JPH0846000A - 半導体素子の信頼性試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸化膜寿命の推定値を得るための測定時間
を、推定精度の低下やコストの上昇を伴うことなく大幅
に短縮し、拡散工程を終了した全ウエハについて酸化膜
信頼性のモニタリングを実現する。 【構成】 酸化膜中を流れる電流の電流密度Ｊの電界強
度Ｅに対する依存性を測定し、フォウラ−ノルドハイム
（Fowler-Nordheim）プロットを行う。このプロットの
直線関係を用いて実使用時の最大電界強度における電流
密度Ｊの推定値を求める。その後、同一の酸化膜にスト
レス電界を印加して、酸化膜の破壊までの総電荷量Ｑｂ
ｄ＝Ｊｔ（Ｃ／ｃｍ²）を測定する。この酸化膜の破壊
までの総電荷量Ｑｂｄを先に求めた実使用時の最大電界
強度における電流密度Ｊの推定値によって除し、実使用
時の酸化膜寿命の推定値を得る。

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
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置の高密度化、高集積
化、微細化の進行に伴い、それを構成するＭＯＳトラン
ジスタあるいはＭＯＳキャパシタで用いられるＳｉＯ₂
膜（以下酸化膜と称する）は薄膜化の傾向にある。この
一方で、半導体集積回路の電源電圧は通常一定に保たれ
ることから、酸化膜に印加される電界強度は薄膜化に伴
って増大する傾向にある。この状況の下で、酸化膜の経
時絶縁破壊（ＴＤＤＢ：Time Dependent Dielectric Br
eakdown）が信頼性上重大な問題となってきている。こ
れは酸化膜に電界が印加された場合、電界の印加開始か
らある時間が経過した時点で酸化膜が破壊し、電気的な
絶縁性が失われて短絡が生じる現象である（この時間を
以下酸化膜寿命と称する）。このため、酸化膜寿命推定
のための経時絶縁破壊試験が半導体集積回路装置を設計
し開発する上で必須の項目となっており、その重要性は
さらに増大する傾向にある。従来の酸化膜寿命の推定方
法を以下に示す。

【０００３】図４および図５は従来の経時絶縁破壊から
酸化膜寿命を推定する方法を示したものである。図４は
酸化膜寿命の推定方法、図５は各ストレス電界強度にお
ける酸化膜寿命の測定結果の例である。

【０００４】図４において横軸は酸化膜に印加される電
界強度、縦軸は酸化膜寿命を示している。図４におい
て、１は実使用時の最大電界強度、２は実使用時の酸化
膜寿命の推定値、３はストレス電界強度、４は酸化膜経
時絶縁破壊による５０％累積故障時間の実測値、５は酸
化膜経時絶縁破壊による５０％累積故障時間の推定値で
ある。

【０００５】図５において横軸は酸化膜に電界を印加す
るストレス時間、右の縦軸は酸化膜経時絶縁破壊による
累積故障率Ｐ、左の縦軸は累積故障率Ｐから計算された
ｌｎ（−ｌｎ（１−Ｐ））を示している。図５において
６は酸化膜経時絶縁破壊による５０％累積故障時間の実
測値、７は各ストレス電界強度の下での累積故障時間の
時間依存性である。累積故障率Ｐを図５の様に横軸を時
間の対数、縦軸をｌｎ（−ｌｎ（１−Ｐ））のグラフ上
にプロットすることは一般にワイブルプロットと呼ば
れ、故障がワイブル分布に従う場合、ワイブルプロット
の結果は直線となる。ワイブルプロットは酸化膜の経時
絶縁破壊の累積故障率をグラフ化する方法として広く用
いられている。

【０００６】酸化膜寿命を推定するため同一の形状、寸
法、製造プロセスにより形成された同等の酸化膜をキャ
パシタ絶縁膜とするＭＯＳキャパシタが多数準備され、
複数の組に分けられる。各組に対してはそれぞれ図４に
示した実使用時の最大電界強度１よりも高いストレス電
界強度３を定電圧ストレスの形で印加する。このストレ
ス印加により各組の酸化膜は経時絶縁破壊を生じ、時間
と共に故障となる酸化膜の個数が増大する。

