JPH0949861A - 半導体装置の寿命推定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 定量的で迅速でかつ正確な半導体装置の寿命
推定方法を提供する。 【構成】 ゲート酸化膜，金属配線等の半導体装置の部
材に複数通りの一定の電流を注入し、その結果から破壊
電荷量（又は破壊時間）の測定と、定電流値と破壊電荷
量（又は破壊時間）との関係の決定と、定電圧下におけ
る電流の経時変化の推定とを行う。次に、定電圧下での
電流の経時変化特性において、各微小時間間隔における
電流値を一定と近似して、その電流値による寿命消費割
合を定電流値と破壊電荷量（又は破壊時間）との関係か
ら求め、この寿命消費割合を累積演算して、その和が１
になるまでの微小時間間隔の総和を寿命と推定する。短
時間で済む定電流試験の結果を利用して定電圧下におけ
る寿命を推定するので、ＭＯＳ構造デバイスやＴＦＴの
ゲート酸化膜、あるいは金属配線の信頼性寿命推定を定
量的で迅速にかつ正確に行なうことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の寿命
推定方法に係り、特に評価方法の改善に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の微細化に伴い、半導
体装置の信頼性が重要視されている。例えば、ＭＯＳＦ
ＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Trans
istor)のゲート酸化膜の信頼性は、半導体装置自身の特
性を決定するため、多くの研究発表がなされている。ゲ
ート長０．３５μｍレベルのトランシスタでは、ゲート
酸化膜厚は８〜９nmとなり、いかに良好な特性を持つゲ
ート酸化膜を形成するか、あるいはプロセス中のプラズ
マ等によるゲート酸化膜のダメージをいかに緩和するか
が重要な技術事項となってきている。

【０００３】ここで、ゲート酸化膜の劣化を緩和するに
は、プロセスでどの程度のダメージを受けているかを把
握しなければならず、ダメージの程度を正確に把握する
ためには、ダメージの程度が異なる各ゲート酸化膜の寿
命を正確に把握する必要がある。かかる要請から、ゲー
ト酸化膜の寿命推定も同時に重要となっており、この寿
命推定については、現在下記の評価方法が知られてい
る。

【０００４】１）ランプ電圧印加による評価 ２）定電圧印加による評価 ３）定電流注入による評価 上記３種類の評価方法のフローチャートを図１７ａ〜図
１７ｃに示す。

【０００５】ランプ電圧印加による評価方法１）は、図
１７ａに示すように、ウェハごと行うものであり、ステ
ップＳＴ１でウエハ上の絶縁膜にランプ電圧を印加し、
電圧値を上げていって、ステップＳＴ２でウェハが絶縁
破壊して電流が流れるときの電流値をモニターし、ステ
ップＳＴ３，ＳＴ４で破壊モードを分類して良，不良を
判定する方法である。破壊に要する時間は１０³ sec 程
度である。

【０００６】定電圧印加による評価方法２）は、図１７
ｂに示すように、ステップＳＴ１１で一定の電圧を絶縁
膜に印加し、ステップＳＴ１２でその間電流値をモニタ
ーし、一定電圧の印加によって絶縁膜が経時変化するの
で徐々に劣化し破壊すると、ステップＳＴ１３でその破
壊時期を検出する方法である。破壊を生じるまでに要す
る時間は１０⁵ sec を越える。

【０００７】定電流注入による評価方法３）は、図１７
ｃに示すように、ステップＳＴ２１で一定の電流を絶縁
膜に注入し、ステップＳＴ２２で時間とともに増大する
電圧値をモニターして、ステップＳＴ２３で破壊する時
期を検出する方法である。破壊を生じるまでに要する時
間は１０⁴ sec 程度である。

【０００８】また、近年とくに需要の高まってきている
液晶表示パネルに使用されるＴＦＴ（Thin-Film-Transi
stor）についても、そのゲート酸化膜の信頼性保証が要
求されてきている。評価方法としては、基本的に上述の
各方法で行われている。

【０００９】さらに、ゲート酸化膜以外の信頼性につい
ても、その信頼性の評価方法についての研究が多く行わ
れている。例えば、半導体装置に使用される金属配線
も、その使用とともに経時劣化が発生し、ボイドと呼ば
れる欠陥により電気的に破断する（エレクトロマイグレ
ーション、以下「ＥＭ」と略記する）。その評価方法と
しては、金属配線に一定電流を注入し、その抵抗値をモ
ニターしながら破断までの時間を測定する方法が主流で
ある。この方法も、電流値により寿命推定を行っている
ため、電圧制御が基本である半導体装置内での金属配線
の正確な寿命とは言い難い。一部では、定電圧による評
価も行われているが、ゲート酸化膜の場合と同様、評価
に要する時間は、定電流注入に比べ長い。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記３種類の評価方法
１）〜３）において、各々の評価方法に要する時間や寿
命推定の正確性等長所及び短所を表１に示す。

【００１１】

【表１】 上記表１より、各評価方法において下記のような問題が
あることが分かる。

【００１２】ランプ電圧印加による評価方法１）は評価
に要する時間が各種評価方法の中では最短であるが、破
壊したか、破壊していないかを検出するだけなので、寿
命の比較測定はできるものの、ゲート酸化膜の劣化の定
量化あるいは寿命推定は困難であるという問題があっ
た。

【００１３】次に、定電圧印加による評価方法２）は、
従来最もよく寿命推定に用いられている手法である。そ
の理由は、半導体装置の制御は一般的に電圧制御により
行われており、この評価方法２）により推定された寿命
の値は現実の使用状態によくあった非常に正確な値とな
るからである。しかしながら、評価に要する時間は、１
０⁵ sec と３つの評価方法の中で最も長く、かなりの日
数を要する。一方、基板温度を高くしたいわゆる加速試
験を行うことも可能であるが、実用に絶える程度まで試
験時間を短縮しようとするとかなりの高温状態で加速試
験を行う必要があり、データ自身の誤差が極めて大きく
なる等の問題が生じる。このために、定量的，迅速かつ
正確という条件を満たす評価は困難である。

【００１４】一方、定電流注入による評価方法３）は、
評価に要する時間が評価方法２）に比べて約１０分の１
以下と短く、また、ゲート酸化膜の劣化量の定量化も可
能である。しかし、電流を注入していくと電荷のトラッ
プによって絶縁膜の抵抗が増大するので一定値の電流値
を流すには電圧値を増大させていく必要がある。しかる
に、現実の半導体装置は一定電圧によって制御されるの
で、このように電圧を変化させて一定値の電流を流した
際の寿命が判明しても、現実の使用状態に即した正確な
寿命推定が行えないという問題があった。

【００１５】また、上述の金属配線のＥＭ評価において
も、絶縁膜に対すると同様に、従来の定電流注入評価だ
けでは、正確な寿命推定はできないという問題があっ
た。

【００１６】さらに、試験時間が実用上長すぎると場合
だけでなく、ある電気的ストレス下における試験そのも
のが困難な場合もある。

【００１７】本発明は上記従来の問題に鑑みてなされた
ものであり、ゲート酸化膜等の絶縁膜や金属配線を有す
る半導体装置について、電流，電圧等の電気的ストレス
を印加して寿命を推定する場合に、２種類の電気的スト
レス下における寿命試験の特徴を併せて有する定量的で
迅速かつ正確な寿命推定方法を提供することを目的とす
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が講じた手段は、実用的試験が可能な第１の電
気的ストレスによる試験を行い、その結果を利用してよ
り正確な寿命を与える第２の電気的ストレスによる寿命
を推定する方法である。

