JP2007258488A - Insulation film dielectric breakdown lifetime estimation method - Google Patents
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Abstract
【課題】実際の測定において検出可能な絶縁破壊が必ずしも最初の絶縁破壊でない場合においても、正しく最初の絶縁破壊寿命を推定する。
【解決手段】異なる面積の試料グループに属する各々複数の試料に対して各試料グループごとにワイブルプロットを行い、所定の累積不良率となる絶縁破壊寿命及びワイブルスロープを求め、各ワイブルスロープの試料面積に対する依存性を示すm値を求める。予め算出した試料内で最初の絶縁破壊までの絶縁破壊寿命のワイブルスロープとm値との相関関係に基づき、評価対象試料における最初の絶縁破壊までの絶縁破壊寿命のワイブルスロープを求める。各ワイブルスロープの面積依存性より、被測定試料における絶縁破壊寿命のワイブルスロープが、評価対象試料における最初の絶縁破壊までの絶縁破壊寿命のワイブルスロープとなる面積aを求める。各絶縁破壊寿命を面積に対してプロットし、面積aにおける絶縁破壊寿命を求める。
【選択図】図7The first dielectric breakdown life is correctly estimated even when the dielectric breakdown detectable in actual measurement is not necessarily the first dielectric breakdown.
A Weibull plot is performed for each of a plurality of samples belonging to a sample group having different areas to obtain a dielectric breakdown life and a Weibull slope with a predetermined cumulative failure rate, and a sample area of each Weibull slope is obtained. M value which shows the dependence with respect to is calculated | required. Based on the correlation between the m-value and the Weibull slope of the dielectric breakdown lifetime up to the first dielectric breakdown in the sample calculated in advance, the Weibull slope of the dielectric breakdown lifetime up to the first dielectric breakdown in the sample to be evaluated is obtained. From the area dependency of each Weibull slope, an area a in which the Weibull slope of the dielectric breakdown life in the sample to be measured becomes the Weibull slope of the dielectric breakdown life until the first dielectric breakdown in the sample to be evaluated is obtained. Each dielectric breakdown lifetime is plotted against the area, and the dielectric breakdown lifetime in the area a is obtained.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、絶縁膜、特に半導体素子において使用されるゲート絶縁膜、容量絶縁膜、層間絶縁膜等の絶縁破壊寿命を推定するための方法に関するものである。 The present invention relates to a method for estimating a dielectric breakdown lifetime of an insulating film, particularly a gate insulating film, a capacitive insulating film, an interlayer insulating film, etc. used in a semiconductor element.
近年、半導体集積回路装置の高集積化・高機能化及び高速化に伴ってゲート絶縁膜の薄膜化が進展している。ゲート絶縁膜としては従来よりシリコン酸化膜(SiO2)もしくは窒素を導入したシリコン酸化膜(SiOxNy)を使用してきているが、その物理膜厚はたとえば2nm程度以下にまで到達している。このような膜厚領域ではリーク電流量が増大し、デバイス上要求される規格値を満足できなくなってきている。 2. Description of the Related Art In recent years, the gate insulating film has been made thinner with higher integration, higher functionality, and higher speed of semiconductor integrated circuit devices. As a gate insulating film, a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon oxide film (SiOxNy) into which nitrogen has been introduced has been used conventionally, but the physical film thickness has reached, for example, about 2 nm or less. In such a film thickness region, the amount of leakage current increases, and the standard value required for the device cannot be satisfied.
そのために新たな高誘電率の材料、たとえばハフニウム系材料(HfOx, HfSiOx, HfAlOx, HfOxNyなど)を用いたゲート絶縁膜が提案されているが、電気的な換算膜厚(シリコン酸化膜で同等の容量を得るために必要な物理膜厚)は2nm以下が要求される。なお、一般には高誘電率膜とシリコン酸化膜(SiO2, SiOxNy)もしくはシリコン窒化膜(Si3N4)などとの積層構造が採用されている。 For this reason, gate insulating films using new high dielectric constant materials, such as hafnium-based materials (HfOx, HfSiOx, HfAlOx, HfOxNy, etc.) have been proposed. The physical film thickness required to obtain the capacity is required to be 2 nm or less. In general, a laminated structure of a high dielectric constant film and a silicon oxide film (SiO 2 , SiOxNy) or a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) is employed.
ゲート絶縁膜の絶縁破壊寿命を保証するために、絶縁破壊寿命のストレス電圧依存性を評価し、実使用電圧下における絶縁破壊寿命を推定することが一般に実施される。そのためには絶縁破壊の発生を検知・検出することが不可欠であるが、上記のような物理膜厚もしくは換算膜厚の薄い領域においては絶縁破壊の検出自体が困難となる。絶縁破壊の発生を正しく検出することができなければ、その結果を統計処理することによって得られる推定寿命は正しいものとはならない。従って、絶縁破壊の発生を正しく検出するための方法が検討されている。 In order to guarantee the dielectric breakdown lifetime of the gate insulating film, it is generally performed to evaluate the dependency of the dielectric breakdown lifetime on the stress voltage and estimate the dielectric breakdown lifetime under the actual operating voltage. For this purpose, it is indispensable to detect and detect the occurrence of dielectric breakdown. However, it is difficult to detect dielectric breakdown in the region where the physical film thickness or the equivalent film thickness is thin. If the occurrence of dielectric breakdown cannot be correctly detected, the estimated life obtained by statistically processing the result is not correct. Therefore, a method for correctly detecting the occurrence of dielectric breakdown has been studied.
しかしながら、種々の方法を用いて絶縁破壊を検出できた場合においても、その絶縁破壊がその試料内における1番目(最初)の絶縁破壊(1st breakdown)を反映しているのかどうかは明らかではない。 However, even when dielectric breakdown can be detected using various methods, it is not clear whether the dielectric breakdown reflects the first (first) breakdown in the sample.