【０００７】この各ストレス電界強度の下での累積故障
率の時間依存性を図５に示すようにワイブルプロットす
る。経験的に酸化膜経時絶縁破壊の故障はワイブル分布
に従い、このため累積故障率の時間依存性のワイブルプ
ロットは通常直線となる。これから各ストレス電界強度
の下での累積故障率の時間依存性７に対して回帰直線を
求め、これを用いて各ストレス電界強度に対し累積故障
率が５０％に達する時間、即ち５０％累積故障時間の実
測値６を求める。

【０００８】この５０％累積故障時間を酸化膜寿命とみ
なして図４に示すように５０％累積故障時間の実測値６
を横軸電界強度、縦軸酸化膜寿命の片対数グラフにプロ
ットする。経験的には５０％累積故障時間の実測値６は
このグラフ上で直線となる。これに基づいて５０％累積
故障時間の実測値の回帰直線、即ち５０％累積故障時間
の推定値５を求め、この直線を用いて実使用時の最大電
界強度１における実使用時の酸化膜寿命の推定値２を求
める。

【０００９】拡散工程を終了したウエハ上のＭＯＳキャ
パシタを用いて酸化膜の信頼性を短時間に評価するに
は、評価対象となる酸化膜をキャパシタ絶縁膜とする多
数のＭＯＳキャパシタをウエハ状態のままで試験する。
この場合、オートプローバを用いてウエハ上のＭＯＳキ
ャパシタに対して測定点を移動しながら、順次プロービ
ングして測定する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の酸化膜寿
命の推定方法には以下の問題点があった。

【００１１】製造プロセス開発の際にプロセス条件は頻
繁に変更される。このプロセス条件の変更により酸化膜
寿命が変化する可能性があるため、酸化膜寿命の推定を
頻繁に行う必要がある。

【００１２】あるいは工場で製品を量産する際に、装置
のトラブル等によるプロセス条件の変動により拡散工程
を終了したウエハ毎に酸化膜寿命が変動し、ときにはい
ちじるしく酸化膜寿命が短く信頼性上の基準を満たさな
くなる可能性がある。このような異常が発生した場合
に、市場に信頼性が不十分な製品を出荷することを防ぐ
ため、見落としなく早急に酸化膜寿命の推定値を測定す
ることが必要になる。

【００１３】以上の場合において、拡散工程を終了した
全ウエハに対して、ウエハ毎に酸化膜寿命の推定値を短
期間で測定することが必要となる。

【００１４】従来の酸化膜寿命の試験方法の中でウエハ
状態のままで試験をする場合においては、オートプロー
バを用いてウエハ上のＭＯＳキャパシタに順次プロービ
ングして測定するために、同時に試験が可能なＭＯＳキ
ャパシタは、プローブカードのプローブ針により同時に
電気的接続を取ることができる１個あるいは数個に限ら
れる。このため、多数のＭＯＳキャパシタに複数のスト
レス電界強度を印加して累積故障率を測定していくには
長時間が必要とされ、特に低ストレス電界強度の測定に
おいてこの傾向はいちじるしく、全ウエハの酸化膜寿命
の推定をする際の大きな障害となっている。

【００１５】測定時間を短くするためには試験時のスト
レス電界強度を高くする、あるいは測定に用いるＭＯＳ
キャパシタの数を少なくする等の方法がある。

【００１６】しかしストレス時の電界強度を高くした場
合には、測定器の時間精度が不十分となるという問題、
および高電界により試験時に多量の発熱が生じ、酸化膜
の温度が予測不可能な上昇をし、経時絶縁破壊の時間が
本来の温度および電界強度における値よりも短くなると
いう問題により寿命推定に大きな誤差が生じる。このた
めストレス時の電界強度を高くして測定時間を短くし、
全ウエハの酸化膜寿命を推定することができなかった。

