい
る。このため、前記絶縁破壊しきい値をストレス印加時
の温度の関数として表現するようにしてもよい。

【０１０３】また、本発明は、絶縁膜の寿命・信頼性の
観点から最適なプロセスを選択する方法にも適用でき
る。図７に示されるように、同一の絶縁膜についても、
その絶縁膜が経験したプロセス条件が異なる場合、スト
レス時間とＡモードＳＩＬＣ電流量との関係が大きく変
化する。図７のグラフからは、試料３が経験したプロセ
ス条件が他の試料が経験したプロセス条件に比較して最
も好ましく、絶縁膜の寿命を長くするものであることが
わかる。プロセス条件の異なる試料に対して、ストレス
時間が例えばｔ_x秒におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を
測定し、その測定値を比較することによって、絶縁膜の
信頼性向上にとって最適なプロセス条件を選択すること
が可能である。

【０１０４】上記実施形態では、絶縁破壊時点でのＡ−
ＳＩＬＣ電流量がストレス条件（ストレス電圧およびス
トレス電流の大きさ）やプロセス条件にほとんど依存し
ないことに着目し、その現象を利用して絶縁膜の寿命推
定を行っている。しかし、ストレス電圧が変化すると、
絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量も変化する場合が
あることが発明者の実験によって明らかになっている。
以下、絶縁破壊時点でのＡ−ＳＩＬＣ電流量とストレス
電圧との間の関係を導きだし、その関係に基づいて、寿
命を推定する方法（酸化膜寿命の電界依存性評価方法）
を説明する。

【０１０５】（第６の実施形態）以下、本発明による絶
縁膜評価方法の他の実施形態を説明する。

【０１０６】まず、酸化膜寿命の電界依存性を調べるた
めの２つの異なるストレス電界を決定する。例えば、第
１のストレス電界として−６ボルト、第２のストレス電
界として−５．５ボルトを選択することが可能である。
次に、決定した２つのストレス電界の各々において、Ａ
モードＳＩＬＣ電流量の時間変化を特定するａ値および
ｂ値を測定する。この測定方法の一例を、図１８のフロ
ーチャートを参照しながら説明する。

【０１０７】まず、ステップ７１で、判定電圧Ｖ_mと判
定ＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_mとを設定する。次に、ス
テップ７２で、評価用ストレス印加条件およびストレス
印加時間ｔ_totalを設定する。

【０１０８】その後、ステップ７２で設定したストレス
条件で絶縁膜に対してストレス試験を実施する（ステッ
プ７３）。ストレス試験終了後、ステップ７４で、スト
レス試験中に記録しておいた各ストレス印加時間ｔにお
けるＡモードＳＩＬＣ電流量Ｉ_Aを前記式（２）または
式（３）に代入し、フィッティングを実行する。フィッ
ティングの実行により、パラメータａおよびｂの値が決
定される。

【０１０９】以上のようにして得られる２つのストレス
電界におけるａ値およびｂ値を用いることにより、２つ
の異なるストレス電界における寿命ｔの関係は以下のよ
うに表される。

【０１１０】ｔ₂＝（ａ₁／ａ₂）×ｔ₁ 式（４）ここで、ａ₁およびｔ₁は、それぞれ、第１のストレス電
界におけるａ値および寿命であり、ａ₂およびｔ₂は、そ
れぞれ、第２のストレス電界におけるａ値および寿命で
ある。

【０１１１】次に、寿命が式（４）によって表現される
理由を説明する。

【０１１２】図１９は、膜厚４.５ｎｍ、ゲート面積０.
０１ｍｍ²のシリコン酸化膜に８.３ＭＶ／ｃｍから１
２.４ＭＶ／ｃｍまでの種々のストレス電界を印加した
ときのＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をｌｏｇ-ｌ
ｏｇスケールでプロットしたグラフである。このグラフ
のデータに式（４）をフィッティングすることによって
各ストレス電界におけるａおよびｂ値が得られる。図２
０は、このａおよびｂ値の電界依存性をプロットしたグ
ラフを示している。図２０からわかるように、図１９の
各直線のｙ軸切片に相当するａ値は電界に依存し、電界
が低くなるほど減少している。また、上記直線の傾きに
相当するｂ値は電界に依存せず、約０.５３で一定であ
る。

