JPH03255644A - 絶縁膜の信頼性評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、絶縁膜の経時信頼性を評価する測定方法に関
するものである。

従来の技術 近年、ＶＬＳ　Ｉの高集積化、大容量化に伴い、設計寸
法および加工の微細化が必須のものとなっている。これ
らの素子の微細化にともないＭＯＳトランジスタのゲー
ト絶縁膜や、ＤＲＡＭの容量絶縁膜に使用される絶縁膜
も薄膜化せざるをえず、加えてこれらの絶縁膜には高い
信頼性を確保することが要求されている。

このため、高信頼性の絶縁膜の形成方法はもとより、こ
れらの絶縁膜の信頼性を短時間で簡便に、かつ精度よく
評価する信頼性測定方法が必要不可欠のものとなってい
る。これらの、絶縁膜の信頼性測定方法としては従来か
ら絶縁膜を挟む上下の電極にストレス電圧もしくはスト
レス電流を印加し、絶縁膜が破壊に至る時間を測定する
経時変化による破壊測定（Ｔ　ｉｍｅ　Ｄ　ｅｐｅｎｄ
ｅｎｔ　Ｄ　１ｅｌｅｃｔｒｉｃＢ　ｒｅａｋｄｏｗｎ
　：　Ｔ　Ｄ　Ｄ　Ｂ　）法が広く用いられている。と
りわけ絶縁膜に一定電流ストレスを印加し、絶縁破壊に
至る時間を測定する定電流ＴＤＤＢ法は、注入電流密度
と絶縁破壊に至る時間の積（Ｊ　Ｘ　ｔ）から絶縁破壊
に至る総電荷量（Ｑ−ｏ：Ｃｈａｒｇｅ　ｔｏ　ｂｒｅ
ａｋｄｏｗｎ）を算出することができるためよく用いら
れる。第６図は定電流ＴＤＤＢにおける印加ストレス電
流およびそのときの印加電圧の変化を示したものである
。

発明が解決しようとする課題 この定電流ＴＤＤＢ法は絶縁破壊に至る総電荷量を正確
に把握することができるため絶縁膜の信頼性評価には非
常に有効な方法である。しかし、Ｑｅｏは注入電流密度
と絶縁破壊に至る時間の積であるため、印加ストレス電
流密度が非常に低い場合、正常な絶縁膜では絶縁破壊に
至る時間は非常に長くなる。また、逆に印加ストレス電
流密度が高すぎる場合や絶縁膜の欠陥等の異常が存在し
た場合、非常に短い時間で破壊してしまい、時間分解能
および精度が十分に得られないといった現象が起こる。

したがって、定電流ＴＤＤＢではあらかじめ予備測定な
どを行って、適正なストレス電流密度を設定してやるこ
とが必要となる。しかし、この作業を行った場合でも通
常、絶縁膜には欠陥が含まれているため、非常に寿命の
短いものから非常に寿命の長い正常なものまで種々の寿
命の絶縁膜がある。一般に、これらの信頼性測定は統計
処理を行う必要があるので被測定試料は最低でも１００
個以上必要である。したがって、被測定試料には潜在的
に欠陥を含み非常に寿命の短いものから、欠陥がなく寿
命の長いものまであらゆる寿命を持つ試料を測定するこ
とになる。このような状況では予備測定により大部分の
試料に対しては最適な条件を設定しても残りの試料に対
しては、必ずしも最適な条件であるとは言えない。信頼
性測定は多数の試料を測定するため測定時間の短縮が要
求されるので一般に、注入ストレス電流密度は比較的高
い値を使用する。この場合、信頼性に問題のある試料で
はストレス電流印加と同時に瞬時にして絶縁破壊が生じ
、正確な信頼性測定ができない。一方、これらの信頼性
に問題のある試料で十分な精度が得られるような注入ス
トレスを設定すると逆に正常な試料では膨大な測定時間
を要する。また、トータルの測定時間はこれらの試料の
信頼性に左右され一定ではない。信頼性の測定では信頼
性にやや問題のある試料の抽出が非常に重要であり、正
常な試料の信頼性とともに正確に把握する必要がある。