【００１７】また、測定に用いるＭＯＳキャパシタの数
を少なくした場合には、複数のストレス電界強度に対し
て累積故障率を求めることから、各ストレス電界強度に
割り当てられるＭＯＳキャパシタの数は一層少なくな
る。同一ウエハ上のＭＯＳキャパシタは同等であると仮
定されているにもかかわらず、実際には特性にばらつき
を持っている。各ストレス電界強度における累積故障率
は異なるＭＯＳキャパシタから求められる。このため、
各ストレス電界強度に割り当てられるＭＯＳキャパシタ
の数が少なくなるほど、各ＭＯＳキャパシタの特性のば
らつきが各ストレス電界強度における累積故障率の分布
の変位となって現われる。この結果、各ＭＯＳキャパシ
タの特性のばらつきが各ストレス電界強度における酸化
膜寿命の変位として現われ、これが最終的に酸化膜寿命
の推定値の誤差を大きくする。結論として測定に用いる
ＭＯＳキャパシタの数を少なくして測定時間を短くし、
全ウエハの酸化膜寿命を推定することができなかった。

【００１８】結局、ウエハ状態のままでオートプローバ
を用いてウエハ上のＭＯＳキャパシタに順次プロービン
グして測定する方法では、実用上十分短い測定時間と実
用上十分高い精度を有する酸化膜寿命の推定値を実現す
ることができず、全ウエハの酸化膜寿命を推定すること
ができなかった。

【００１９】本発明の目的は実用上十分短い測定時間
と、実用上十分高い推定精度を有する低コストの酸化膜
寿命の推定方法を提供することにより、拡散工程を終了
した全ウエハに対し酸化膜寿命の推定値を短期間で測定
することを可能とし、これにより製造プロセス開発の際
のプロセス条件の変更による酸化膜寿命の変化、あるい
は工場で製品を量産する際に、装置のトラブル等による
プロセス条件の変動による酸化膜寿命の変動を短期間で
見落とすことなくモニタリングすることを可能とするも
のである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体素子の信頼性試験方法は、酸化膜に
複数の電界強度Ｅを印加して酸化膜中を流れる電流密度
Ｊを測定し、前記電流密度Ｊの測定値に対して、電界強
度の逆数１／Ｅに対する電流密度Ｊを電界強度Ｅの２乗
で除した値Ｊ／Ｅ²の対数の計算値の組を求め、前記各
計算値の組を直線あるいは一次式により近似し、前記直
線あるいは一次式を用いて酸化膜寿命を推定する電界強
度における酸化膜中を流れる電流密度を推定し、前記酸
化膜の破壊までの総電荷量Ｑｂｄを測定し、前記酸化膜
の破壊までの総電荷量Ｑｂｄを前記酸化膜寿命を推定す
る電界強度における酸化膜中を流れる電流密度により除
することにより酸化膜寿命を推定する。

【００２１】また、破壊までの総電荷量Ｑｂｄの測定時
に酸化膜に定電流を印加し、破壊までの時間を測定する
ことにより破壊までの総電荷量を測定する。

【００２２】さらに、破壊までの総電荷量Ｑｂｄの測定
時に酸化膜に電流を階段波掃引して時間と共に増加させ
ることにより破壊までの総電荷量Ｑｂｄを求める。

【００２３】

【作用】上記本発明の酸化膜寿命の推定方法の構成によ
れば、酸化膜寿命の推定値を、従来多数のＭＯＳキャパ
シタを用いて求めていたのに対して、１個のＭＯＳキャ
パシタから求めることができる。

【００２４】さらにストレス印加の時間は酸化膜に印加
する電界強度を測定器の時間精度が不十分となるという
問題、および高電界により試験時に多量の発熱が生じ
て、酸化膜の温度が予測不可能な上昇をし、経時絶縁破
壊の時間が本来の温度および電界強度における値よりも
短くなるという問題を生じない範囲内で高くし、一例と
して従来の酸化膜寿命の推定方法における複数のストレ
ス電界強度の中で最高のストレス電界強度と同程度とす
ることにより、従来の酸化膜寿命の推定方法における低
ストレス電界印加時よりも十分短くすることが可能であ
る。

【００２５】これに加えて酸化膜中を流れる電流密度Ｊ
を測定する時間はストレス印加の時間に比べて十分短
い。

【００２６】以上の理由から本発明における酸化膜寿命
の推定方法における測定時間は、従来の酸化膜寿命の推
定方法のなかで、ウエハ状態のままでオートプローバを
用いてウエハ上のＭＯＳキャパシタに順次プロービング
して測定する方法よりも数十分の一から数千分の一に短
縮され、ウエハ状態のまま、実用上十分短い測定時間で
酸化膜寿命の推定値を求めることが可能となる。