これは、ゲート絶縁膜厚の薄膜化もしくはストレス電圧の低電圧化に起因して、絶縁破壊が発生しても十分なリーク電流の増大が得られないため、その結果として、1番目の絶縁破壊が絶縁膜中のある局所領域で発生した後にも、別の局所領域において2番目、3番目の絶縁破壊が発生することが原因である。このように1番目の絶縁破壊によるリーク電流の増大が十分でないため、その検出は容易でなく、場合によっては2番目、3番目の絶縁破壊をもって1番目の絶縁破壊の発生であると誤認してしまう恐れがある。 This is because a sufficient increase in leakage current cannot be obtained even if dielectric breakdown occurs due to thinning of the gate insulating film thickness or low stress voltage. As a result, the first dielectric breakdown occurs. This is because the second and third dielectric breakdowns occur in another local region even after the occurrence in a certain local region in the insulating film. Thus, since the increase in the leakage current due to the first breakdown is not sufficient, the detection is not easy. In some cases, the second and third breakdowns are mistaken as the first breakdown. There is a risk.
上記のように、実測によって得られた寿命を統計処理することによって統計的に期待される絶縁破壊寿命を推定するが、この統計処理は、実測によって得られた寿命が各試料内における1番目の絶縁破壊発生までの時間として定義される1番目の絶縁破壊寿命であることを前提としているため、上記の誤認のように、1番目でない絶縁破壊寿命を用いた場合にはその推定結果は信用できないものとなる。 As described above, the expected dielectric breakdown lifetime is estimated by statistically processing the lifetime obtained by actual measurement. This statistical processing is performed by measuring the first lifetime in each sample. Since it is premised on the first dielectric breakdown life defined as the time until dielectric breakdown occurs, the estimated result is unreliable if a non-first dielectric breakdown lifetime is used as in the above-mentioned misunderstanding. It will be a thing.
従って、測定によって得られた誤認の可能性のある絶縁破壊寿命を処理することによって、正しい寿命推定を行うための方法の実現が求められる。 Therefore, it is required to realize a method for performing a correct lifetime estimation by processing a dielectric breakdown lifetime that may be misidentified and obtained by measurement.
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ゲート絶縁膜を有する半導体素子において、実測によって得られた絶縁破壊寿命が1番目の絶縁破壊寿命を反映しているのかどうかを判定し、1番目でない絶縁破壊寿命の実測値から1番目の絶縁破壊寿命を推定する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a semiconductor element having a gate insulating film, it is determined whether or not the dielectric breakdown lifetime obtained by actual measurement reflects the first dielectric breakdown lifetime, It is an object of the present invention to provide a method for estimating the first dielectric breakdown lifetime from the actually measured value of the non-first dielectric breakdown lifetime.
上記の課題を解決するために、本発明の絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法は、同一面積を有する複数の試料からなる試料グループを、互いに前記試料の面積を異ならせて複数グループ構成し、前記各試料に対し電気的ストレスを印加して前記各試料ごとに絶縁破壊が検出されるまでの時間を測定して、前記各試料グループ毎にワイブルプロットを行い、前記各ワイブルプロットより前記各試料グループ毎に、予め決定しておいた累積不良率となるまでの時間を絶縁破壊寿命として求めるとともに、ワイブルスロープを求める第1工程と、前記第1工程において求めた前記各試料グループのワイブルスロープの前記面積に対する依存性を示すm値を求める第2工程と、予め導出しておいた、試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープと前記m値との相関関係に基づき、評価対象試料における最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープ(β1)を求める第3工程と、前記第2工程において求めた前記各試料グループのワイブルスロープの面積依存性より、被測定試料における絶縁破壊が検出されるまでの寿命のワイブルスロープが、前記第3工程において求めた前記評価対象試料における最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープ(β1)と同等となる仮想単位セル面積を求める第4工程と、前記第1工程において求めた前記各試料グループの絶縁破壊寿命を前記各試料の面積に対してプロットし、前記第4工程において求めた前記仮想単位セル面積における前記被測定試料の絶縁破壊寿命を求める第5工程とを有する。 In order to solve the above-mentioned problem, the dielectric breakdown lifetime estimation method of the insulating film of the present invention comprises a plurality of sample groups having the same area, wherein a plurality of sample areas are configured to be different from each other. Measure the time until electrical breakdown is detected for each sample by applying electrical stress to each sample, perform a Weibull plot for each sample group, and each sample group from each Weibull plot Each time until the cumulative failure rate determined in advance is determined as a dielectric breakdown lifetime, a first step for obtaining a Weibull slope, and the Weibull slope of each sample group obtained in the first step The second step for determining the m-value indicating the dependence on the area, and the dielectric breakdown lifetime that has been derived in advance until the first breakdown occurs in the sample Based on the correlation between the Weibull slope and the m value, a third step of obtaining a Weibull slope (beta 1) of the dielectric breakdown lifetime up to the first dielectric failure occurred in the evaluation target sample, obtained in the second step Due to the area dependency of the Weibull slope of each sample group, the Weibull slope with the lifetime until the dielectric breakdown is detected in the sample to be measured causes the first dielectric breakdown in the sample to be evaluated obtained in the third step. A fourth step for determining the virtual unit cell area equivalent to the Weibull slope (β 1 ) of the dielectric breakdown lifetime up to and the dielectric breakdown lifetime of each sample group determined in the first step with respect to the area of each sample Fifth step for obtaining the dielectric breakdown lifetime of the measured sample in the virtual unit cell area obtained in the fourth step Having.