【０１１３】図２１は、ａ値および実測により求めた酸
化膜寿命を、ストレス電界に対してプロットしたグラフ
である。ａ値はストレス印加の結果生成された酸化膜欠
陥に起因して流れるＡモードＳＩＬＣ電流量を反映する
パラメータであるため、ａ値が大きいほど劣化速度が大
きいことを示している。これに対して寿命が長いほど劣
化速度が遅いことを示しており、劣化速度を反映するの
は寿命の逆数であると考えられる。図２１では、寿命の
代わりに寿命の逆数をプロットしている。図２１におい
て、「ａ値」および「寿命の逆数」は、ともに、ストレ
ス電界の低下とともに減少している。それら電界依存性
（傾き）は同じである。これは、ａ値の電界依存性から
酸化膜寿命の電界依存性を求めることが可能であること
を示しており、式（４）を裏付けるものである。

【０１１４】式（４）を用いることにより、種々のスト
レス電界において実際に絶縁破壊に至るまでストレス印
加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存
性を知ることが可能となる。さらに、たとえば第１のス
トレス電界における寿命ｔ₁が既知であれば、第２のス
トレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス印加を
継続することなく、第２のストレス電界における寿命を
得ることが可能となる。

【０１１５】以上のように本実施形態によれば、より短
時間に精度の高いゲート酸化膜寿命推定を行なうことが
可能となる。本実施形態は実際に絶縁膜が絶縁破壊する
までストレス試験を継続する必要がないため、試験時間
を短縮することが可能であり、また、数式化することに
よりフィッティングパラメータａおよびｂの値を定量化
することが可能となるので、ａおよびｂの値をチェック
することによって、測定および寿命推定が妥当であるか
どうか知ることができる。

【０１１６】なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩ
ＬＣ電流量Ｉ_Aとの関係が、本実施形態の説明に用いた
式以外の式を用いてフィッティングすることができる場
合は、適宜、前述の式（２）または式（３）を他の式と
交換するか、これらの式を補正して使用してもよい。

【０１１７】このようにして酸化膜寿命の電界依存性が
得られると、ある電界のもとでの酸化膜寿命を求めるだ
けで、他の電界での酸化膜寿命を高い精度で推定するこ
とができる。ある電界のもとでの酸化膜寿命を得る方法
としては、本願明細書に開示している実施形態の方法だ
けではなく、従来の寿命測定方法を用いても良い。

【０１１８】（第７の実施形態）次に、本発明による酸
化膜寿命の電界依存性評価方法の他の実施形態を説明す
る。

【０１１９】まず、第６の実施形態と同様にして、寿命
の電界依存性を調べる２つの異なるストレス電界を決定
する。次に、両ストレス電界において、ＡモードＳＩＬ
Ｃ電流量の時間変化を観測し、その時間変化を特徴づけ
るａ値およびｂ値を測定する。その測定方法としては、
第６の実施形態について説明した方法を用いることがで
きる。

【０１２０】以上のようにして得られた２つのストレス
電界におけるａ値およびｂ値を用いることにより、２つ
のストレス電界における寿命ｔの関係を以下のように表
現する。

【０１２１】ｔ₂＝（ａ₁／ａ₂）^c/b×ｔ₁ 式（５）ここで、ａ₁およびｔ１は第１のストレス電界における
ａ値および寿命を、ａ₂およびｔ₂は第２のストレス電界
におけるａ値および寿命を、ｃは定数を、ｂは両ストレ
ス電界におけるｂ値の平均値（＝（ｂ₁＋ｂ₂）／２）を
示している。