【００２７】一方本発明による酸化膜寿命の推定方法に
おいては、同一のＭＯＳキャパシタから破壊までの総電
荷量Ｑｂｄの測定値と各電界強度における電流密度Ｊの
推定値を求め、この２種類の量から各電界強度における
酸化膜寿命の推定値を求めることができる。このため従
来の酸化膜寿命の推定方法における問題、即ち各ストレ
ス電界強度における酸化膜寿命が異なるＭＯＳキャパシ
タから求められるため、各ＭＯＳキャパシタの特性のば
らつきが各ストレス電界強度での酸化膜寿命の変位とな
って現われ、最終的に酸化膜の寿命推定の誤差が大きく
なるという問題を排除することができる。

【００２８】以上の理由から、本発明における酸化膜寿
命の推定方法における推定精度は、測定時間を短縮して
も低下することなく、従来の酸化膜寿命の推定方法と同
程度かそれ以上の精度を保つことができる。

【００２９】

【実施例】以下本発明を実施例により図面を参照して詳
細に説明する。

【００３０】図１〜図３は本発明における酸化膜寿命の
推定方法を示したものである。図１は酸化膜寿命の推定
方法、図２は酸化膜中を流れる電流密度Ｊの電界強度依
存性の測定結果、図３は定電流密度ストレス印加時の酸
化膜破壊までの酸化膜印加電圧の時間変化の測定結果の
例である。

【００３１】図１において、図面上部の横軸は酸化膜に
印加される電界強度Ｅ、下部の横軸は酸化膜に印加され
る電界強度Ｅの逆数１／Ｅ、縦軸は酸化膜を流れる電流
の電流密度Ｊを酸化膜に印加される電界強度Ｅの２乗で
除した値Ｊ／Ｅ²をそれぞれ示している。

【００３２】図１において、１１は電流密度Ｊの実測値
を電界強度Ｅの２乗で除した値、１２はフォウラ−ノル
ドハイム（Fowler-Nordheim）プロットによるＪ／Ｅ²の
推定値、１３は破壊までの総電荷量Ｑｂｄと電流密度Ｊ
から求めた酸化膜寿命の推定値、１４は実使用時の最大
電界強度、１５は実使用時の酸化膜寿命の推定値であ
る。

【００３３】図２において、横軸は酸化膜に印加される
電界強度Ｅ、縦軸は酸化膜を流れる電流の電流密度Ｊを
それぞれ示している。図２において、１６は電流密度
Ｊ、１７は電流密度Ｊの実測値である。

【００３４】図３において、横軸は酸化膜に定電流密度
ストレスを印加するストレス時間ｔ、縦軸は定電流スト
レスを印加中の酸化膜印加電圧Ｖｏｘをそれぞれ示して
いる。

【００３５】拡散工程を終了したウエハにおける酸化膜
寿命は、ウエハ上に形成されたＭＯＳキャパシタを用い
て測定され、その測定値から図１に示した実使用時の酸
化膜寿命の推定値１５が求められる。今回の酸化膜の膜
厚は１２ｎｍ、酸化膜寿命の推定に用いたＭＯＳキャパ
シタの酸化膜寸法は１００μｍ×５０μｍである。

【００３６】このウエハ上のＭＯＳキャパシタを、ウエ
ハ状態のままでオートプローバと連動した測定器を用い
て、ウエハ上の測定点を移動しながら順次プロービング
して測定する。この測定器には電圧源、電流源、電圧
計、電流計、容量計が備わっている。

【００３７】まずＭＯＳキャパシタに対して、酸化膜の
容量がＭＯＳキャパシタの容量として現われる電圧がＭ
ＯＳキャパシタに印加され、ＭＯＳキャパシタの容量が
測定される。その容量と酸化膜寸法から酸化膜厚が計算
される。