【００１９】具体的に請求項１の発明が講じた手段は、
半導体装置の部材に電流，電圧等の電気的ストレスを印
加した場合に上記部材が使用不能な状態になるまでの時
間を寿命とし、第１の電気的ストレスを印加した試験を
利用して第２の電気的ストレスを印加した場合における
上記半導体装置の寿命を推定する方法として、複数通り
の一定な第１の電気的ストレスを半導体装置の部材に注
入し、それぞれの一定な第１の電気的ストレス下におけ
る半導体装置の寿命とその間の第２の電気的ストレスの
値の経時変化とを測定する第１のステップと、上記第１
のステップで測定されたそれぞれの一定な第１の電気的
ストレス下における寿命の測定結果に基づいて、上記半
導体装置の部材に注入する一定な第１の電気的ストレス
の値と当該第１の電気ストレス下における半導体装置の
寿命との関係を計算する第２のステップと、上記第１の
ステップで測定された第２の電気的ストレスの値の経時
変化に基づいて、所定の第２の電気的ストレスを上記半
導体装置の部材に印加した場合の第１の電気的ストレス
の値の経時変化特性を計算する第３のステップと、上記
第３のステップで得られた上記所定の第２の電気的スト
レス下における上記第１の電気的ストレスの経時変化特
性を複数の微小時間間隔に区画し、該各微小時間間隔に
おける第１の電気的ストレスの値を一定値と近似して、
上記第２のステップで計算された一定な第１の電気的ス
トレス下における寿命を上記各微小時間間隔で消費した
割合を計算する第４のステップと、上記第４のステップ
で計算された各微小時間隔における上記寿命の消費割合
の累積値が所定値に達するまでの各微小時間間隔の和を
上記半導体装置の寿命として決定する第５のステップと
を設ける方法である。

【００２０】請求項１の発明により、第１のステップに
おける測定結果を利用して、第２のステップで第１の電
気的ストレス下における寿命の変化が求められ、第３の
ステップで第２の電気ストレス下における第１の電気的
ストレスの経時変化が推定される。従って、第４のステ
ップで計算される各時刻の微小時間間隔における寿命消
費割合は、その時々に半導体装置の部材が第１の電気的
ストレスを受けて消耗する部分的な寿命を定量的に反映
したものとなっている。しかも、各微小時間間隔は、所
定の第２の電気的ストレス下における第１の電気的スト
レスの経時変化を区画したものであるので、各微小時間
間隔についての寿命消費割合を総和した値は、所定の第
２の電気的ストレス下の寿命を正確に表している。した
がって、例えば第２の電気的ストレスによる試験時間が
長い場合や、第２の電気的ストレスを印加した試験その
ものが困難な場合等でも、第２の電気的ストレスを印加
した試験を実際に行う必要はなく、第１の電気的ストレ
スを印加した試験を行いながら、所定の第２の電気的ス
トレスを印加したときの半導体装置の寿命を求めること
が可能となる。すなわち、半導体装置の部材の種類，特
性に応じた定量的，迅速，正確な寿命の推定が可能とな
る。

【００２１】請求項２の発明が講じた手段は、請求項１
において、上記寿命を、半導体装置の部材が破壊するの
に要する時間とし、上記第４のステップでは、上記各微
小時間間隔における寿命の消費割合を、上記各微小時間
間隔を一定な第１の電気的ストレス下における破壊に要
する時間で徐した値として計算する方法である。

【００２２】請求項２の発明により、半導体装置の部材
が破壊するまでの時間をパラメータとして、半導体装置
の寿命が推定される。従って、破壊するまで使用可能な
半導体装置の部材の信頼性に関する有用な情報が得られ
る。

【００２３】請求項３の発明が講じた手段は、請求項１
において、上記寿命を、上記半導体装置の部材が破壊す
るまでに注入される破壊電荷量で換算し、上記第２のス
テップでは、上記一定な第１の電気的ストレスの値と上
記半導体装置の部材が破壊するまでに注入される電荷量
との関係を計算し、上記第４のステップでは、上記寿命
の消費割合として、上記各微小時間間隔における第１の
電気的ストレスと上記各微小時間間隔との積を上記各微
小時間間隔における一定な第１の電気的ストレス下での
上記破壊電荷量で徐した値を計算する方法である。

【００２４】請求項３の発明により、半導体装置の部材
が破壊するまでに注入される電荷量をパラメータとして
はその寿命が推定される。従って、特に電荷の蓄積によ
って特性が変化する絶縁膜，半導体性膜等の部材の信頼
性に関する有用な情報が得られることになる。

【００２５】請求項４の発明が講じた手段は、請求項
１，２又は３において、上記第４のステップでは、上記
所定の第２の電気的ストレスの値を一定値とする方法で
ある。

【００２６】請求項４の発明により、第２の電気的スト
レスが一定のときにおける第１の電気ストレスの変化か
ら半導体装置の寿命が推定されるので、第１の電気的ス
トレスを変化させるよりも簡便な推定方法となる。

【００２７】請求項５の発明が講じた手段は、請求項
１，２，３又は４において、上記第１のステップと上記
第３のステップでは、半導体装置の寿命に温度加速係数
を含める方法である。

【００２８】請求項５の発明により、温度の相違によっ
て試験時間が短縮されることを利用した温度加速試験が
行われるので、寿命の推定のための時間がさらに低減さ
れることになる。

【００２９】請求項６の発明が講じた手段は、請求項
１，２，３，４又は５において、上記第１の電気的スト
レスを電流とし、かつ、上記第２の電気的ストレスを電
圧とする方法である。

【００３０】請求項６の発明により、現実に一定の電圧
で制御されることが多い半導体装置において、実際には
短時間で済む定電流試験を行いながら、定電圧試験によ
る定量的かつ正確な寿命の推定が迅速に行われることに
なる。

【００３１】請求項７の発明が講じた手段は、請求項６
において、上記半導体装置の部材を、ゲート絶縁膜とす
る方法である。

【００３２】請求項７の発明により、ＭＯＳＦＥＴのゲ
ート絶縁膜やＴＦＴのゲート絶縁膜の信頼性に関する定
量的かつ正確な情報が短時間で得られることになる。

【００３３】請求項８の発明が講じた手段は、請求項６
において、上記半導体装置の部材を、強誘電体不揮発性
メモリの強誘電体膜とする方法である。

【００３４】請求項８の発明により、情報の書き込み，
消去が繰り返し行われる強誘電体不揮発性メモリの強誘
電体膜の信頼性に関する定量的かつ正確な情報が短時間
で得られることになる。

【００３５】請求項９の発明が講じた手段は、請求項６
において、所定の一定な電圧が印加された状態で半導体
装置の部材に流れる電流は、所定時間が経過するまでは
一定で所定時間が経過した後は時間の−０．４乗に比例
して変化すると近似して、電流の経時変化特性を計算す
る方法である。

【００３６】請求項１０の発明が講じた手段は、請求項
９において、上記寿命推定が行われる半導体装置の部材
をゲート酸化膜で構成したものである。

【００３７】請求項１１の発明が講じた手段は、請求項
１０において、上記ゲート酸化膜の膜厚を６ｎｍ以上と
したものである。

【００３８】請求項９，１０又は１１の発明により、簡
便にかつ迅速に半導体装置の寿命の推定を行うことが可
能となる。

【００３９】請求項１２の発明が講じた手段は、所定の
一定な電圧を半導体装置の金属配線に印加したときに金
属配線が使用不能な状態になるまでの寿命を推定する方
法として、一定な電流を半導体装置内の金属配線に注入
し、上記金属配線の寿命と金属配線が寿命に達するまで
の電圧の経時変化とを測定する第１のステップと、上記
第１のステップで測定された金属配線の寿命に基づい
て、上記金属配線に注入する一定な電流値と上記金属配
線の寿命との関係を計算する第２のステップと、上記第
１のステップで測定された電圧の時間変化に基づいて、
所定の一定な電圧を上記金属配線に印加したときの電流
値の経時変化を計算する第３のステップと、上記第３の
ステップで得られた所定の電圧下における上記電流の経
時変化特性を複数の微小時間間隔に区画し、該各微小時
間間隔における電流値を一定値と近似して、上記第２の
ステップで計算された一定電流下における寿命を上記各
微小時間間隔で消費した割合を計算する第４のステップ
と、上記第４のステップで計算された各微小時間隔にお
ける上記寿命の消費割合を時間的に累積計算し、その値
が所定値に達するまでの各微小時間間隔の和を上記半導
体装置の寿命として決定する第５のステップとを設ける
方法である。

【００４０】請求項１３の発明が講じた手段は、請求項
１２において、上記金属配線の寿命を、金属配線が破断
するまでの時間とし、上記第１のステップでは、複数の
一定な電流を注入し、金属配線を電気的に破断させ、各
々の電流値における上記金属配線の破断に要する時間を
測定する方法である。