【０１２２】次に、寿命ｔ₂が式（５）により表現でき
る理由を説明する。

【０１２３】図２２は、膜厚３.５ｎｍ、ゲート面積０.
１２２５ｍｍ²のシリコン酸化膜に０から６Ｖのゲート
電圧を印加したときに測定されるゲート電流の変化を示
している。ゲート酸化膜が薄くなると、Ｆ−Ｎトンネル
伝導機構から直接トンネル伝導機構へと伝導機構が変化
するため、初期の段階から大きなゲート電流が流れる。
図２２において、ゲート電圧の絶対値が約４Ｖ未満の領
域では直接トンネル伝導機構が、約４Ｖ以上の領域では
Ｆ−Ｎトンネル伝導機構が支配的である。直接トンネル
伝導機構が支配的になるような膜厚・電圧領域において
は、ＡモードＳＩＬＣの時間的変化は、図２３に示すよ
うに小さい。そのため、ＡモードＳＩＬＣ電流量の増大
を観測することが困難になる。さらにどのゲート電圧
（読み取りゲート電圧）におけるＡモードＳＩＬＣ電流
量をプロットするかにより、ＡモードＳＩＬＣの変化量
およびｂ値が変化する。図２４は、ストレス電界として
１０.４、１１.１および１１.４ＭＶ／ｃｍを用いた場
合のＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示している。
これらの各ストレス電界のもとで、読み取りゲート電
圧を１.０、１.５および３.０Ｖとした場合のＡモード
ＳＩＬＣ電流量の時間変化に基づいて推定した寿命を図
２５に示す。この寿命推定は、第６の実施形態について
説明した方法を用いて行った。図２５のグラフには、実
測により求めた酸化膜絶縁破壊寿命をも示している。図
２５から、ＡモードＳＩＬＣ電流量を測定するときに印
加するゲート電圧（読み取りゲート電圧）によって推定
寿命が変化していることがわかる。この原因は、ｂ値
が、図２６に示すように、読み取り電圧によって変化し
ているためであると考えられる。

【０１２４】図１９や図２４のグラフ上のデータに関し
て、ある任意のレベルにあるＡモードＳＩＬＣ電流量に
到達する時間を各ストレス電界について求めた後、その
到達点を通過する直線をｂ値が０．５であると仮定した
うえでグラフ上に表現し、それによって、式（４）のフ
ィッティングを行ってもよい。そうすることによって、
ａ値を求め、第６の実施形態について述べた方法で寿命
推定を行うことができる。その推定した寿命を図２７に
示す。

【０１２５】このような処理を行うことにより、読み取
りゲート電圧には関係なくほぼ同じ推定寿命が得られ、
さらにこの結果は実測した寿命の比とも良く一致してい
る。そこで、ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化に式
（４）を当てはめ、得られたａ値およびｂ値を補正する
ことと等価な処理として、式（５）に示した換算をおこ
なうことが有効である。ｃ値として０.４から０.６まで
変化させたときの推定寿命の誤差をプロットしたグラフ
を図２８に示す。ここで誤差は各ストレス電界および読
み取り電圧における推定寿命比と実際の寿命比との際の
自乗平方根で定義した。ｃ値が０.５３５程度で誤差は
最小となり、その前後では誤差が大きくなっている。こ
の最適値自体は膜種、膜質、膜厚、面積等によって変化
する可能性がある。