【００３８】次に同じＭＯＳキャパシタに電圧を印加す
ることにより、酸化膜に電界強度６〜９ＭＶ／ｃｍ程度
の電界が印加され、図２に示すように各電界強度におけ
る電流密度Ｊ１６の実測値１７が得られる。ここで酸化
膜に印加される電界強度は酸化膜印加電圧を先に求めた
酸化膜厚で除することにより求められる。

【００３９】このようにして得られた電流密度Ｊ１６の
実測値１７から、図１に示すように、電流密度Ｊ１７の
実測値１７を電界強度Ｅの２乗で除した値Ｊ／Ｅ²の実
測値の対数を、電界強度Ｅの逆数１／Ｅに対してプロッ
トする、いわゆるフォウラ−ノルドハイムプロットを行
う。これは、電界を印加した際に酸化膜を流れる電流
は、主としてフォウラ−ノルドハイムトンネル電流で、
電流密度Ｊは酸化膜に印加される電界強度に対して、Ｊ
＝ＡＥ²ｅｘｐ（−ｂ／Ｅ）（Ａ，ｂは定数）の形の依
存性を持つ。この依存性から主としてフォウラ−ノルド
ハイムトンネル電流により構成された酸化膜中を流れる
電流の電流密度Ｊを電界強度Ｅの２乗で除した値Ｊ／Ｅ
²の対数を電界強度Ｅの逆数１／Ｅに対してプロットし
た結果は直線となる。このプロットはフォウラ−ノルド
ハイムプロットと呼ばれ、この直線関係を用いて電流密
度Ｊの実測値を電界強度Ｅの２乗で除した値から、任意
の電界強度におけるフォウラ−ノルドハイムプロットに
よるＪ／Ｅ²の推定値１２を求める。このフォウラ−ノ
ルドハイムプロットによるＪ／Ｅ²の推定値１２を電界
強度Ｅの２乗Ｅ²を乗ずることにより、任意の電界強度
Ｅ、特に電流密度Ｊが微小なため実測値を得ることが不
可能な実使用時の最大電界強度４近傍の低電界強度時の
電流密度Ｊの推定値を求めることができる。

【００４０】続いて同じＭＯＳキャパシタの酸化膜に対
して電流密度Ｊ＝１.０Ａ／ｃｍ²定電流ストレスを印加
し、破壊までの総電荷量Ｑｂｄを測定する。定電流スト
レスを用いることにより、定電圧ストレスの場合に比べ
て、酸化膜の膜厚のばらつきによる測定時間のばらつき
を小さくできるという利点がある。このときの酸化膜印
加電圧の時間変化を図３に示す。定電流ストレスをＭＯ
Ｓキャパシタの酸化膜に印加すると、定電流印加中の酸
化膜印加電圧の時間変化１８に示すように、時間の経過
に従って酸化膜印加電圧の絶対値が酸化膜中への電子の
トラッピングにより徐々に増加する。この後、酸化膜印
加電圧は、ある時間の経過後、この例では１８秒後に突
然大きく減少する。この酸化膜印加電圧の突然の大きな
減少が生じた時点が、酸化膜破壊が生じた時点１９であ
る。定電流ストレス印加開始より酸化膜破壊が生じた時
点１９までの時間ｔにストレス電流密度Ｊを乗じて、破
壊までの総電荷量Ｑｂｄ＝Ｊｔを求める。この例では、
破壊までの総電荷量Ｑｂｄ＝１８Ｃ／ｃｍ²である。こ
の破壊までの総電荷量Ｑｂｄは電界強度あるいは電流密
度Ｊに依存しない一定値となる。

【００４１】この例に示した定電流ストレス印加による
破壊までの総電荷量Ｑｂｄの測定に代えて、ストレス電
流密度を階段波掃引し、時間の経過に従って増加させ、
破壊までの各段における時間と電流密度Ｊを積分して、
破壊までの総電荷量Ｑｂｄを求める方法も、広範囲にわ
たる破壊までの総電荷量Ｑｂｄの値を測定できることか
ら実用的な方法である。