したがって、従来の定電流ＴＤＤＢ法は測定のダイナミ
ックレンジが狭いためこのような欠陥に起因する信頼性
不良の測定には問題があった。

本発明は、印加ストレス電流密度を決める予備実験を行
わず、ある定まった時間内に、短時間で、かつ正常な試
料から信頼性に問題がある試料まで正確に広いダイナミ
ックレンジで信頼性の高い測定を行うことを目的として
いる。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために本発明では、絶縁膜を挟む電
極に、絶縁膜中を流れる電流が所定の電流値を保持する
ような電圧を印加しながら、絶縁膜が絶縁破壊に至る時
間を測定する定電流ストレス印加による経時絶縁破壊（
定電流ＴＤＤＢ）測定で、ストレス電流として所定のデ
二−ティー比（パルス幅）、＜り返し周期が一定の矩形
波を印加し、第一のパルス電流印加後、絶縁破壊の判定
をストレス電流が印加されていない時に行い、絶縁破壊
していなければ、ストレス電流とストレス電流の印加時
間の積から注入電荷量を計算し、以降、絶縁破壊を生ず
るまで複数のノくルス電流ストレスを印加絶縁破壊を生
ずるまで複数のパルス電流ストレスを印加する方法にお
いて、電流パルスのデユーティ−比（パルス幅）および
くり返し周期を一定とし、注入電荷量の桁が１桁増加す
るたびにストレス電流を１０倍にして印加する。ストレ
ス電流密度の上限は０．１〜１Ａ／−もしくはＱｏ。

に注入電流密度が大きく依存しはじめる電流密度である
。

作用 本発明の検討によれば、印加ストレス電流のパルス幅を
十分制御可能な時間に選択し、ストレス電流密度を十分
低い電流密度にすることにより、欠陥を含み信頼性に問
題のある試料も精度よく測定することができる。さらに
、正常な試料についても最初の注入電荷量の桁で絶縁破
壊しなければ、ストレス電流を１桁高くしてさらに測定
するので、破壊に至る電荷量の大きい試料についても短
時間で測定できる。測定時間は最大でも印加ストレス電
流パルス幅×注入電荷量が１桁高くなるまでの印加パル
ス数×絶縁破壊に至るまでの印加ストレス電流の変更回
数で計算される。また上限電流密度を設定することによ
り物理的に意味のあるＱ　ａｏを測定することができ、
短時間にダイナミックレンジの広い測定を実現すること
ができる。

実施例 本発明の実施例を被測定絶縁膜として、酸化シリコン膜
を用いた場合を例に説明する。第１図と第２図は本測定
方法における印加ストレス電流パルスの印加方法を示し
たものである。通常、酸化シリコン膜の絶縁破壊に至る
電荷量（Ｑ　ｓｏ）は１０Ｃ／ｃａｒ程度であるから、
本実施例ではＱｅｏのダイナミックレンジとして１０−
５〜１０Ｃ／ｃＩＩｒの６桁となる。測定はまず、１Ｏ
−ＧＡ／ｃｆｉｒの電流密度で０．１秒のパルスを印加
する。その後、直ちに２ＭＶ／ａ＋ｆの電界を印加して
、電流が１μＡ／ｃａｒ以上流れた場合絶縁破壊と判定
する。ここで、絶縁破壊が生じていなければ引き続きパ
ルス印加をくり返す。以後、破壊に至るまで前記の電流
密度で合計１００個のパルスを印加する。１００個のパ
ルス印加後、注入電荷量は１０−’Ｃ／ｃａｒとなるの
で、ここでストレス電流密度を１桁高くして１Ｏ−５Ｃ
／−として同様な測定を行う。ただし、これ以後、印加
パルスの数は９９個となる。前記の電流密度で９９個の
パルス全部が印加し終わると注入電荷量は１Ｏ−３Ｃ／
ｃｄとなる。これでも絶縁破壊しない場合は順次、電流
密度を１桁ずつ高くし、絶縁破壊に至るまで行う。ただ
し、この場合、上限のストレス電流密度はＩＡ／ｃｉで
ある。