【０１２６】以上のように、任意の読み取りゲート電圧
におけるＡモードＳＩＬＣ電流量を測定した後、第６の
実施形態について説明した方法によってａ値およびｂ値
を求め、これを式（５）に適用することによって、読み
取りゲート電圧の影響を補正することが可能である。こ
の方法を用いることにより、第６の実施形態の特徴であ
る、種々のストレス電界において絶縁破壊に至るまでス
トレス印加を継続することなく、試料の絶縁破壊寿命の
電界依存性を得ることが可能になる。また、たとえば第
１のストレス電界における寿命ｔ₁が既知であれば、第
２のストレス電界において絶縁破壊に至るまでストレス
印加を継続することなく、第２のストレス電界における
寿命を得ることが可能となる。さらに本実施形態によれ
ば、ＡモードＳＩＬＣ電流量の変化がもっとも大きく、
測定精度の得られるような任意の読み取りゲート電圧を
選ぶことが可能である。

【０１２７】以上のように本実施形態によれば、より短
時間に精度の高いゲート酸化膜寿命推定を行なうことが
可能となる。本実施形態は実際に絶縁膜が絶縁破壊する
までストレス試験を継続する必要がないため、試験時間
を短縮することが可能である。また、数式化することに
よりフィッティングパラメータａおよびｂの値を定量化
することが可能となるため、ａおよびｂの値をチェック
することによって、測定および寿命推定が妥当であるか
どうか知ることができる。

【０１２８】なお、ストレス印加時間ｔとＡモードＳＩ
ＬＣ電流量Ｉ_Aとの関係が、本実施形態で用いた式以外
の式を用いてフィッティングする方がより好ましいフィ
ッティングを達成できる場合は、適宜、前述の式（２）
または式（３）を他の式と交換するか、補正することが
好ましい。

【０１２９】なお、図２９はゲート電圧−３Ｖにおける
ＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化をプロットしたグラ
フである。図中矢印で示した時間に絶縁破壊が発生して
いるが、ストレス印加前と絶縁破壊直前とにおけるＡモ
ードＳＩＬＣ電流量の変化は１．６倍に過ぎない。図２
９のプロットに対して、寿命推定を行うために直線のフ
ィッティングを行うことは困難であり、第６の実施形態
における寿命推定を行うことは困難である。また、これ
を行ったときの推定寿命の信頼性は低いものとなってし
まう。そこで、前述の図２３においてゲート電流変化の
もっとも大きくなるゲート電圧でのＡモードＳＩＬＣ電
流量をプロットすることが必要となる。図２３において
は約１Ｖから１．５Ｖまでのゲート電圧領域におけるゲ
ート電流変化がもっとも大きい。このため、このゲート
電圧領域中に任意のゲート電圧を読み取りゲート電圧と
して採用することが好ましい。なお、ストレス印加時間
がゼロ秒のときの初期ゲート電流（Ｉ_G0）が、図２９に
示すように相対的に大きいときは、その後のゲート電流
Ｉ_Gから初期ゲート電流Ｉ_G0を引いた値をＡモードＳＩ
ＬＣ電流量とすることが好ましい場合がある。

【０１３０】次に、図３０を参照しながら、２つの異な
るストレス電界における寿命ｔの関係を作図によって求
める方法を説明する。

【０１３１】まず、任意のある値を示すＡモードＳＩＬ
Ｃ電流量Ｉ_Xに対応する水平直線を例えば図１９のグラ
フまたはそれと同様なｌｏｇ−ｌｏｇスケールのグラフ
上に引く。更に、任意に選択した２種類のストレス電圧
（第１および第２各ストレス電圧）でのデータ直線と上
記水平直線との交点ＰおよびＱを求める。交点Ｐおよび
Ｑからグラフ横軸（時間軸）に対して垂線を引き、垂線
と時間軸との交点を求める。第１および第２ストレス電
圧のもとで測定したデータ直線に対して、上記垂線と時
間軸との交点は、それぞれ、時間ｔ_q1およびｔ_q2に対応
する。

【０１３２】このとき、以下の関係が近似的に成り立
つ。

【０１３３】Ｉ_X＝ａ₁×（ｔ_q1）^b＝ａ₂×（ｔ_q2）^b 式（６）ここで、ｂはｂ₁およびｂ₂の平均値であり、ｂ₁および
ｂ₂は何れもｂにほぼ等しいとする。