なお、複数の各試料は、同一ウエハ上に設けられたものであっても、あるいは異なるウエハ上に設けられたものであっても、本発明を適用する上で支障はない。また、第3工程における、「予め導出しておいた」とは、「相関関係」について定義する記載である。さらに、第3工程における「評価対象試料」とは、第1工程における各試料も含めた試料であってもよいことを意図した表現である。さらに、第4工程における「被測定試料」とは、第3工程における評価対象試料と同じ面積である必要はないことを意図して、評価対象試料とは区別した表現である。評価対象試料と同じ面積の試料を含んでもよい。 Note that there is no problem in applying the present invention even if the plurality of samples are provided on the same wafer or provided on different wafers. Further, “previously derived” in the third step is a description defining “correlation”. Furthermore, the “evaluation target sample” in the third step is an expression intended to be a sample including each sample in the first step. Further, the “sample to be measured” in the fourth step is an expression distinguished from the sample to be evaluated with the intention of not having the same area as the sample to be evaluated in the third step. A sample having the same area as the sample to be evaluated may be included.
本発明の絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法において、前記第2工程において求めるm値は、前記第1工程において求めた前記各試料グループのワイブルスロープの前記面積に対する傾き(面積を対数、ワイブルスロープを直線でプロットしたときの傾き)とすることができる。 In the method for estimating a dielectric breakdown lifetime of an insulating film according to the present invention, the m value obtained in the second step is the slope of the Weibull slope of each sample group obtained in the first step (the area is logarithm, and the Weibull slope is Slope when plotted with a straight line).
また、前記第3工程では、前記予め導出しておいた、試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープと前記傾きm値との相関関係は、前記試料内でn番目の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープ(βn)のn依存性(nを対数、βnを直線でプロットしたときの傾き)の前記試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープによる変化と、前記第2工程において求めた前記傾きm値との比較によって求めることが好ましい。 In the third step, the correlation between the Weibull slope of the dielectric breakdown lifetime until the first dielectric breakdown occurs in the sample and the slope m value is n in the sample. The first breakdown occurs in the sample with n-dependence of the Weibull slope (β n ) of the breakdown life until the first breakdown occurs (the slope when n is logarithm and β n is plotted as a straight line) It is preferable to obtain this by comparing the change in dielectric breakdown lifetime due to the Weibull slope with the slope m value obtained in the second step.
また、本発明の絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法において、前記第3工程では、試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープと前記傾きm値との相関関係を導出するために必要となる、試料内でn番目の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープのn依存性は、パーコレーション・シミュレーション法によって求めることが好ましい。 In the dielectric breakdown lifetime estimation method of the present invention, in the third step, the correlation between the Weibull slope of the dielectric breakdown lifetime until the first breakdown occurs in the sample and the slope m value is derived. It is preferable to obtain the n dependence of the Weibull slope of the dielectric breakdown lifetime until the n-th dielectric breakdown occurs in the sample, which is necessary for the purpose, by a percolation simulation method.
また、本発明の絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法において、前記予め算出しておいた試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープは、実測によって求めても構わない。 In the dielectric breakdown lifetime estimation method of the insulating film of the present invention, the Weibull slope of the dielectric breakdown lifetime until the first breakdown occurs in the sample may be obtained by actual measurement.
本発明に係る絶縁膜の絶縁破壊寿命の推定方法によれば、ある試料における絶縁膜の絶縁破壊寿命について、実際の測定において検出可能な絶縁破壊が必ずしも1番目に発生する絶縁破壊でない可能性のある場合においても正しく1番目に発生する絶縁破壊寿命を推定する方法が提供され、ゲート絶縁膜の絶縁破壊寿命をより簡便かつ正確に求めることができる。 According to the method for estimating the dielectric breakdown lifetime of an insulating film according to the present invention, the dielectric breakdown life of an insulating film in a certain sample may not necessarily be the first dielectric breakdown that can be detected in actual measurement. In some cases, there is provided a method for correctly estimating the first dielectric breakdown lifetime that occurs, and the dielectric breakdown lifetime of the gate insulating film can be determined more easily and accurately.
以下、本発明の一実施形態における絶縁膜の寿命およびそのワイブルスロープの推定方法について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the lifetime of the insulating film and the method for estimating the Weibull slope in one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)、(b)は以降に示すデータの測定に用いた試料の断面形状を簡単に示しており、それぞれMOSキャパシタ、MOSFETを示している。 FIGS. 1A and 1B simply show the cross-sectional shapes of samples used for the measurement of data shown below, and show MOS capacitors and MOSFETs, respectively.
図1(a)において、シリコン基板1上にSiO2膜2aおよびHfAlOx膜2bからなるゲート絶縁膜2が形成され、その上にはポリシリコンよりなるゲート電極3が形成されている。ゲート電極3には不純物としてのリンもしくはボロンが注入されている。HfAlOx膜2bが高誘電率膜(high-k膜)であり、SiO2膜2aは層間膜(Interlayer(IL)膜)もしくは下部絶縁膜と呼ばれる。図1(b)のMOSFETは、図1(a)と同様のゲート構造に加えてソース4およびドレイン5が形成されたものである。
In FIG. 1A, a gate
なお、ゲート絶縁膜2が高誘電率膜およびSiO2膜の積層構造を有し、かならずしも酸化物には限定されないため、厳密にはMOSではなく、MISと表記すべきであるが、慣例に従い、積層構造もしくは酸化物以外の絶縁膜より構成される絶縁膜の場合でもMOSと表記することとする。したがって、本発明においては、MOSと表記した場合でも酸化物には限定されない。またここでは高誘電率膜およびSiO2膜の積層構造を用いているが、本発明における方法は従来より用いられているシリコン酸化膜についても適用可能である。
Since the
図2は、N型基板上に形成され図1(b)に示したMOSトランジスタ構造を有し種々のゲート面積を有する試料に、それぞれ-3.6Vのストレスゲート電圧を印加(定電圧ストレス)したときのストレスゲート電流(絶対値)の経時変化を示す。このときのゲート絶縁膜の膜厚は、HfAlOx/SiO2 =1.7/1.6nm(TEM観察による)である。 FIG. 2 shows an example in which a stress gate voltage of −3.6 V is applied (constant voltage stress) to a sample formed on an N-type substrate and having the MOS transistor structure shown in FIG. The time-dependent change of stress gate current (absolute value) is shown. The thickness of the gate insulating film at this time is HfAlOx / SiO 2 = 1.7 / 1.6 nm (according to TEM observation).