【００４２】このようにして求めた酸化膜の破壊までの
総電荷量Ｑｂｄを、先に求めた任意の電界強度における
電流密度Ｊ、その中でも特に低電界のため電流密度Ｊが
微小で実測値を得ることが不可能な実使用時の最大電界
強度１４の推定値によって除し、各電界強度における破
壊までの総電荷量Ｑｂｄと電流密度Ｊから求めた酸化膜
寿命の推定値１３、その中でも特に実使用時の最大電界
強度１４における実使用時の酸化膜寿命の推定値１５が
得られる。

【００４３】本発明の実施例における試験時間は、拡散
工程を終了した１ロット約５０枚のウエハに対し各ウエ
ハ５点の測定点がある場合、約１.５時間という短時間
で全測定が終了し、各ウエハ上の各測定点の酸化膜寿命
の推定値が得られる。この測定時間は、一つの酸化膜寿
命の推定値を得るのに必要なＭＯＳキャパシタの個数が
１個だけであり、かつ１個当りの測定時間を短縮できる
ため、従来の酸化膜寿命の推定方法による場合の数十分
の一であり、飛躍的な測定効率の向上が実現される。

【００４４】一方で本実施例の酸化膜寿命の推定方法に
おいては、各電界強度における酸化膜寿命の推定値は、
１個のＭＯＳキャパシタから測定された破壊までの総電
荷量Ｑｂｄ、および各電界強度における電流密度Ｊの推
定値から求められる。このため、酸化膜寿命の推定精度
は測定時間が短縮されたにもかかわらず低下しない。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、酸化膜寿命の推定値を
得るための測定時間を推定精度の低下を伴うことなく、
大幅に短縮することができる。これにより拡散工程を終
了した全ウエハに対して、酸化膜寿命の推定値を短期間
で測定することを実現する。

【００４６】これにより製造プロセス開発の際にはプロ
セス条件の変更による酸化膜信頼性の変化を短期間で評
価でき、開発効率の大幅な向上および開発コストの削減
という効果が得られる。

【００４７】一方、工場で製品を量産する際には、装置
のトラブル等によるプロセス条件の変動による酸化膜寿
命の変動を低コストかつ短期間で、全ウエハについてモ
ニタリングをすることが可能となることから、低コスト
で製品の信頼性の向上が実現できるという効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の酸化膜寿命の推定方法を示
す図

【図２】本発明の一実施例の酸化膜中を流れる電流密度
Ｊの電界強度依存性の測定結果を示す図

【図３】本発明の一実施例の定電流密度ストレス印加時
の酸化膜破壊までの酸化膜印加電圧の時間変化を示す図

【図４】従来の酸化膜寿命の推定方法を示す図

【図５】従来の各ストレス電界強度における酸化膜寿命
の測定結果を示す図

【符号の説明】

１１ 値 １２ 推定値 １３ 推定値 １４ 最大電界強度 １５ 推定値

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化膜に複数の電界強度Ｅを印加して酸
   化膜中を流れる電流密度Ｊを測定し、前記電流密度Ｊの
   測定値に対して、電界強度の逆数１／Ｅに対する電流密
   度Ｊを電界強度Ｅの２乗で除した値Ｊ／Ｅ²の対数の計
   算値の組を求め、前記各計算値の組を直線あるいは一次
   式により近似し、前記直線あるいは一次式を用いて酸化
   膜寿命を推定する電界強度における酸化膜中を流れる電
   流密度を推定し、前記酸化膜の破壊までの総電荷量Ｑｂ
   ｄを測定し、前記酸化膜の破壊までの総電荷量Ｑｂｄを
   前記酸化膜寿命を推定する電界強度における酸化膜中を
   流れる電流密度により除することにより酸化膜寿命を推
   定することを特徴とする半導体素子の信頼性試験方法。
2. 【請求項２】 破壊までの総電荷量Ｑｂｄの測定時に酸
   化膜に定電流を印加し、破壊までの時間を測定すること
   により破壊までの総電荷量を測定することを特徴とする
   請求項１記載の半導体素子の信頼性試験方法。
3. 【請求項３】 破壊までの総電荷量Ｑｂｄの測定時に酸
   化膜に電流を階段波掃引して時間と共に増加させること
   により破壊までの総電荷量Ｑｂｄを求めることを特徴と
   する請求項１記載の半導体素子の信頼性試験方法。