【０１３４】式（６）から次式が求められる。 (a₁／ａ₂）^1/b＝ｔ_q2／ｔ_q1 式（７）式（７）の関係に基づいて式（５）を変形すると、式
（８）が得られる。

【０１３５】ｔ₂＝（ａ₁／ａ₂）^c/b×ｔ₁ ＝（ｔ_q2／ｔ_q1）^c×ｔ₁ 式（８）従って、上記作図法によってｔ_q1およびｔ_q2を求めれ
ば、寿命ｔ₁およびｔ₂の関係を簡単に決定することが可
能である。

【０１３６】次に、図３１を参照しながら、他の作図方
法を説明する。

【０１３７】まず、２種類のストレス電界に対応するデ
ータ直線と水平直線（Ｉ_A＝Ｉ_X）と交点Ｐ’およびＱ’
の各々から、今度は「傾きｃの直線」を引き、その直線
と任意の時間ｔ_Xとの二つの交点を求める。傾きｃの大
きさとしては０．４から０．６までの範囲に含まれる値
を選択することが好ましい。これらの交点に対応するＡ
モードＳＩＬＣ電流量を、それぞれ、Ｉ_q1およびＩ_q2と
する。

【０１３８】このとき、傾きｃの直線は以下の式で表現
できる。

【０１３９】Ｉ_A＝ａ_1'×ｔ^c 式（９）Ｉ_A＝ａ_2'×ｔ^c 式（１０）ここで、ａ_1'およびａ_2'は、傾きｃの直線の各ｙ切片で
ある。

【０１４０】電流Ｉ_q1およびＩ_q2は、時間ｔ_Xを用い
て、次のように表現される。

【０１４１】Ｉ_q1＝ａ_1'×（ｔ_X）^c 式（１１）Ｉ_q2＝ａ_2'×（ｔ_X）^c 式（１２）式（１１）および式（１２）から次式が得られる。

【０１４２】 a_1'／ａ_2'＝Ｉ_q1／Ｉ_q2 式（１３）一方、式（９）および式（１０）を用いて、次の関係を
得ることができる。

【０１４３】Ｉ_X＝ａ_2'×（ｔ_q2）^c＝ａ_1'×（ｔ_q1）^c 式（１４）式（１４）から、次式が成立する。

【０１４４】（ｔ_q2／ｔ_q1）^c＝ａ_1'／ａ_2' 式（１５）式（１５）の関係に基づいて、式（８）を変形すると、
次式を得ることができる。

【０１４５】ｔ₂＝（ａ_1'／ａ_2'）×ｔ₁ 式（１６）式（１３）の関係を用いて式（１６）を変形すると、次
式を得ることができる。

【０１４６】ｔ₂＝（Ｉ_q1／Ｉ_q2）×ｔ₁ 式（１７）従って、上記作図法によってＩ_q1およびＩ_q2を求めれ
ば、寿命ｔ₁およびｔ₂の関係を簡単に決定することが可
能である。

【０１４７】

【発明の効果】本発明によれば、種々のストレス電界に
おいて実際に絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続す
ることなく、試料の絶縁破壊寿命の電界依存性を知るこ
とが可能となる。

【０１４８】また、たとえば第１のストレス電界におけ
る寿命ｔ₁が既知であれば、第２のストレス電界におい
て絶縁破壊に至るまでストレス印加を継続することな
く、第２のストレス電界における寿命ｔ₂を得ることが
可能となる。その結果、より短時間に精度の高いゲート
酸化膜寿命推定を行なうことが可能となる。また、実際
に絶縁膜が絶縁破壊するまでストレス試験を継続する必
要がないため、試験時間を短縮することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の絶縁膜評価方法に用いる試料の構造の
一例を示した断面図である。