【００４１】請求項１２又は１３の発明により、電圧制
御されることが多い半導体装置の金属配線について、定
電流試験と同等の短い試験時間で、実際の動作に近い定
電圧条件下における半導体装置の寿命が正確に推定され
ることになる。

【００４２】請求項１４の発明が講じた手段は、請求項
１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１
２又は１３において、上記第５のステップでは、各微小
時間間隔における寿命の消費割合の累積値が安全係数の
逆数に達したときの各微小時間間隔の和を寿命とする方
法である。

【００４３】請求項１４の発明により、安全係数を考慮
した半導体装置の寿命が推定され、設計や工程上の条件
判断に有用な情報が提供されることになる。

【００４４】

【本発明の実施の形態】

（寿命推定のためのモデル）本発明の実施形態について
説明する前に、まず、本発明に係る寿命推定方法の特徴
部分である電気的ストレスと寿命との相関関係を記述す
るモデルとその正当性とについて説明する。

【００４５】まず、ゲート酸化膜を例にとって、絶縁膜
等に適用される寿命推定方法について説明する。

【００４６】上記図１７ｂに示す従来の定電流注入によ
る評価方法では、ゲート酸化膜に一定の電流Ｊ（Ａ／ｃ
ｍ² ）を注入し、破壊までに要する時間ｔ(sec) を測定
している。そして、電流密度Ｊと時間ｔとの積（Ｊ×
ｔ）を破壊電荷量ＱBD（Ｃ／ｃｍ² ）とし、この値の大
小でゲート酸化膜の信頼性寿命を評価している。つま
り、破壊電荷量ＱBDが大きい方が、ゲート酸化膜の信頼
性寿命は長い。半導体製造プロセスにおいてゲート酸化
膜が受けるダメージは、ほとんどゲート酸化膜にストレ
ス電流が印加されることによるものと考えられ、破壊電
荷量ＱBDの値でそのダメージを示せると考えているので
ある。

【００４７】しかし、この破壊電荷量ＱBDは、同じゲー
ト酸化膜についても測定環境が変わればその値が変化す
る。例えば基板温度や注入する電流密度によって、破壊
電荷量ＱBDが大きく変化することが知られている。その
例を図２及び図３に示す。

【００４８】図２は、破壊電荷量ＱBDの基板温度Ｔに対
する依存性を示す図である。これまでも、破壊電荷量Ｑ
BDの基板温度依存性についてはいくつかの報告がある
が、いずれも図２と同様の傾向を示す。図２において、
横軸は基板温度（Ｋ）の逆数、縦軸は破壊電荷量ＱBDを
示している。

【００４９】また、図３は、破壊電荷量ＱBDの電流密度
Ｊに対する依存性を示す図である。図３において、横軸
は電流密度Ｊ（ｍＡ／ｃｍ² ）、縦軸は破壊電荷量ＱBD
を示している。この破壊電荷量ＱBDの電流密度Ｊに対す
る依存性は以下のように求められる。すなわち、相異な
る一定電流Ｊ1 ，Ｊ2 ，…を注入したとき、ゲート電圧
Ｖｇはストレス時間ｔの経過に対して、図４に示すよう
に変化する。そして、図４に示す各電流密度Ｊ1 ，Ｊ2
，…と各々に対応する破壊時間ｔBD1 ，ｔBD2，…との
積ＱBD1 ，ＱBD2 ，…を求め、（Ｊ1 ，ＱBD1 ），（Ｊ
2 ，ＱBD2 ），…をプロットすることで、図３に示す特
性が得られる。その際、電流密度Ｊの軸を対数メモリに
することで、Ｊ−ＱBDの関数関係は直線特性を示す。破
壊電荷量ＱBDの電流密度Ｊに対する依存性についてはこ
れまで多くの報告があり、おおむね図３に示すような本
発明に係る実験と同様の依存特性が得られている。

【００５０】一方、図５は、定電圧を印加したときにお
ける電流密度ｊの時間変化を示す。図５において、横軸
はストレス時間ｔ(sec) 、縦軸はゲートに流れる電流密
度ｊ（ｍＡ／ｃｍ² ）を示す。定電圧印加によるゲート
酸化膜の寿命推定時には、ゲート酸化膜の経時劣化（例
えば酸化膜中への電荷のトラップ）のために、ゲート酸
化膜を流れている電流密度ｊは減少してゆく。つまり、
ゲート酸化膜を流れる電流密度ｊは時間の関数となり、
ｊ（ｔ）と表現できる。したがって、各測定中のステッ
プにおいて、微小時間間隔△ｔ（sec ）では、見かけ
上、ｊ（ｔ）△ｔ（Ｃ／ｃｍ² ）＝ΔＱBDだけ寿命が消
費されたと考えることができる。しかし、図３に示すよ
うに、一定な電流密度Ｊを注入したときの破壊電荷量Ｑ
BDは電流密度Ｊの値によっても変化するので、図５に示
すΔｔ間隔における実効的な寿命消費量は、Δｔをとる
時刻ｔによって異なってくる。したがって、そのままで
は実効的な寿命消費量を定量化することができない。

【００５１】そこで、我々は、次の定量化のためのモデ
ルを提案する。

【００５２】まず、定電圧印加時の寿命消費が蓄積さ
れ、その累積値がある値に到達するとゲート酸化膜が破
壊するとする。そして、図５に示す定電圧印加時の電流
−時間特性曲線中の各微小時間間隔Δｔにおける電流密
度ｊ（ｔ）を一定値Ｊと近似し、ある時刻ｔと時刻（ｔ
＋Δｔ）との間の微小時間間隔Δｔにおける実効的寿命
消費割合をｊ（ｔ）△ｔ／ＱBD（Ｊ）（ただし、Δｔ間
では、ｊ（ｔ）＝Ｊ）と定義する。ここで、破壊電荷量
ＱBD（Ｊ）は、一定な電流密度Ｊをゲート酸化膜に印加
した時の破壊電荷量ＱBDを示す。すなわち、各微小時間
間隔Δｔにおいて、ｊ（ｔ）△ｔ／ＱBD（Ｊ）の”割
合”だけ寿命が消費されると考える。例えば図５に示す
時刻ｔにおける電流密度ｊ（ｔ）は約４（ｍＡ／ｃ
ｍ² ）であるが、図３に示す電流密度Ｊ＝４（ｍＡ／ｃ
ｍ² ）の位置における破壊電荷量ＱBDに対してΔＱBD
（＝ｊ（ｔ）△ｔ）だけ寿命が消費される。そして、こ
の実効的寿命消費割合ΔＱBD／ＱBDが、定電圧の印加中
に変化する各電流密度ｊ（ｔ）について蓄積され、最終
的にその累積和が１になった時に、ゲート酸化膜が破壊
すると考えるのである。この関係は、下記式（１） Σ｛ｊ（ｔ）Δｔ／ＱBD（Ｊ）｝＝１ （１） で表される。すなわち、ゲート酸化膜が本来有している
寿命を少しずつ（例えば２％，３％，....と）消費して
ゆき、それらの和が「１」に達する時間つまり各微小時
間間隔Δｔの和がｔBDのときに寿命を１００％使い切っ
たと考えるのである。

【００５３】なお、信頼性保証という考えのもとで、安
全係数Ｓを取り入れてもよい。その場合、上記式（１）
の右辺の「１」を１／Ｓで置き換えればよい。あるい
は、式（１）の右辺の「１」を、材質に特有の値に置き
換えてもよい。

【００５４】また、半導体装置の部材の寿命は、必ずし
も破壊に要する時間でなければならないことはない。例
えばゲート酸化膜にある電荷量Ｑが注入されたときに、
ゲート酸化膜自体は破壊していなくても、経験的にその
状態では使用不能と判断して、そのときまでの時間を寿
命ｔBDと設定するようなことも可能である。これは、後
述のＥＭ評価においても同様である。

【００５５】さらに、実効的寿命消費割合として、ｊ
（ｔ）△ｔを破壊電荷量ＱBDで徐した値の代わりに、微
小時間間隔Δｔを一定電流Ｊ下における寿命ｔBD（Ｊ）
で徐した値△ｔ／ｔBD（Ｊ）を積算しても、数学的には
全く同値である。すなわち、上記式（１）において、ｊ
（ｔ）／ＱBD（Ｊ）＝１／ｔBD（Ｊ）であることから、
下記式（２） Σ｛Δｔ／ｔBD（Ｊ）｝＝１ （２） を用いてもよいことがわかる。