図中の矢印は曲線を傾きの異なる2つの領域に分ける境界付近を示している。各試料におけるトランジスタのゲート長(L)およびゲート幅(B)が図中に記入されている。各試料とも数10秒以下の領域ではゲート電流量変化は小さく、その後電流が増大している。B/L=100/100μmの試料においては、ゲート電流の変化はスムーズであるのに対し、ゲート面積の減少に伴ってラフになる。 The arrows in the figure indicate the vicinity of the boundary that divides the curve into two regions having different inclinations. The gate length (L) and gate width (B) of the transistor in each sample are entered in the figure. In each sample, the change in the amount of gate current is small in the region of several tens of seconds or less, and then the current increases. In the sample of B / L = 100/100 μm, the gate current changes smoothly, but becomes rough as the gate area decreases.
これは、例えばB/L=20/2μmの試料においては電流量の挙動がノイジーになっており、絶縁破壊の発生を反映したものであると考えられる。すなわち、前述したように薄膜化もしくはストレス電圧の低電圧化によって絶縁破壊発生時の電流増大量が低下し、一方で薄膜化によって初期電流量は増大するため、両者の差が小さくなり、従来の厚いゲート絶縁膜において観察された明確な電流増大の挙動が観察されず、絶縁破壊の検出が困難になっているものと推定される(非特許文献2参照)。 For example, this is considered to reflect the occurrence of dielectric breakdown because the behavior of the current amount is noisy in a sample of B / L = 20/2 μm. That is, as described above, the increase in current at the time of dielectric breakdown is reduced by reducing the thickness or reducing the stress voltage. On the other hand, the initial current is increased by reducing the thickness. The clear current increase behavior observed in the thick gate insulating film is not observed, and it is presumed that it is difficult to detect the dielectric breakdown (see Non-Patent Document 2).
そこで縦軸に電流量ではなく、電流量IGを初期電流量IG0で規格化した値、すなわち規格化ストレス電流IG(t)/IG0 (ここで、IGはゲート電流、tはストレス時間、IG0は初期電流量)として、これをストレス時間に対してプロットした結果を図3に示す。 Therefore, the vertical axis is not the current amount, but the current amount I G normalized by the initial current amount I G0 , that is, the normalized stress current I G (t) / I G0 (where I G is the gate current, t is FIG. 3 shows the result of plotting the stress time and I G0 as the initial current amount) against the stress time.
初期電流量はゲート面積に比例しているため、規格化ストレス電流をプロットすることによって絶縁破壊の発生をより容易に検出できるようになり、またゲート面積が小さいほど検出が容易になる。具体的に説明すると、図3からわかるように、面積が大きなB/L=100/100μmの試料では急峻な変化は観察されないが、比較的小さなB/L=20/2および20/10μmの試料ではそれぞれ矢印で示した時点において急峻な電流増大挙動が観察できる。急峻な電流増大挙動(1回目の絶縁破壊)のあとには複数回数の絶縁破壊(n回目の絶縁破壊)が発生していることも明白である。ここで、1回目の絶縁破壊とn回目の絶縁破壊とは現象的には同じであるが、その発生時刻および発生場所が異なる。 Since the initial current amount is proportional to the gate area, the occurrence of dielectric breakdown can be detected more easily by plotting the normalized stress current, and the detection becomes easier as the gate area is smaller. Specifically, as can be seen from FIG. 3, a sharp change is not observed in a sample with a large area of B / L = 100/100 μm, but samples with relatively small B / L = 20/2 and 20/10 μm. Then, a steep current increase behavior can be observed at the time indicated by the arrows. It is also clear that after a steep current increase behavior (first breakdown), multiple breakdowns (nth breakdown) have occurred. Here, the first dielectric breakdown and the n-th dielectric breakdown are phenomenologically the same, but their occurrence time and location are different.
このようにして求めた1番目の絶縁破壊が検出されるときのストレス時間を当該試料における絶縁破壊寿命と定義することとする。また、図3中のB/L=100/100μmの試料のように明確な電流増大挙動が観察されない場合には、電流量が最小値になるときのストレス時間を絶縁破壊寿命とした。ただし、B/L=100/100μmの試料においても他試料と同様に急峻な電流増大挙動が観察されることも多い。 The stress time when the first dielectric breakdown obtained in this way is detected is defined as the dielectric breakdown lifetime in the sample. Further, when no clear current increase behavior was observed as in the sample of B / L = 100/100 μm in FIG. 3, the stress time when the current amount reached the minimum value was defined as the dielectric breakdown life. However, a steep current increase behavior is often observed in a sample with B / L = 100/100 μm as well as other samples.
このようにして求めた種々の面積試料における絶縁破壊寿命をワイブルプロットした結果を図4に示す(ストレス電圧は−3.1V)。縦軸のワイビット(W)は、ある時間までの累積不良率をFとすると、以下の(1)式で与えられる。 FIG. 4 shows the results of Weibull plotting of dielectric breakdown lifetimes in various area samples thus obtained (stress voltage is −3.1 V). The waibit (W) on the vertical axis is given by the following equation (1), where F is the cumulative failure rate up to a certain time.
W=ln(-ln(1−F)) (1)
図4中には、各面積試料におけるワイブルスロープ(β)も記入している。
W = ln (-ln (1-F)) (1)
In FIG. 4, the Weibull slope (β) for each area sample is also entered.