【図２】極薄シリコン酸化膜における２つのモードのス
トレス誘起リーク電流の電流−電圧特性を示したグラフ
である。

【図３】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜にゲート電圧
−６Ｖの定電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧
−６Ｖにおけるゲート電流量の時間変化を示したグラフ
である。

【図４】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜にゲート電圧
−６Ｖの定電圧ストレス印加を行ったときの電流−電圧
特性の時間変化を示したグラフである。

【図５】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜にゲート電圧
−６Ｖの定電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧
−４ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示
したグラフである。

【図６】膜厚４．３ｎｍのシリコン酸化膜に種々の大き
さの定電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧−４
ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示した
グラフである。

【図７】種々の作製プロセスにより形成した膜厚３．８
ｎｍの３種類のシリコン酸化膜にゲート電圧−６Ｖの定
電圧ストレス印加を行ったときのゲート電圧−４Ｖにお
けるＡモードＳＩＬＣ電流量の時間変化を示したグラフ
である。

【図８】本発明による絶縁膜評価方法の第１の実施形態
の手順を示すフローチャートである。

【図９】絶縁破壊時点のＡモードＳＩＬＣ電流量の複数
の測定値から絶縁破壊しきい値を決定する方法を説明す
る図である。

【図１０】本発明による絶縁膜評価方法の第２の実施形
態の手順を示すフローチャートである。

【図１１】本発明による絶縁膜評価方法の第３の実施形
態の手順を示すフローチャートである。

【図１２】本発明による絶縁膜評価方法で行うストレス
試験の手順の一例を示すフローチャートである。

【図１３】本発明による絶縁膜評価方法の第３の実施形
態の改変された手順を示すフローチャートである。

【図１４】本発明による絶縁膜評価方法で行うストレス
試験の改変された手順の一例を示すフローチャートであ
る。

【図１５】シリコン酸化膜に比較的に小さなストレス印
加を行ったときのゲート電圧−４ＶにおけるＡモードＳ
ＩＬＣ電流量の時間変化を示したグラフである。

【図１６】本発明による絶縁膜評価方法の第４の実施形
態の手順を示すフローチャートである。

【図１７】本発明による絶縁膜評価装置の構成例を示す
模式的なブロック図である。

【図１８】本発明による絶縁膜評価方法の第６の実施形
態の手順を示すフローチャートである。

【図１９】膜厚４.５ｎｍ、ゲート面積０.０１ｍｍ²の
シリコン酸化膜に８.３ＭＶ／ｃｍから１２.４ＭＶ／ｃ
ｍまでの種々のストレス電界を印加したときのＡモード
ＳＩＬＣ電流量の時間変化をｌｏｇ-ｌｏｇスケールで
プロットしたグラフである。

【図２０】図１９のデータにＩ_A＝ａ×ｔ^bをフィッテ
ィングすることによって得たａおよびｂ値を示すグラ
フ。

【図２１】ａ値および実測により求めた酸化膜寿命を、
ストレス電界に対してプロットしたグラフである。

【図２２】膜厚３.５ｎｍ、ゲート面積０.１２２５ｍｍ
²のシリコン酸化膜に０から６Ｖのゲート電圧を印加し
たときに測定されるゲート電流の変化を示すグラフであ
る。

【図２３】ゲート電流とゲート電圧との関係を示すグラ
フである。

【図２４】ストレス電界として１０.４、１１.２および
１１.４ＭＶ／ｃｍを用いた場合のＡモードＳＩＬＣ電
流量のストレス時間依存性を示すグラフである。

【図２５】各ストレス電界のもとで、読み取りゲート
電圧を１.０、１.５および３.０Ｖとした場合のＡモー
ドＳＩＬＣ電流量の時間変化に基づいて推定した寿命を
示すグラフである。