【００５６】その場合、後述するが、図７に示すｔBD−
Ｊ特性を利用すれば容易に求まる。このｔBD−Ｊ特性
は、上記図４に示す一定な電流密度Ｊ1 ，Ｊ2 ，…の値
とそれに対応する寿命ｔBD1 ，ｔBD2 ，…との関係から
求められる。そして、例えば図４の時刻ｔ−ｔ＋Δｔ間
の微小時間間隔Δｔにおいては、図７に示す一定電流密
度４（ｍＡ／ｃｍ² ）のときの寿命ｔBDがΔｔだけ消費
されたと考えると、上記破壊電荷量ＱBDをパラメータと
して計算したときとまったく同様に扱いうる。

【００５７】ところで、式（１）を使って、定電圧を印
加したときのゲート酸化膜の寿命ｔBDを推定するには、
所定の電圧を印加したときの電流密度の経時変化ｊ
（ｔ）がわかっている必要がある。以下、ゲート酸化膜
の寿命を推定する場合を例にとって、ｊ（ｔ）の決定方
法について説明する。

【００５８】上述のように、電流密度ｊが時間ｔの関数
となるのは、ゲート酸化膜に外部から電界を印加する
と、ゲート酸化膜中に電子のトラップなどの欠陥が発生
し、ゲート酸化膜自身が経時劣化することに起因する。
この経時劣化による電流密度Ｊ（ｔ）は、文献(I.-C.Ch
enら、IEEE Trans. On Electron Devices, vol.ED-32,N
o.2,1985,p.413、以下文献１と記す) によれば、初期の
ゲート酸化膜中のトラップ密度、そのトラップへの電子
の捕獲断面積、新たにゲート酸化膜中にトラップが形成
される速度、その新たに生成されたトラップへの電子の
捕獲断面積、及び電子が捕獲されている位置に基づき計
算できる。また、後述するが、このモデルの正当性を示
す実施例においても確認されている。

【００５９】具体的には、下記基本方程式から求められ
る。

【００６０】すなわち、ゲート酸化膜のFowler-Nordhei
m 特性は下記式（３） Ｊ＝ＡＦ² ・exp （−Ｂ／Ｆ） （３） で表される。また、トラップ電子の発生速度ｎt は下記
式（４）〜（６） ｎt ＝ｎp ＋ｎg （４） dｎp ／dt＝｛ｊ（ｔ）／ｅ｝・σ・（Ｎpt−ｎp ） （５） dｎg ／dt＝｛ｊ（ｔ）／ｅ｝・σg ・｛∫（Ｇ・ｊ（ｔ）／ｅ）dt−ｎg ｝ （６） で表される。ただし、上記式（６）中で「∫」は０から
ｔまでの積分を示す。さらに、トラップ電子によるゲー
ト酸化膜中の実効電界強度の低下を特性は下記式（７） Ｆ＝（Ｖg ／ｔox）−（ｅ・ｎt ／εo εox）｛１−（χ／ｔox）｝（７） で表される。

【００６１】ただし、上記各式（３）〜（７）におい
て、Ａ，Ｂは定数，Ｆはゲート酸化膜中の電界強度（Ｍ
Ｖ／ｃｍ）、ｎt は全電子トラップ密度（ｃｍ^-2）、ｎ
p は既存の電子トラップ密度、ｎg は新たに生成された
電子トラップ密度、Ｎptは既存のトラップ密度、σはト
ラップ（Ｎpt）への捕獲断面積（ｃｍ² ）、σg は新た
に生成されたトラップへの捕獲断面積、ｇはトラップの
発生率、Ｖg はゲート電極への印加電圧（Ｖ）、ｔoxは
ゲート酸化膜の厚み（ｃｍ）、εo は真空の誘電率、ε
oxはゲート絶縁膜（ＳｉＯ2 ）の誘電率、χはトラップ
セントロイド（ｃｍ）である。上記パラメータのうちゲ
ート酸化膜の形成条件・膜質に依存するパラメータは、
Ａ，Ｂ，Ｎptの３種類であり、その他のパラメータは、
既知である。

【００６２】ここで、ゲート酸化膜の膜厚ｔoxを８ｎｍ
とし、図４のａ点，ｂ点ではゲート電流４，２０ｍＡに
対しゲート電圧が９．８Ｖ，１１．２Ｖであるという条
件を使用すると、上記式（３）からＡ，Ｂが求められ、
ｊ（０）が決定される。この数値に対しては、Ａ＝５．
２×１０^-6，Ｂ＝３．２×１０⁸ 、Ｎpt＝２．５×１０
¹²となる。

【００６３】次に、式（４），（５）において、時刻ｔ
＝０からΔｔだけ経過したときの状態は、下記式 ｎp （Δｔ）＝σ｛ｊ（０）／ｅ｝｛Ｎpt−ｎp （０）｝ ｎg （Δｔ）＝σg ｛ｊ（０）／ｅ｝ ・｛（Ｇ／ｅ）ｊ（０）Δｔ−ｎg （０）｝ で表される。ただし、ｎp （０）＝ｎg （０）＝０であ
る。この各式を上記式（７）に代入すると、下記式 Ｆ（Δｔ）＝（Ｖg ／ｔox）−（ｅ・ｎt （Δｔ）／εo εox） ・｛１−（χ／ｔox）｝ が得られる。したがって、上記式（３）から、ｊ（Δ
ｔ）が求められることになる。

【００６４】次に、微小時間２Δｔ経過後の状態も同じ
ように計算され、 ｎp （２Δｔ）＝σ｛ｊ（Δｔ）／ｅ｝・｛Ｎpt−ｎp （Δｔ）｝ ｎg （２Δｔ）＝σg ｛ｊ（Δｔ）／ｅ｝・［（Δｔ／ｅ）｛Ｇｊ（０） ＋Ｇｊ（Δｔ）｝−ｎg （Δｔ）］ で表される。この各式を上記式（７）に代入すると、下
記式 Ｆ（２Δｔ）＝（Ｖg ／ｔox）−｛ｅ・ｎt （２Δｔ）／εo εox｝ ・｛１−（χ／ｔox）｝ が得られる。そして、上記式（３）から、ｊ（２Δｔ）
が求められる。

【００６５】さらに、微小時間３Δｔ経過後の状態も同
じように計算され、下記式で表される。

【００６６】 ｎp （３Δｔ）＝σ｛ｊ（２Δｔ）／ｅ｝・｛Ｎpt−ｎp （２Δｔ）｝ ｎg （３Δｔ）＝σg ｛ｊ（２Δｔ）／ｅ｝・［（Δｔ／ｅ）｛Ｇｊ（０）＋ Ｇｊ（Δｔ）＋Ｇｊ（２Δｔ）｝−ｎg （Δｔ）］ で表される。この各式を上記式（７）に代入すると、下
記式 Ｆ（３Δｔ）＝（Ｖg ／ｔox）−｛ｅ・ｎt （３Δｔ）／εo εox｝ ・｛１−（χ／ｔox）｝ が得られる。そして、上記式（３）から、ｊ（３Δｔ）
が求められる。

【００６７】すなわち、順次ｊ（０），ｊ（Δｔ），ｊ
（２Δｔ），ｊ（３Δｔ），…を決定して行き、最終的
に図５のようなｊ（ｔ）曲線が求まる。

【００６８】さらに、上記電流密度ｊ（ｔ）は、下記の
ように近似的に表現できることが判った。すなわち、図
１１に示すように、電流密度ｊ（ｔ）が時間ｔに対して
ｔ^{-0 .4}に依存することが実験的に確かめられた。図１１
は、図５に示す電流密度の時間変化特性を、印加する一
定の電圧を−１０．４Ｖ，−１０．０Ｖ，−９．６Ｖ，
−９．２Ｖと４段階に変化させ、かつ縦軸を電流密度ｊ
（ｔ）の対数とし、横軸を時間ｔの対数として表現した
ものである。この印加する電圧にも依存するが、同図の
破線との交点（印加電圧が−１０．０Ｖのときには約１
００sec ，印加電圧が−９．６Ｖのときには約１０００
sec ，印加電圧が−９．２Ｖのときには１００００sec
の点）付近までの初期の段階においては、ｊ（ｔ）は略
一定と見なすことができ、かつ交点以降においてはｊ
（ｔ）はｔ^-0.4に略比例することが示されている。な
お、同図に示す特性は、ゲート面積が５μｍ² で、ゲー
ト酸化膜の厚みが８ｎｍのサンプルに対して得られた値
である。ただし、他のサンプルに対しても、同様の傾向
が得られている。