図4からわかるように、ゲート面積が増大するとともに、ワイブルスロープが増大している。ワイブルスロープは一般にゲート面積に依存しないことが知られており、図4に示した面積依存性の発現は異常である。 As can be seen from FIG. 4, the gate area increases and the Weibull slope increases. It is known that the Weibull slope generally does not depend on the gate area, and the area-dependent expression shown in FIG. 4 is abnormal.
そこで、このような面積依存性異常が発生する原因について以下に示す。 The reason why such an area-dependent abnormality occurs is described below.
各試料が面積aの仮想的な単位セルの集合であると考え、単位セルのあるストレス条件下における寿命(多数の試料を測定したときにW=0となる割合(累積不良率が約63.2%)の試料において絶縁破壊が発生することが統計的に期待される寿命)をη、そのワイブルスロープをβとすると、面積Sの試料におけるあるストレス時間tまでに発生している絶縁破壊の発生数nは、以下の(2)式で与えられる。 Each sample is considered to be a set of virtual unit cells having an area a, and the lifetime of the unit cell under a certain stress condition (the ratio at which W = 0 when a large number of samples are measured (the cumulative defect rate is about 63.3%). 2%), where η is the life expectancy that breakdown is statistically expected to occur in the sample, and β is the Weibull slope, the breakdown of the breakdown occurring up to a certain stress time t in the sample of area S The number of occurrences n is given by the following equation (2).
n(S,t)=N(S)・F(t)=S/a・[1-exp{-(t/η)β}](2)
ここでNは試料内の単位セルの数である。任意の参照電圧における総電流量Iは、初期電流密度J0、ストレス印加にともなうゲート全面で増大していく電流密度の変動ΔJ0、絶縁破壊1カ所あたりの電流量IBDを用いて以下の(3)式で与えられる。ここで絶縁破壊は局所領域における現象であるため、電流密度ではなく電流量であること、他の電流成分は電流密度であることに注意が必要である。
n (S, t) = N (S) · F (t) = S / a · [1-exp {-(t / η) β }] (2)
Here, N is the number of unit cells in the sample. The total current amount I at an arbitrary reference voltage is expressed as follows using an initial current density J 0 , a current density variation ΔJ 0 that increases on the entire gate surface due to stress application, and a current amount I BD per one dielectric breakdown. It is given by equation (3). Here, since dielectric breakdown is a phenomenon in the local region, it should be noted that the current amount is not the current density but the other current component is the current density.
I(S,t)=(J0+ΔJ(t))・S+n(S,t)・IBD (3)
図3中の矢印で示したように、絶縁破壊が観察されるようになるのは、絶縁破壊によって電流が増大する(3)式の右辺の第2項が、絶縁破壊以外の要因による電流である(3)式の右辺の第1項よりも大きくなるときであると考えることができる。従って、実測において検出された絶縁破壊寿命をTBDとすると(3)式より(4)式の関係が導かれる。
I (S, t) = (J 0 + ΔJ (t)) · S + n (S, t) · I BD (3)
As indicated by the arrows in FIG. 3, the breakdown is observed because the second term on the right side of the equation (3), where the current increases due to the breakdown, is due to a factor other than the breakdown. It can be considered that the time is larger than the first term on the right side of a certain equation (3). Therefore, if the dielectric breakdown life detected in the actual measurement is T BD , the relationship of equation (4) is derived from equation (3).
(J0+ΔJ(TBD))・S=n(S,TBD)・IBD (4)
(4)式および(2)式より、以下の(5)式が得られる。
(J 0 + ΔJ (T BD )) · S = n (S, T BD ) · I BD (4)
From the equations (4) and (2), the following equation (5) is obtained.
(J0+ΔJ(TBD))・S=S/a・F(TBD)・IBD (5)
従って、実測によりTBDにおいて絶縁破壊が検出された時点では、以下の(6)式および(7)式で示される累積不良率F(TBD)に相当するn個の絶縁破壊が既に発生済みであって、大きな初期電流等の影響によって観察できないだけであることになる。
(J 0 + ΔJ (T BD )) · S = S / a · F (T BD ) · I BD (5)
Therefore, when dielectric breakdown is detected in T BD by actual measurement, n dielectric breakdowns corresponding to the cumulative defect rate F (T BD ) expressed by the following formulas (6) and (7) have already occurred. Therefore, it cannot be observed due to the influence of a large initial current or the like.
F(TBD)=a・(J0+ΔJ(TBD))/IBD (6)
n(S,TBD)=N(S)・F(TBD)=S・(J0+ΔJ(TBD))/IBD(7)
(6)式より、W=0すなわちF〜63.2%になるTBD値はゲート面積Sには依存していないこと、また(7)式より、実測により得られた絶縁破壊寿命TBDの時点で既に発生している絶縁破壊の数nはゲート面積に比例していることがわかる。
F (T BD ) = a · (J 0 + ΔJ (T BD )) / I BD (6)
n (S, T BD ) = N (S) · F (T BD ) = S · (J 0 + ΔJ (T BD )) / I BD (7)
From the equation (6), the T BD value at which W = 0, that is, F to 63.2%, does not depend on the gate area S, and from the equation (7), the dielectric breakdown lifetime T BD obtained by actual measurement. It can be seen that the number n of dielectric breakdowns already occurring at the time of is proportional to the gate area.
ここで、1番目の絶縁破壊のワイブルスロープをβ1、n番目の絶縁破壊のワイブルスロープをβnとすると、βnはnが大きくなるとともに増大することが知られている(非特許文献2、非特許文献3参照)。 Here, if the first breakdown Weibull slope is β 1 and the nth breakdown Weibull slope is β n , it is known that β n increases as n increases (Non-Patent Document 2). Non-Patent Document 3).