これは、第３図に示すように、酸化シリコン膜において
はＱｓｏはＩＯＣ／ｃｄ程度であるとともに、Ｑｏｏ自
体が注入電流密度がＩＡ／ｃｄを越えると注入電流密度
の関数となり、急激に減少するため、正確なＱｅｏが測
定できなくなるためである。本実施例の如き条件を用い
ると最大１０Ｃ／ｃｎｆ程度のＱ　８０を持つ絶縁膜の
測定に要する時間は最大でも１００秒程度と短時間で信
頼性測定が可能となる。これを従来の定電流ＴＤＤＢ法
を用いて行うと注入電流密度を分解能および精度を向上
させるるために十分低く１Ｏ−６Ａ／−とすると試料−
点につき最大１０６秒の測定時間を要してしまう。

また、逆に注入電流密度をＬＡ／ａｎｔとした場合、１
０−４／ｃｒＩ程度のＱｏｏを持つ絶縁膜の測定時間は
試料１点につき１０−５秒と非常に短い時間となり測定
精度、再現性がまったく得られない。第４図は本実施例
で用いた信頼性評価システムの構成図を示したものであ
る。システムは定電流源１および電圧源２および電流計
３および全自動プローバー４から構成される。定電流源
１から試料５にストレスが印加されているときには電圧
源２および電流計３はシステムから切り離される。定電
流源１からストレス電流パルスを印加した後、電圧源２
および電流計３が接続され、絶縁破壊の判定が行われる
。

第５図に絶縁膜として酸化シリコン膜厚３０ｎｍ。

電極面積１帥２を有するＭＯＳ容量を本発明の方法によ
りＱｎｏを測定した結果および、従来例の定電流ＴＤＤ
Ｂ法により測定した結果を示す。従来例の定電流ＴＤＤ
Ｂ法におけるストレス電流密度は０．１および０．４Ａ
１０Ｉｒであり、本発明の実施例ではストレス電流密度
を１０〜ＩＡ／ａＩｒに変化させて測定した。第５図の
結果から従来例の定電流ＴＤＤＢ法で測定を行うとスト
レス電流印加とほぼ同時に全測定試料の７０％以上が絶
縁破壊を生じ、Ｑｅｏは１Ｏ−５Ｃ／ｃ＋＋ｆ以下とな
り正確な測定が全くできていない。これに対し、本発明
による実施例では、ストレス印加の初期に破壊するのは
全試料の１０％以下であり、正確なＱＢＤ測定が可能と
なっている。この１０％の破壊についてもストレス電流
密度をさらに低い電流密度から測定することにより正確
に測定することができる。このような場合、従来例では
ストレス電流密度を１桁低下させる毎に測定に要する時
間はストレス電流密度の低下桁数をｎとすると、１００
倍になるのに比べ、本発明の実施例では０倍になるに過
ぎず、測定精度およびダイナミックレンジ、高スループ
ツトの３項目を満足することができる。

発明の効果 以上のように、本発明による絶縁膜の信頼性評価方法を
用いると、短時間に広いダイナミックレンジで精度よく
絶縁膜の絶縁破壊に至るまでの電荷量を測定することが
でき、迅速かつ正確な絶縁膜の信頼性評価を可能として
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図はストレス電流の印加方法を示す図、第２図は測
定のアルゴリズムを示す図、第３図は酸化シリコン膜の
Ｑｏｏとストレス電流密度の関係を示す特性図、第４図
は測定システムの構成図、第５図は本発明および従来方
法による測定結果を示す特性図、第６図は従来方法にお
けるストレス電流印加の方法とそのときの電圧変化とＱ
ｅｏの変化を示した特性図である。 １・・・・・・定電流源、２・・・・・・電圧源、３・
・・・・・電流計、４・・・・・・全自動ウエーハブロ
ーバ　５・・・・・・試料、６・・・・・・制御用コン
ピュータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電流値Ｊ＝Ｊ＿０×１０＾ｎのｎが零の電流パルスを印
   加する第１の手段と、絶縁破壊を判定する第２の手段と
   、前記第２の手段で絶縁破壊が起こった場合には測定を
   終了し、絶縁破壊が起こらない場合には前記第１の手段
   と第２の手段が最大１００回繰り返される第３の手段と
   、前記第１の手段の電流値Ｊ＝Ｊ＿０×１０＾ｎのｎが
   ｎ＋１の電流パルスを印加して第２の手段と第３の手段
   を行う第５の手段を有し、前記ｎ＋１の値が所定の値に
   なるまで繰り返し実行されることを特徴とする絶縁膜の
   信頼性評価方法。