【００６９】したがって、後述のように、この結果を利
用して、極めて迅速かつ簡易に電流密度ｊ（ｔ）を推定
することも可能である。

【００７０】また、式（１）における破壊電荷量ＱBD値
の一定な電流密度Ｊに対する依存性は、必要であれば、
定電圧印加による評価よりも短い時間で求めることがで
きる。例えば、３点測定なら、表１に示すように１０⁴
sec オーダーの時間で充分に行える。

【００７１】したがって、定電流試験によって予め破壊
電荷量ＱBD（Ｊ）を、求め、この破壊電荷量ＱBDを式
（１）に代入することで、ゲート酸化膜の信頼性寿命を
従来より短い時間で、定量的かつ正確に推定できるので
ある。

【００７２】以下、このようなモデルに従って寿命推定
を行う方法に関する各実施形態について説明する。

【００７３】（第１の実施形態）図１は、上述のモデル
にしたがったゲート酸化膜等の寿命推定方法の基本的な
フローチャートを示す図である。

【００７４】まず、ステップＳＴ３１で、ゲート酸化膜
に何通りかの第１の電気的ストレスである一定電流Ｊ1
，Ｊ2 ，…を注入し、破壊までに要する時間ｔBD(sec)
とゲート酸化膜が破壊するまでのゲート電圧Ｖg の時
間変化Ｖg （ｔ）とを測定する。つまり、上記図４に示
すような各電流値Ｊ1 ，Ｊ2 ，…に対するゲート電圧Ｖ
g の時間ｔの経過に対する変化Ｖg （ｔ）と、破壊する
までに注入した電荷量（破壊電荷量）ＱBD1 ，ＱBD2 ，
ＱBD3 とを求める。

【００７５】次に、ステップＳＴ３２で、図３に示すよ
うな破壊時間ＱBDの一定電流密度Ｊに対する依存性つま
りＱBD（Ｊ）を決定する。一方、ステップＳＴ３３で、
図５に示すような定電圧下における電流密度ｊのストレ
ス時間ｔの経過に対する変化つまりｊ（ｔ）を上述の式
（３）〜（７）を使用した手順によって推定する。

【００７６】次に、ステップＳＴ３４で、上記式（１）
に基づいて、各微小時間間隔Δｔにおける実効的寿命消
費割合を累積計算して、その和が「１」となるまでの微
小時間間隔Δｔの総和である寿命ｔBDを計算する。

【００７７】そして、ステップＳＴ３５で、適当な安全
係数１／Ｓを乗じる等して、ゲート酸化膜の信頼性寿命
を決定する。

【００７８】図１に示す方法では、評価に要する時間の
うち、大半は破壊電荷量ＱBD（Ｊ）の測定に要する時間
であり、この測定は一定な電流をゲート酸化膜に注入す
ることにより行われるので、従来の定電圧印加試験に比
べ、表１からもわかるように、実際の使用に即した試験
方法でありながら、評価時間を約１０分の１にまで短縮
できる。

【００７９】（第２の実施形態）次に、図６は、破壊電
荷量ＱBDを求めることなく、一定電流印加時の寿命ｔBD
から直接半導体装置の寿命を推定する場合のフローチャ
ートを示す図である。

【００８０】まず、ステップＳＴ４１で、各一定電流Ｊ
1 ，Ｊ2 ，…を印加したときの寿命ｔBD1 ，ｔBD2 ，…
と図４に示すＶg （ｔ）特性を測定する。

【００８１】次に、ステップＳＴ４２で、上記ステップ
ＳＴ４１における測定結果から、図７に示すｔBD（Ｊ）
を決定する。同時に、ステップＳＴ４３で、上述の式
（３）〜（７）を使用して、ｊ（ｔ）特性を求める。

【００８２】次に、ステップＳＴ４４で、一定電圧に対
するｊ（ｔ）特性及び図７のｔBD−Ｊ特性を利用して、
各微小時間間隔Δｔにおける実効的寿命消費割合の和Σ
｛Δｔ／ｔBD（Ｊ）｝を累積演算し、その値が「１」と
なるまでの微小時間間隔Δｔの総和ｔBDを計算する。

【００８３】そして、ステップＳＴ４５で、寿命ｔBDに
適当な安全係数１／Ｓを乗じてゲート酸化膜の信頼性寿
命を決定する。

【００８４】（第３の実施形態）次に、第３の実施形態
について説明する。本実施形態では、ＥＭ評価方法に関
するモデルについて説明する。

【００８５】ＥＭ評価においても、上述のゲート酸化膜
の破壊に関するモデルと同様のモデルが考えられる。い
ま、図９に示すように、一定電流Ｊを注入したときの破
壊（破断）までの時間をｔBDとする。ＥＭ評価の場合、
破壊時間ｔBDの電流密度Ｊに対する依存性は、下記式
（８） ｔBD＝Ａ×Ｊ^(-n)×ｅｘｐ（Ｅ／ｋＴ） （８） で表される。ここで、ｎは通常「２」の指数、Ｅは活性
化エネルギー、Ｔは基板温度を示す。

【００８６】一方、定電圧印加時に金属配線に流れる電
流密度ｊの時間変化ｊ（ｔ）は、図１０に示すものにな
る。すなわち、電流を注入したときから非常に緩やかに
減少してゆき、破壊前に急激に減少する。したがって、
各微小時間間隔Δｔでの電流密度ｊ（ｔ）を一定値Ｊと
近似して、この一定電流値Ｊを式（８）に代入すると、
破壊時間ｔBD（以下、ｔ（Ｊ）とする）が決定される。
そして、式（２）を用いて実効的寿命消費割合△ｔ／ｔ
BD（Ｊ）の累積和を計算すれば、定電圧印加時の寿命ｔ
BDを推定することができる。

【００８７】図８は、金属配線の信頼性寿命決定の手順
を示し、ステップＳＴ５１で定電流の注入を行って、図
９に示す抵抗値ｒの経時変化ｒ（ｔ）を測定し、抵抗値
ｒが急激に上昇するときを寿命ｔBDとして測定する。

【００８８】次に、ステップＳＴ５２で、式（８）に上
記測定結果を代入して、係数Ａを求め、寿命ｔBDの電流
Ｊに対する依存性ｔBD（Ｊ）を決定する。同時に、ステ
ップＳＴ５３で、定電圧印加時の電流密度ｊの経時変化
ｊ（ｔ）を推定し、ステップＳＴ５４で、式（８）を利
用して各電圧に対し、実効的寿命消費割合｛Δｔ／ｔBD
（Ｊ）｝を累積計算し、累積和が「１」になるときを寿
命ｔBDとする。

【００８９】そして、ステップＳＴ５５で、安全係数１
／Ｓを乗じる等して、金属配線の信頼性寿命を決定す
る。

【００９０】（第４の実施形態）次に、図１２は、上記
図１１に示す特性を利用して近似的に電流密度ｊ（ｔ）
を決定し、これを用いて寿命推定を行う場合のフローチ
ャートを示す。

【００９１】この場合、電流密度ｊ（ｔ）を所定時間が
経過するまでは一定とし、所定時間が経過した後は、下
記式 ｊ（ｔ）＝ｋ×ｔ^-0.4 で近似する。

【００９２】その場合、ステップＳＴ６１〜ステップＳ
Ｔ６４に示す手順で寿命推定を行う。この手順は、上記
図１に示す手順とステップＳＴ３３がない点を除けば一
致する。すなわち、ステップＳＴ６１で破壊電荷量ＱBD
を求める際に、上式の定数ｋがＪ対Ｖの関係から決定さ
れるので、図１１に示す関係も決定される。その結果、
上記式（１）からただちに寿命が推定される。したがっ
て、本実施形態では、上記図１のステップＳＴ３３に示
す処理は不要となり、非常に簡便に寿命推定を行うこと
ができる。