図5(a)は、パーコーレーション・シミュレーションと呼ばれる方法(非特許文献4参照)によってワイブルスロープのnによる変化をシミュレートした結果であり、β1を1.0と仮定し、nを1から1000まで変えてシミュレートしている。nが大きくなると共に傾きが増大していることがわかる。 FIG. 5A shows the result of simulating the change of the Weibull slope by n by a method called percoration simulation (see Non-Patent Document 4). Assuming that β 1 is 1.0, n is 1 The simulation is changed up to 1000. It can be seen that the slope increases as n increases.
このようなβnのn依存性を種々のβ1に対してシミュレートし、nに対してプロットした図を図5(b)に示す。βnの傾きはβ1に強く依存(nを対数、βnを直線でプロットした場合にほぼ直線関係を示す)しており、従って、n値の変化に伴うβnの変化からβ1を推定することが可能である。 FIG. 5B shows a graph in which such n dependence of β n is simulated for various β 1 and plotted against n. beta n slope strongly depends on the beta 1 has (logarithm n, beta n substantially shows a linear relationship when plotted in a straight line), therefore, the beta 1 from a change in beta n with changes in n value It is possible to estimate.
なお、図5(a)においてn値の増大とともにワイビットが0(W=0)のときの寿命値も増大しているが、これは同一面積の試料における場合においてであり、図4においては、周知の、ゲート面積の増大に伴ってワイビットが0(W=0)のときの寿命値が面積スケーリングの効果によって減少する効果と相殺されることによって、n値が増大しているにもかかわらずワイビットが0(W=0)のときの寿命値はほぼ一定になっている。 In FIG. 5 (a), the lifetime value when the Wibit is 0 (W = 0) increases as the n value increases, but this is the case with the sample of the same area, and in FIG. Although the n value is increased by offsetting the well-known effect that the lifetime value when the wibit is 0 (W = 0) as the gate area increases is offset by the effect of the area scaling, The lifetime value when the Y bit is 0 (W = 0) is substantially constant.
図6は図4に示したデータから求めたβnをゲート面積(上側横軸)に対してプロットし、シミュレーション結果と比較したものであるが、β1=0.6の場合とよく一致している。なお、(7)式に示したようにn値はゲート面積に比例しているので、図6に示したようにゲート面積に対してβnをプロットした時の傾きがn値に対してプロットしたときの傾きと等しくなる。図6において用いた試料においては、β1が図4に示した最小面積の試料における実測β値と一致しているが、実測に用いる最小面積の試料における実測β値がβ1よりも大きいような試料においても同様に取り扱うことが可能である。 FIG. 6 is a plot of β n obtained from the data shown in FIG. 4 against the gate area (upper horizontal axis) and compared with the simulation result, which is in good agreement with the case of β 1 = 0.6. ing. Since the n value is proportional to the gate area as shown in equation (7), the slope when β n is plotted against the gate area is plotted against the n value as shown in FIG. It becomes equal to the inclination when In the sample used in FIG. 6, β 1 coincides with the actually measured β value in the sample having the minimum area shown in FIG. 4, but the actually measured β value in the sample having the minimum area used in the actual measurement seems to be larger than β 1. The same sample can be handled in the same manner.
図7は、本実施形態における半導体装置の評価方法の流れを示している。 FIG. 7 shows the flow of the semiconductor device evaluation method in this embodiment.
まず、図7のステップ(a)において、複数、たとえば50個の、面積S1の試料に電気的ストレスを印加してそれぞれの絶縁破壊が検出されるまでの時間Tを測定し、ワイブルプロットを行う。このワイブルプロットより、ワイビットW=0(累積不良率〜63.2%)となるときの時間、すなわち絶縁破壊寿命TBD(S1)およびワイブルスロープβ(S1)を求める。 First, in step (a) of FIG. 7, a time T until electric breakdown is detected by applying electrical stress to a plurality of, for example, 50 samples having an area S 1 is measured, and a Weibull plot is obtained. Do. From this Weibull plot, the time when Wibit W = 0 (cumulative failure rate ˜63.2%), that is, the dielectric breakdown lifetime T BD (S 1 ) and Weibull slope β (S 1 ) are obtained.
次に、ステップ(b)において、ステップ(a)と同様の処理を面積S2、S3の試料においても実施し、それぞれのワイブルスロープβ(S2)、β(S3)および、絶縁破壊寿命TBD(S2)、TBD(S3)を取得する。 Next, in step (b), the same processing as in step (a) is performed on the samples of areas S 2 and S 3 , and the respective Weibull slopes β (S 2 ), β (S 3 ) and dielectric breakdown are performed. The lifetimes T BD (S 2 ) and T BD (S 3 ) are acquired.
次に、ステップ(c)において、ステップ(a)、(b)において求めたβ(Sn)をSnの対数に対してプロットし(n=1、2、3)、その傾きmを求める。 Next, in step (c), step (a), obtained in (b) beta a (S n) was plotted against the logarithm of S n (n = 1,2,3), obtains the slope m .
次に、ステップ(d)において、パーコーレーション・シミュレーションによって予め求めておいた試料内で1番目に絶縁破壊が発生するまでの寿命のワイブルスロープβ1と上記の傾きm値との相関関係に基づき、測定試料(この試料は、上記の面積S1〜S3の各試料も含めた今から評価したい試料であり、これらは面積が異なる以外は全て同一の試料)における1番目に絶縁破壊が発生するまでの寿命のワイブルスロープβ1を求める。 Next, in step (d), based on the correlation between the Weibull slope β 1 of the lifetime until the first dielectric breakdown occurs in the sample previously obtained by percolation simulation and the slope m value. The first dielectric breakdown occurs in the measurement sample (this sample is a sample to be evaluated from now on, including each sample of the above-mentioned areas S 1 to S 3 , and these are all the same sample except for different areas) Find the Weibull slope β 1 of the life until.
次に、ステップ(e)において、ステップ(c)で求めたβ(Sn)のSnに対するプロットより、β(S)がステップ(d)において求めたβ1と同等になる面積aを求める。 Next, in step (e), an area a in which β (S) is equivalent to β 1 obtained in step (d) is obtained from a plot of β (S n ) obtained in step (c) against S n . .