【図２６】ｂ値のゲート電圧依存性を示すグラフであ
る。

【図２７】１１．４Ｍ／ｃｍでの寿命に対する比とスト
レス電界との関係を示すグラフである。

【図２８】ｃ値として０.４から０.６まで変化させたと
きの推定寿命の誤差をプロットしたグラフである。

【図２９】ゲート電圧３ＶにおけるＡモードＳＩＬＣ電
流量の時間変化をプロットしたグラフである。

【図３０】本発明の絶縁膜評価方法で使用できる作図方
法の一例を説明するためのグラフである。

【図３１】本発明の絶縁膜評価方法で使用できる作図方
法の他の例を説明するためのグラフである。

【図３２】従来の絶縁膜信頼性評価方法の手順を示すフ
ローチャートである。

【図３３】従来の他の絶縁膜信頼性評価方法の手順を示
すフローチャートである。

【符号の説明】

１シリコン基板２ゲート絶縁膜３ゲート電極４絶縁性サイドウォール５絶縁膜評価装置１０試料１１シリコン基板１２ゲート絶縁膜１３ゲート電極２０試料ホルダ２１プローブ２２測定部２３電圧印加部２４電流測定２５記録部２６解析部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の絶縁膜に第１の電気的ストレスを
印加する第１ストレス印加工程と、前記第１の絶縁膜に対してＡモードストレス誘起リーク
電流量の時間変化を測定する第１測定工程と、第２の絶縁膜に前記第１の電気的ストレスのレベルとは
異なるレベルの第２の電気的ストレスを印加する第２ス
トレス印加工程と、前記第２の絶縁膜に対してＡモードストレス誘起リーク
電流量の時間変化を測定する第２測定工程と、前記第１測定工程の結果と前記第２測定工程の結果に基
づいて、絶縁膜寿命の電界依存性を決定する決定工程
と、を包含する絶縁膜評価方法。
【請求項２】前記決定工程は、前記第１測定工程およ
び前記第２測定工程によって得られた結果に、ストレス
印加時間ｔにおけるＡモードストレス誘起リーク電流量
Ｉ_A＝ａ×ｔ^bの関係式を適用することによって、前記
第１の電気的ストレス印加時のパラメータａ（＝ａ₁）
と、前記第２の電気的ストレス印加時のパラメータａ
（＝ａ₂）とを決定する工程を含んでいる請求項１に記
載の絶縁膜評価方法。
【請求項３】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命
ｔ₁を求める工程と、前記寿命ｔ₁を式ｔ₂＝（ａ₁／ａ₂）×ｔ₁に代入するこ
とによって、前記第２の電気的ストレス印加時の寿命ｔ
₂を推定する工程と、を更に包含する請求項２に記載の
絶縁膜評価方法。
【請求項４】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命
ｔ₁を求める工程と、ｃを定数とし、ｂを前記第１の電気ストレス印加時のｂ
値と前記第２の電気ストレス印加時のｂ値とによって定
まる規定値とした場合の式ｔ₂＝（ａ₁／ａ₂）^c/b×ｔ₁
に前記寿命ｔ₁を代入することによって、前記第２の電
気的ストレス印加時の寿命ｔ₂を推定する工程と、を更
に包含する請求項２に記載の絶縁膜評価方法。
【請求項５】前記規定値ｂは、前記第１の電気ストレ
ス印加時のｂ値と前記第２の電気ストレス印加時のｂ値
との平均値である請求項４に記載の絶縁膜評価方法。
【請求項６】前記決定工程は、前記第１測定工程および前記第２測定工程によって得ら
れた結果をｌｏｇ−ｌｏｇスケールグラフ上にプロット
し、前記第１および第２の電気的ストレスに対応するデ
ータを示す直線を前記グラフ上に記載する工程と、前記直線と任意のある値を示すＡモードＳＩＬＣ電流量
Ｉ_Xに対応する水平直線との二つの交点からグラフ横軸
（時間軸）に対して２本の垂線を引き、前記垂線と時間