【００９３】

【実施例】

（第１実施例）以下、上記モデルを利用した実施例につ
いて説明する。まず、第１実施例の半導体装置の寿命推
定装置とその方法について、図面を参照しながら説明す
る。

【００９４】図１３において、各符号は以下の部材を示
す。１０は半導体基板、２０は半導体基板１０上に形成
されたゲート酸化膜、２１はゲート酸化膜２０の上に形
成されたゲート電極を示し、半導体基板１０−ゲート酸
化膜２０−ゲート電極２１によりＭＯＳキャパシタが形
成されている。ここでは、ゲート電極２１の面積は５μ
ｍ² であり，ゲート酸化膜２１の膜厚は８ｎｍである。
また、１１はウエハステージ、１２はウエハステージ１
１の温度を調節する温度調整機構、１３は電流源、１４
は電圧モニター、１５はゲート電極２１に電流を印加す
るためのプローブ、１６は半導体基板１０を接地させる
ためのプローブ、１７はゲート酸化膜２０が破壊したと
きを判定して電流注入を停止する制御系、１８はモニタ
ーを示す。なお、半導体基板１０を接地させるには、ウ
エハステージ１１の側から行なってもよい。

【００９５】まず、図１のフローチャートに示す手順に
従い、ＭＯＳキャパシタが形成された半導体基板１０上
のゲート電極２１に電流源１３より定電流注入を行な
う。注入する電流密度は、例えば、４，２０，１００ｍ
Ａ／ｃｍ² の３種類である。この時、ＭＯＳキャパシタ
のゲート酸化膜にかかっているゲート電圧を電圧モニタ
ー１４を用いて時間に対してプロットし、破壊電荷量Ｑ
BDを測定する。この関係は、図３に示されている。ここ
で、図３における破壊電荷量ＱBDと一定な電流密度Ｊと
の関係ＱBD（Ｊ）を、下記式（９） ＱBD（Ｊ）＝Ｋ1 ーＫ2 ｌｎＪ（ｔ） （９） と仮定すると、Ｋ1 ＝５２．２、Ｋ2 ＝８．２１が得ら
れた。

【００９６】また、破壊電荷量ＱBDの測定と同時にモニ
ターされるゲート電圧Ｖg の時間に対する変化（具体的
には、電圧−時間特性の傾き）を利用して、新たにゲー
ト酸化膜中にトラップが生成される速度を算出する。破
壊電荷量ＱBDの注入電流密度Ｊに対する依存性と、各ゲ
ート酸化膜のパラメータとから、式（３）〜（７）を使
用して、定電圧下における電流密度ｊの時間変化ｊ
（ｔ）を求める。さらに、式（１）を用い、使用時に印
加される電界強度が１０ＭＶ／ｃｍと想定し、寿命推定
を行なった。

【００９７】図１４は、計算した一定電圧印加時のゲー
ト電流の経時変化を示す。また、表２は、計算に使用し
た各パラメータを示している。基本とした計算式は文献
１を参考にした。

【００９８】

【表２】 ただし、上記表２において、Ｎptは既存のゲート酸化膜
中のトラップ密度、ｇはトラップの生成率、σは既存の
トラップへの電子の捕獲断面積、σp は新たに生成され
たトラップへの電子の捕獲断面積を示す。

【００９９】その結果、ゲート酸化膜の寿命は、使用電
圧１０ＭＶ／ｃｍのとき、３．２２×１０⁴ (sec) と推
定された。この値は、実際に、定電圧印加による寿命測
定値( ３．４７×１０⁴ (sec) ）とほぼ一致している。
さらに、印加電界強度が９ＭＶ／ｃｍ、１０ＭＶ／ｃｍ
の時のゲート酸化膜の寿命は、１．１５×１０⁵ (sec)
、６．００×１０⁶ (sec) と求められた。これらによ
り、この半導体装置の実動作領域での寿命は、１００年
を保証していることがわかった。上記の評価に要した時
間は約４時間で、従来の定電圧印加方法に要する約４０
時間に比べ、１０分の１まで低減できた。また、評価結
果もほぼ等しく、正確であることがわかった。

【０１００】さらに、必要なら上記の方法に温度加速を
行なえば、測定結果の精度は低下するが、評価時間は大
幅に短縮される。本実施例に付随して行った実験では、
加速係数を決定する活性化エネルギーは０．１５５ｅＶ
となり、評価時間は本実施例における評価時間の約１／
３になる。

【０１０１】また、安全係数として２を採用した場合、
寿命推定値は、１．０５×１０⁴ (sec) となり、安全係
数を考慮した推定も可能になる。

【０１０２】（第２実施例）次に、第２実施例では、上
記第１実施例と同様に調整されたサンプルを使用しなが
ら、図１２に示すフローチャートに従い寿命推定を行っ
た。

【０１０３】まず、ＭＯＳキャパシタが形成された半導
体基板１０上のゲート電極２１に電流源１３から一定値
の電流を注入する。注入される電流密度は、例えば、
４，２０，１００ｍＡ／ｃｍ² の３種類である。このと
き、ＭＯＳキャパシタのゲート酸化膜に印加されるゲー
ト電圧を電圧モニター１４を用いて時間に対してプロッ
トし、破壊電荷量ＱBDを測定する。この関係は、第１実
施例と同様に、図３に示されている。ここで、図３にお
ける破壊電荷量ＱBDと一定の電流密度との関数関係ＱBD
（Ｊ）を、下記式 ＱBD（Ｊ）＝Ｋ1 ーＫ2 ｌｎＪ（ｔ） （９） と仮定すると、Ｋ1=５２．５、Ｋ2 ＝８．２１が得られ
た。

【０１０４】また、図１１に示す結果に基づき、ｊ
（ｔ）として電圧強度が−１０．０Ｖのときを想定し、 ｊ（ｔ）＝ｊ（０） （ｔ＜１００sec ） ｊ（ｔ）＝ｊ（０）×（ｔ／１００）^-0.4 （ｔ＞１００sec ） として寿命推定を行った。ｊ（０）の値はＱBDの測定時
に得られる。

【０１０５】その結果、ゲート酸化膜の寿命は、電圧Ｖ
が−１０．０Ｖのときには、３．７１×１０⁴ と推定さ
れた。この値は、実際に低電圧印加による寿命推定を行
った結果得られた測定値（３．４７×１０⁴ sec)と略一
致している。さらに、印加電界強度が−９．６Ｖ、−
９．２Ｖのときのゲート酸化膜の寿命は、ｊ（ｔ）を下
記のように設定することで求められた。

【０１０６】−９．６Ｖのときには、 ｊ（ｔ）＝ｊ（０） （ｔ＜１０００sec ） ｊ（ｔ）＝ｊ（０）×（ｔ／１０００）^-0.4 （ｔ＞１０００sec ） とする。

【０１０７】−９．２Ｖのときには、 ｊ（ｔ）＝ｊ（０） （ｔ＜１００００sec ） ｊ（ｔ）＝ｊ（０）×（ｔ／１００００）^-0.4 （ｔ＞１００００sec ） とする。

【０１０８】これによって、印加電圧が−９．６Ｖのと
きには寿命が１．３３×１０⁵ secと、印加電圧が−
９．２Ｖの時は寿命が５．７０×１０⁶ sec と推定され
た。これらの結果から、この半導体装置の実動作領域に
おける寿命は、第１実施例と同様に、１００年を保償し
ていることがわかった。上記評価を行うために要した時
間は約３．５時間であり、従来の定電圧印加方法に要す
る約４０時間に比べ、１０分の１以下に低減できる。ま
た、評価結果も定電圧印加テストと略等しく、この近似
による方法は正確であることがわかった。すなわち、本
実施例では、上記第１実施例に比べ簡便に寿命推定を行
うことができ、さらに評価時間の短縮を図ることができ
る利点がある。

【０１０９】なお、必要に応じて温度加速を行うこと
で、測定結果の精度は多少低下するものの、評価時間の
短縮を図ることができる。その場合、第１実施例と同様
に、加速係数を決定する活性化エネルギーは０．１５５
ｅＶであり、評価時間は本実施例における評価時間の約
１／３にまで短縮できる。