最後に、ステップ(f)において、ステップ(a)、(b)において求めたη(Sn)をSnに対してプロットし(n=1、2、3)、ステップ(e)において求めた面積aにおける絶縁破壊寿命TBDを求め、これをηとする。 Finally in step (f), the step (a), obtained in obtained in (b) eta the (S n) plotted against the S n (n = 1,2,3), Step (e) A dielectric breakdown lifetime T BD in the area a is obtained, and this is defined as η.
以上の方法によって、仮想的な単位セルの面積aと、仮想的な単位セルにおける絶縁破壊発生に対する真のワイブルスロープβ1および絶縁破壊寿命値ηが得られる。これらの値は、1試料内で発生する1番目の絶縁破壊に関するパラメータであり、これらの値を用いることによって正しい寿命および統計ばらつきを推定することが可能となる。 By the above method, the area a of the virtual unit cell, the true Weibull slope β 1 and the dielectric breakdown lifetime value η with respect to the occurrence of dielectric breakdown in the virtual unit cell are obtained. These values are parameters relating to the first dielectric breakdown that occurs in one sample, and by using these values, it is possible to estimate the correct lifetime and statistical variation.
なお、面積a以下の試料においては、上述したようにゲート面積が小さいほど検出が容易になることから、面積a以下になると1番目の絶縁破壊が検出可能となり、1番目の検出された絶縁破壊が1番目に発生した絶縁破壊であると言うことができる。したがって、面積a以下の試料においては、その面積に関係なくワイブルスロープは上記のβ1となる。 As described above, the smaller the gate area is, the easier the detection is in a sample having an area a or less. Therefore, the first breakdown can be detected when the gate area is equal to or less than the area a. Can be said to be the first dielectric breakdown. Therefore, in a sample having an area a or less, the Weibull slope is β 1 regardless of the area.
以上より、評価に用いた種々の面積の試料間でワイブルスロープが一致している場合には正しいワイブルスロープおよび寿命が実測において得られていると判定することが可能である。 From the above, when the Weibull slopes match between samples of various areas used for evaluation, it is possible to determine that the correct Weibull slope and life are obtained in actual measurement.
上記の方法によって求められたaおよびβ1から、面積Sの試料において1番目の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命値TBDは、以下の(8)式に基づいて面積換算することによって求めることが可能であり、またワイブルスロープはβ1となる。 From the a and β 1 obtained by the above method, the dielectric breakdown lifetime value T BD until the first dielectric breakdown occurs in the sample of the area S is converted into the area based on the following equation (8). The Weibull slope is β 1 .
η・a1/β1=TBD・S1/β1 (8)
なお、試料の面積の大きさについては、必ずしも上述のように3種類について測定を行う必要はなく、少なくとも2種類(複数)の面積の大きさについて測定を実施すれば、同様の処理を行うことが可能である。
η · a 1 / β1 = T BD · S 1 / β1 (8)
As for the size of the area of the sample, it is not always necessary to measure three types as described above, and if the measurement is performed on at least two types (plurality) of sizes, the same processing is performed. Is possible.
また、本実施形態においては、図7のステップ(d)において、実測結果とパーコレーション・シミュレーション結果とを対比することによって推定を行ったが、他のシミュレーション方法による結果と対比すること、もしくは、試料内で1番目に発生する絶縁破壊およびそのワイブルスロープが正しく得られていることが明らかな試料におけるn回目(n=1、2、3、...)の絶縁破壊寿命およびそのワイブルスロープの実測結果と対比することも可能である。 Further, in the present embodiment, the estimation is performed by comparing the actual measurement result and the percolation simulation result in step (d) of FIG. 7, but the comparison with the result by another simulation method or the sample Of dielectric breakdown occurring first in the sample and the Weibull slope are clearly obtained, and the nth (n = 1, 2, 3,...) Dielectric breakdown life and measurement of the Weibull slope are shown. It is also possible to contrast the results.
なお、本実施形態においては、絶縁破壊寿命およびそのワイブルスロープを評価する方法を示したが、絶縁破壊までに注入される電子もしくはホールの注入総量およびそのワイブルスロープに関しても同様に取り扱うことが可能である。 In the present embodiment, a method for evaluating the dielectric breakdown lifetime and its Weibull slope has been shown, but the total amount of electrons or holes injected up to the dielectric breakdown and its Weibull slope can also be handled in the same manner. is there.
以上に説明したように、本実施形態によると、試料内で1番目に発生する絶縁破壊の検出が困難な試料においても、実測において検出できる絶縁破壊寿命、ワイブルスロープ、およびその面積依存性を求め、n回目(n=2、3、4、...)のワイブルスロープがどのように変化するかに関するシミュレーションもしくは実測結果と対比することによって試料内で1番目に発生する絶縁破壊の寿命およびそのワイブルスロープを推定することが可能である。 As described above, according to the present embodiment, the dielectric breakdown lifetime, the Weibull slope, and the area dependence thereof that can be detected in actual measurement are obtained even in a sample in which it is difficult to detect the first dielectric breakdown that occurs in the sample. The lifetime of the first dielectric breakdown generated in the sample by comparing with the simulation or the actual measurement result about how the Weibull slope of the n-th (n = 2, 3, 4,...) Changes, and its It is possible to estimate the Weibull slope.