軸との交点から時間ｔ_q1およびｔ_q2を求め、ｃを定数と
し、前記第１の電気的ストレス印加時の寿命ｔ₁および
前記第２の電気的ストレス印加時の寿命ｔ₂との間に成
立する関係式ｔ₂＝（ｔ_q2／ｔ_q1）^c×ｔ₁を決定する工
程と、を含んでいる請求項１に記載の絶縁膜評価方法。
【請求項７】前記決定工程は、前記第１測定工程および前記第２測定工程によって得ら
れた結果をｌｏｇ−ｌｏｇスケールグラフ上にプロット
し、前記第１および第２の電気的ストレスに対応するデ
ータを示す直線を前記グラフ上に記載する工程と、前記直線と任意のある値を示すＡモードＳＩＬＣ電流量
Ｉ_Xに対応する水平直線との二つの交点からグラフ縦軸
に平行な線に対して傾きｃの直線を引き、前記グラフ縦
軸に平行な線と前記傾きｃの直線との交点からＡモード
ＳＩＬＣ電流量Ｉ_q1およびＩ_q2を求め、前記第１の電気
的ストレス印加時の寿命ｔ₁および前記第２の電気的ス
トレス印加時の寿命ｔ₂との間に成立する関係式ｔ₂＝
（Ｉ_q1／Ｉ_q2）×ｔ₁を決定する工程と、を含んでいる
請求項１に記載の絶縁膜評価方法。
【請求項８】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命
ｔ₁を求める工程と、前記寿命ｔ₁を前記関係式に代入することによって、前
記第２の電気的ストレス印加時の寿命ｔ₂を推定する工
程と、を更に包含する請求項６または７に記載の絶縁膜
評価方法。
【請求項９】前記第１の電気的ストレス印加時の寿命
ｔ₁を求める工程は、複数の試料について、その試料に含まれる絶縁膜に電気
的ストレスを印加するストレス印加工程と、各試料について、Ａモードストレス誘起リーク電流量を
モニタし、前記絶縁膜の絶縁破壊が生じるときの前記Ａ
モードストレス誘起リーク電流量の値を測定する工程
と、測定された前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の複
数の値を統計的に処理することによって、前記Ａモード
ストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい値を決定す
るしきい値決定工程と、を包含する請求項３、４、５ま
たは８に記載の絶縁膜評価方法。
【請求項１０】前記第１の電気的ストレス印加時の寿
命ｔ₁を求める工程は、前記第１の絶縁膜と同種の絶縁膜に前記第１の電気的ス
トレスと同一レベルの電気的ストレスを印加する工程
と、Ａモードストレス誘起リーク電流量を測定する工程と、前記Ａモードストレス誘起リーク電流量の測定値と、前
記Ａモードストレス誘起リーク電流量の絶縁破壊しきい
値に基づいて決められた判定値との関係に基づいて、前
記第１の絶縁膜の寿命を推定する寿命推定工程と、を包
含する請求項３、４、５または８に記載の絶縁膜評価方
法。
【請求項１１】前記第１の電気的ストレス印加時の寿
命ｔ₁を求める工程は、前記第１の絶縁膜と同種の絶縁膜に前記第１の電気的ス
トレスと同一レベルの電気的ストレスを印加する工程
と、前記絶縁膜の絶縁破壊を生じるまで前記電気的ストレス
の印加を続け、それによって前記絶縁膜の寿命を測定す
る工程と、を包含する請求項３、４、５または８に記載
の絶縁膜評価方法。
【請求項１２】請求項１から１１の何れかに記載の絶
縁膜評価方法を実するための絶縁膜評価装置であって、評価対象の絶縁膜が形成された試料を保持するホルダ
と、ホルダ上に置かれた試料に電気的に接触するプローブ
と、プローブを介して試料に電気的ストレスを印加し、電流
・電圧の測定を実行するための測定部と、を備えた絶縁
膜評価装置。
【請求項１３】前記測定部によって得られたデータを
解析するための解析部を更に備えている請求項１２に記
載の絶縁膜評価装置。