【０１１０】また、安全係数として２を採用した場合、
寿命推定値は、１．８６×１０⁴ sec となり、安全係数
を考慮した推定も可能となる。

【０１１１】（第３実施例）次に、第３実施例について
図面を参照しながら説明する。

【０１１２】本実施例では、図１５に示す液晶表示パネ
ルに使用されるＴＦＴの寿命を評価した。評価に使用し
た装置は図１３に示す装置と同様である。図１５におい
て、符号１００はガラス基板、符号１０１はゲート電
極、符号１０２はゲート酸化膜（１００ｎｍ）、符号１
０３は半導体として機能するアモルファスシリコン膜、
符号１０４は導電性部材として機能するｎ+ アモルファ
スシリコン膜をそれぞれ示す。

【０１１３】まず、ゲート酸化膜１０２に一定電流を注
入する。注入する一定の電流密度Ｊは、０．１、１、１
０ｍＡ／ｃｍ² の３種類である。この時、ゲート酸化膜
１０２に印加されているゲート電圧Ｖg を時間に対して
プロットするとともに、破壊電荷量ＱBDを測定する。こ
の電流密度Ｊと破壊電荷量ＱBDの関係を得ると、式
（８）を適用し、第１実施例と同様の手続きにより、印
加される電界強度が３ＭＶ／ｃｍと想定し、寿命推定を
行なった。

【０１１４】その結果、ＴＦＴのゲート酸化膜１０２の
寿命は３ＭＶ／ｃｍにおいて、１．５０×１０³ (sec)
と求められた。なおこの値は、実際に、定電圧印加によ
る寿命測定値（１．６１×１０³ (sec) ）とほぼ一致し
ている。我々は、２ＭＶ／ｃｍ時の場合も、推定値と測
定値が誤差±１０％程度の範囲で一致していることを確
かめることができた。また、推定に要した時間は３００
sec 程度で、実際の所要時間の約２０％である。

【０１１５】（第４実施例）次に、ＥＭの評価に係る第
４実施例について、図面を参照しながら説明する。

【０１１６】図１６は、ＥＭの評価に使用した配線パタ
ーンを示す平面図である。金属配線１１０は、Ａｌ−Ｓ
ｉ−Ｃｕからなり、厚さは５００ｎｍ、配線幅は０．６
μｍである。基板温度は１００℃に設定している。

【０１１７】本実施例では、上記図８に示すフローチャ
ートの手順に従い、金属配線１１０に、電流密度２．０
×１０⁵ （Ａ／ｃｍ² ）で、一定電流Ｊを注入する。そ
の後、図９に示すように、金属配線１１０が破断される
までの時間（抵抗値が急激に上昇する時間）ｔBDを測定
した後、上記式（８）を用いると、ｔBDとＪとの関係が
得られる。（活性化エネルギーは０．６ｅＶとする。） 次に、一定電圧を印加した時の、電流値の経時変化を計
算する。本発明に係るこれまでの実験結果より、電流ｊ
と時間ｔの関係が、下記式 ｊ＝ｊ0 ーＢ×ｌｎｔ で表されることが判明している。そこで、印加される電
圧強度が０．３Ｖと想定し、寿命推定を行なった結果、
４．２０×１０³ （ｈ）と求められた。なおこの値は、
実際に、図１０に示す定電圧印加による寿命推定値
（３．９×１０³ （ｈ））とほぼ一致している。この方
法により、これまでできなかったデバイス動作に近い定
電圧印加時の寿命という概念を導入することができ、よ
り短時間で正確な寿命推定が可能となる。

【０１１８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、半導体装置の
寿命推定方法として、第１の電気的ストレスを複数通り
半導体装置の部材に印加して各条件下における寿命とそ
のときの第２の電気的ストレスの経時変化とを測定し、
一定な第１の電気的ストレス値と寿命との関係を把握す
るとともに、所定の第２の電気的ストレスを印加したと
きの第１の電気的ストレスの経時変化を推定して、この
経時変化特性での各微小時間間隔における寿命の消費割
合を累積計算することで、第２の電気的ストレス下にお
ける半導体装置の寿命を推定するようにしたので、第２
の電気的ストレスによる試験が実用上困難なときにも、
半導体装置の部材の種類，特性に応じた定量的，迅速か
つ正確な寿命の推定を行うことができる。

【０１１９】請求項２の発明によれば、半導体装置の寿
命を推定するパラメータとして、半導体装置の部材が破
壊するまでの時間を用いたので、破壊するまで使用可能
な半導体装置の部材の信頼性に関する有用な情報を得る
ことができる。

【０１２０】請求項３の発明によれば、半導体装置の寿
命を推定するパラメータとして、半導体装置の部材が破
壊するまでに注入される電荷量を用いたので、特に電荷
の蓄積によって特性が変化する絶縁膜，半導体性膜等の
部材の信頼性に関する有用な情報を得ることができる。

【０１２１】請求項４の発明によれば、第２の電気的ス
トレスが一定のときにおける第１の電気ストレスの変化
から半導体装置の寿命を推定するようにしたので、より
簡便に半導体装置の寿命を推定することができる。

【０１２２】請求項５の発明によれば、温度の変化によ
る加速試験を併用するようにしたので、寿命の推定のた
めの試験時間のいっそうの短縮を図ることができる。

【０１２３】請求項６の発明によれば、各請求項におけ
る第１の電気的ストレスを電流とし、第２の電気的スト
レスを電圧としたので、現実に一定の電圧で制御される
ことが多い半導体装置において、短い試験時間で信頼性
についての定量的かつ正確な情報を得ることができる。

【０１２４】請求項７の発明によれば、寿命を推定する
部材をゲート絶縁膜としたので、ＭＯＳＦＥＴのゲート
絶縁膜やＴＦＴのゲート絶縁膜の信頼性に関する定量的
かつ正確な情報を短時間で得ることができる。

【０１２５】請求項８の発明によれば、寿命を推定する
部材を強誘電体不揮発性メモリの強誘電体膜としたの
で、情報の書き込み，消去が繰り返し行われる強誘電体
不揮発性メモリの強誘電体膜の信頼性に関する定量的か
つ正確な情報を短時間で得ることができる。

【０１２６】請求項９，１０又は１１によれば、請求項
６において、定電圧下における電流を所定時間が経過す
るまでは一定で所定時間が経過した後は時間の−０．４
乗に比例して変化すると近似して電流の経時変化特性を
計算するようにしたので、簡便にかつ迅速に半導体装置
の寿命の推定を行うことができる。

【０１２７】請求項１２又は１３の発明によれば、電圧
制御されることが多い半導体装置の金属配線の寿命の推
定方法として、一定電流を金属配線に注入して寿命と電
圧の経時変化とを測定し、一定電流の値と金属配線の寿
命との関係を把握するとともに、一定電圧下における電
流の経時変化を推定し、この経時変化での微小時間間隔
における寿命の消費割合を累積演算して、金属配線の寿
命を推定するようにしたので、定電流試験と同等の短い
試験時間で、実際の動作に近い定電圧条件下における半
導体装置の寿命を正確に推定することができる。

【０１２８】請求項１４の発明によれば、安全係数を考
慮して半導体装置の寿命を推定するようにしたので、設
計や工程上の条件判断に有用な情報の提供を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ゲート酸化膜の寿命を判断するパラメータとし
て破壊電荷量を用いた場合の寿命推定手順を示すフロー
チャート図である。

【図２】破壊電荷量ＱBDの基板温度依存性を示す特性図
である。

【図３】一定電流注入試験下における破壊電荷量ＱBDと
電流値との関係を示す特性図である。

【図４】一定電流注入試験下におけるゲート電圧の経時
変化の例を示す特性図である。

【図５】一定電圧印加条件におけるゲート酸化膜を流れ
る電流密度とストレス時間との関係をしめす特性図であ
る。

【図６】ゲート酸化膜の寿命を判断するパラメータとし
て破壊時間を用いた場合の寿命推定手順を示すフローチ
ャート図である。

【図７】一定電流注入試験下における破壊時間ｔBDと電
流値との関係を示す特性図である。

【図８】金属配線の寿命を判断するパラメータとして破
壊時間を用いた場合の寿命推定手順を示すフローチャー
ト図である。

【図９】定電流注入時の金属配線の抵抗値の経時変化を
示す特性図である。

【図１０】定電圧印加時の金属配線の電流値の経時変化
を示す特性図である。

【図１１】縦軸及び横軸を対数目盛で表示した場合の電
流密度−時間の関係を示す特性図である。

【図１２】電流密度の時間変化特性を近似し、ゲート酸
化膜の寿命を判断するパラメータとして破壊電荷量を用
いた場合の寿命推定手順を示すフローチャート図であ
る。

【図１３】第１実施例に係る半導体装置の寿命推定に用
いた半導体装置の断面及び装置の構成を概略的に示す図
である。

【図１４】定電圧印加時のゲート酸化膜に流れる電流密
度の経時変化の計算結果を示す図である。

【図１５】第２実施例に使用したＴＦＴの構造を概略的
に示す断面図である。

【図１６】第３実施例に使用したＥＭ評価用配線のパタ
ーンを示す平面図である。

【図１７】従来の半導体装置の寿命推定におけるランプ
電圧印加による評価，定電圧印加による評価，及び定電
流注入による評価の手順をそれぞれ示すフローチャート
図である。