本発明の絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法は、ある試料における絶縁膜の絶縁破壊寿命について、実際の測定において検出可能な絶縁破壊が必ずしも1番目の絶縁破壊でない可能性のある場合においても正しく1番目の絶縁破壊の寿命およびワイブルスロープを推定する方法を提供し、ゲート絶縁膜の寿命をより簡便かつ正確に求めることができるものであり、ゲート絶縁膜の絶縁破壊寿命を評価する方法等に有用である。 The dielectric breakdown lifetime estimation method of the insulating film according to the present invention correctly corrects the dielectric breakdown lifetime of an insulating film in a sample even when the dielectric breakdown detectable in actual measurement may not necessarily be the first dielectric breakdown. The method of estimating the lifetime of the second dielectric breakdown and the Weibull slope is provided, and the lifetime of the gate insulating film can be obtained more easily and accurately, which is useful for methods such as evaluating the dielectric breakdown lifetime of the gate insulating film. It is.
1 シリコン基板
2 ゲート絶縁膜
2a SiO2膜
2b HfAlOx膜
3 ゲート電極
4 ソース
5 ドレイン
VG ゲート電圧
IG ゲート電流
TBD 絶縁破壊寿命
b 絶縁破壊寿命のワイブルスロープ
n 同一試料内で発生した絶縁破壊の順番を示す番号(n=1、2、3、...)
b1 試料内で1回目に発生する絶縁破壊の寿命のワイブルスロープ
bn 試料内でn回目に発生する絶縁破壊の寿命のワイブルスロープ
S1、S2、S3 ゲート面積
B ゲート幅
L ゲート長さ
W ワイビット
1
V G gate voltage
I G gate current
T BD breakdown life
b Weibull slope with breakdown life
n Number indicating the order of dielectric breakdown that occurred in the same sample (n = 1, 2, 3, ...)
b Weibull slope of the lifetime of dielectric breakdown that occurs the first time in one sample
b Weibull slope of the lifetime of dielectric breakdown that occurs n times in the n sample
S 1, S 2, S 3 gate area
B Gate width
L Gate length
W Wibit
Claims (5)
前記第1工程において求めた前記各試料グループのワイブルスロープの前記面積に対する依存性を示すm値を求める第2工程と、
予め導出しておいた、試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープと前記m値との相関関係に基づき、評価対象試料における最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープ(β1)を求める第3工程と、
前記第2工程において求めた前記各試料グループのワイブルスロープの面積依存性より、被測定試料における絶縁破壊が検出されるまでの寿命のワイブルスロープが、前記第3工程において求めた前記評価対象試料における最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープ(β1)と同等となる仮想単位セル面積を求める第4工程と、
前記第1工程において求めた前記各試料グループの絶縁破壊寿命を前記各試料の面積に対してプロットし、前記第4工程において求めた前記仮想単位セル面積における前記被測定試料における最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命を求める第5工程とを有することを特徴とする絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法。 Sample groups consisting of a plurality of samples having the same area are formed by differentiating the areas of the samples from each other, and an electrical stress is applied to each sample to detect dielectric breakdown for each sample. Is measured for each sample group, the Weibull plot is performed for each sample group, and the time until the cumulative defect rate determined in advance for each sample group from each Weibull plot is defined as the dielectric breakdown lifetime. A first step for obtaining a Weibull slope,
A second step of determining an m value indicating the dependence of the Weibull slope of each sample group determined in the first step on the area;
Based on the correlation between the m-value and the Weibull slope of the dielectric breakdown lifetime until the first dielectric breakdown occurs in the sample, the insulation until the first dielectric breakdown occurs in the sample to be evaluated A third step for determining the Weibull slope (β 1 ) of the fracture life;
Based on the area dependency of the Weibull slope of each sample group obtained in the second step, the Weibull slope of the life until the dielectric breakdown in the sample to be measured is detected is the same as that in the evaluation target sample obtained in the third step. A fourth step for determining a virtual unit cell area equivalent to the Weibull slope (β 1 ) of the dielectric breakdown lifetime until the first dielectric breakdown occurs;
The dielectric breakdown lifetime of each sample group determined in the first step is plotted against the area of each sample, and the first breakdown in the sample to be measured in the virtual unit cell area determined in the fourth step is And a fifth step of obtaining a dielectric breakdown lifetime until the dielectric breakdown lifetime occurs.
前記予め導出しておいた、試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープと前記傾きm値との相関関係は、前記試料内でn番目の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープ(βn)のn依存性(nを対数、βnを直線でプロットしたときの傾き)の前記試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープによる変化と、前記第2工程において求めた前記傾きm値との比較によって求める請求項1または2に記載の絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法。 In the third step,
The correlation between the Weibull slope of the dielectric breakdown life until the first dielectric breakdown occurs in the sample and the slope m value is calculated until the nth dielectric breakdown occurs in the sample. Weibull of dielectric breakdown life until the first breakdown occurs in the sample of n-dependence of the Weibull slope (β n ) of the dielectric breakdown life of the sample (slope when β is logarithm and β n is plotted as a straight line) The method for estimating a dielectric breakdown lifetime of an insulating film according to claim 1 or 2, wherein the method is obtained by comparing a change due to a slope and the slope m value obtained in the second step.
試料内で最初の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープと前記傾きm値との相関関係を導出するために必要となる、試料内でn番目の絶縁破壊が発生するまでの絶縁破壊寿命のワイブルスロープのn依存性は、パーコレーション・シミュレーション法によって求める請求項1〜3のいずれか1項に記載の絶縁膜の絶縁破壊寿命推定方法。 In the third step,
Insulation until the n-th dielectric breakdown occurs in the sample, which is necessary for deriving the correlation between the Weibull slope of the dielectric breakdown life until the first dielectric breakdown occurs in the sample and the slope m value 4. The dielectric breakdown lifetime estimation method for an insulating film according to claim 1, wherein the n dependence of the Weibull slope of the breakdown lifetime is obtained by a percolation simulation method.
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CN101995536A (en) * | 2009-08-10 | 2011-03-30 | 索尼公司 | Valuation method of dielectric breakdown lifetime of gate insulating film, valuation device of dielectric breakdown lifetime of gate insulating film and program for evaluating dielectric breakdown lifetime of gate insulating film |
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