【符号の説明】

１０ 半導体基板 １１ ウェハステージ １２ 温度調節機構 １３ 電流源 １４ 電圧モニター １５，１６ プローブ １７ 制御系 ２０ ゲート酸化膜 ２１ ゲート電極 １００ ガラス基板 １０１ ゲート電極 １０２ ゲート酸化膜 １０３ アモルファスシリコン膜 １０４ ｎ+ アモルファスシリコン膜 １１０ 金属配線

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の部材に電流，電圧等の電気
   的ストレスを印加した場合に上記部材が使用不能な状態
   になるまでの時間を寿命とし、第１の電気的ストレスを
   印加した試験を利用して第２の電気的ストレスを印加し
   た場合における上記半導体装置の寿命を推定する方法で
   あって、 複数通りの一定な第１の電気的ストレスを半導体装置の
   部材に注入し、それぞれの一定な第１の電気的ストレス
   下における半導体装置の寿命とその間の第２の電気的ス
   トレスの値の経時変化とを測定する第１のステップと、 上記第１のステップで測定されたそれぞれの一定な第１
   の電気的ストレス下における寿命の測定結果に基づい
   て、上記半導体装置の部材に注入する一定な第１の電気
   的ストレスの値と当該第１の電気ストレス下における半
   導体装置の寿命との関係を計算する第２のステップと、 上記第１のステップで測定された第２の電気的ストレス
   の値の経時変化に基づいて、所定の第２の電気的ストレ
   スを上記半導体装置の部材に印加した場合の第１の電気
   的ストレスの値の経時変化特性を計算する第３のステッ
   プと、 上記第３のステップで得られた上記所定の第２の電気的
   ストレス下における上記第１の電気的ストレスの経時変
   化特性を複数の微小時間間隔に区画し、該各微小時間間
   隔における第１の電気的ストレスの値を一定値と近似し
   て、上記第２のステップで計算された一定な第１の電気
   的ストレス下における寿命を上記各微小時間間隔で消費
   した割合を計算する第４のステップと、 上記第４のステップで計算された各微小時間隔における
   上記寿命の消費割合の累積値が所定値に達するまでの各
   微小時間間隔の和を上記半導体装置の寿命として決定す
   る第５のステップとを有することを特徴とする半導体装
   置の寿命推定方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置の寿命推定方
   法において、 上記寿命を、半導体装置の部材が破壊するのに要する時
   間とし、 上記第４のステップでは、上記各微小時間間隔における
   寿命の消費割合を、上記各微小時間間隔を一定な第１の
   電気的ストレス下における破壊に要する時間で徐した値
   として計算することを特徴とする半導体装置の寿命推定
   方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体装置の寿命推定方
   法において、 上記寿命を、上記半導体装置の部材が破壊するまでに注
   入される破壊電荷量で換算し、 上記第２のステップでは、上記一定な第１の電気的スト
   レスの値と上記半導体装置の部材が破壊するまでに注入
   される電荷量との関係を計算し、 上記第４のステップでは、上記寿命の消費割合として、
   上記各微小時間間隔における第１の電気的ストレスと上
   記各微小時間間隔との積を上記各微小時間間隔における
   一定な第１の電気的ストレス下での上記破壊電荷量で徐
   した値を計算することを特徴とする半導体装置の寿命推
   定方法。
4. 【請求項４】 請求項１，２又は３記載の半導体装置の
   寿命推定方法において、 上記第４のステップでは、上記所定の第２の電気的スト
   レスの値を一定値とすることを特徴とする半導体装置の
   寿命推定方法。
5. 【請求項５】 請求項１，２，３又は４記載の半導体装
   置の寿命推定方法において、 上記第１のステップと上記第３のステップでは、半導体
   装置の寿命に温度加速係数を含めることを特徴とする半
   導体装置の寿命推定方法。
6. 【請求項６】 請求項１，２，３，４又は５記載の半導
   体装置の寿命推定方法において、 上記第１の電気的ストレスが電流であり、かつ、上記第
   ２の電気的ストレスが電圧であることを特徴とする半導
   体装置の寿命推定方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体装置の寿命推定方
   法において、 上記半導体装置の部材は、ゲート絶縁膜であることを特
   徴とする半導体装置の寿命推定方法。
8. 【請求項８】 請求項６記載の半導体装置の寿命推定方
   法において、 上記半導体装置の部材は、強誘電体不揮発性メモリの強
   誘電体膜であることを特徴とする半導体装置の寿命推定
   方法。
9. 【請求項９】 請求項６記載の半導体装置の寿命推定方
   法において、 上記第２のステップでは、所定の一定な電圧が印加され
   た状態で半導体装置の部材に流れる電流は、所定時間が
   経過するまでは一定で所定時間が経過した後は時間の−
   ０．４乗に比例して変化すると近似して、電流の経時変
   化特性を計算することを特徴とする半導体装置の寿命推
   定方法。
10. 【請求項１０】 請求項９記載の半導体装置の寿命推定
    方法において、 上記寿命推定が行われる半導体装置の部材は、ゲート酸
    化膜であることを特徴とする半導体装置の寿命推定方
    法。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載の半導体装置の寿命推
    定方法において、 上記ゲート酸化膜の膜厚は、６ｎｍ以上であることを特
    徴とする半導体装置の寿命推定方法。
12. 【請求項１２】 所定の一定な電圧を半導体装置の金属
    配線に印加したときに金属配線が使用不能な状態になる
    までの寿命を推定する方法であって、 一定な電流を半導体装置内の金属配線に注入し、上記金
    属配線の寿命とその間の電圧の経時変化とを測定する第
    １のステップと、 上記第１のステップで測定された金属配線の寿命に基づ
    いて、上記金属配線に注入する一定な電流値と上記金属
    配線の寿命との関係を計算する第２のステップと、 上記第１のステップで測定された電圧の時間変化に基づ
    いて、所定の一定な電圧を上記金属配線に印加したとき
    の電流値の経時変化を計算する第３のステップと、 上記第３のステップで得られた一定電圧下における上記
    電流の経時変化特性を複数の微小時間間隔に区画し、該
    各微小時間間隔における電流値を一定値と近似して、上
    記第２のステップで計算された一定電流下における寿命
    を上記各微小時間間隔で消費した割合を計算する第４の
    ステップと、 上記第４のステップで計算された各微小時間隔における
    上記寿命の消費割合を時間的に累積計算し、その値が所
    定値に達するまでの各微小時間間隔の和を上記半導体装
    置の寿命として決定する第５のステップとを有すること
    を特徴とする半導体装置の寿命推定方法。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の半導体装置の寿命推
    定方法において、 上記金属配線の寿命を、金属配線が破断するまでの時間
    とし、 上記第１のステップでは、複数の一定な電流を注入し、
    金属配線を電気的に破断させ、各々の電流値における上
    記金属配線の破断に要する時間を測定することことを特
    徴とする半導体装置の寿命推定方法。
14. 【請求項１４】 請求項１，２，３，４，５，６，７，
    ８，９，１０，１１，１２又は１３記載の半導体装置の
    寿命推定方法において、 上記第５のステップでは、各微小時間間隔における寿命
    の消費割合の累積値が安全係数の逆数に達したときの各
    微小時間間隔の和を寿命とすることを特徴とする半導体
    装置の寿命推定方法。