(57)【要約】【課題】電界効果トランジスタのホットキャリア劣化寿命を正確に求める。【解決手段】ゲート電極に少なくとも２種類の電圧を一定時間印加する第１の印加ステップＳ１３０１と、第１のゲート電流密度とバイアス温度不安定性による第１の劣化量とを測定する第１の測定ステップＳ１３０２と、第１の劣化量と第１のゲート電流密度とから半導体の劣化量とゲート電極の電流密度の近似式を求める近似ステップＳ１３０４と、ゲートおよびドレイン電極に電圧を一定時間印加する第２の印加ステップＳ１３０５と、第２のゲート電流密度とホットキャリアによる第２の劣化量とを測定する第２の測定ステップＳ１３０６と、近似式から第２の劣化量のバイアス温度不安定性成分である第３の劣化量を算出する第１の算出ステップＳ１３０７と、第２および第３の劣化量から第２の劣化量のホットキャリア成分である第４の劣化量を算出する第２の算出ステップＳ１３０８とを含む。【選択図】        図１３
2010085354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスタのホットキャリア劣化寿命を求める半導体装置の評価方法において、
印加手段が、前記電界効果トランジスタのゲート電極に少なくとも２種類の電圧を一定時間印加する第１の印加ステップと、
測定手段が、前記第１の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記少なくとも２種類の電圧に対する前記ゲート電極の電流密度である第１のゲート電流密度をそれぞれ測定するとともに、測定した前記第１のゲート電流密度と依存性があるバイアス温度不安定性による第１の劣化量を測定する第１の測定ステップと、
近似手段が、前記第１の劣化量と前記第１のゲート電流密度とから前記電界効果トランジスタの劣化量と前記ゲート電極の電流密度の関係を近似した近似式を求める近似ステップと、
前記印加手段が、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極およびドレイン電極に電圧を前記一定時間印加する第２の印加ステップと、
前記測定手段が、前記第２の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記ゲート電極の電流密度である第２のゲート電流密度と、測定した前記第２のゲート電流密度と依存性があるホットキャリアによる第２の劣化量とを測定する第２の測定ステップと、
算出手段が、前記近似式に前記第２のゲート電流密度を代入することにより、前記第２の劣化量のバイアス温度不安定性成分である第３の劣化量を算出する第１の算出ステップと、
前記算出手段が、前記第２の劣化量から前記第３の劣化量を差し引くことにより、前記第２の劣化量のホットキャリア成分である第４の劣化量を算出する第２の算出ステップと、
を含むこと、を特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項２】
前記近似ステップは、前記近似式として、下記式（１）を求めること、を特徴とする請求項１に記載の半導体装置の評価方法。
【数１】
2010085354.tif 000006
（Ｊｇはゲート電流密度［Ａ／ｃｍ２］、ａおよびｂは数値である。）
【請求項３】
前記第１の劣化量、前記第２の劣化量、前記第３の劣化量、および、前記第４の劣化量は、閾値電圧シフトであること、を特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の評価方法。
【請求項４】
前記第１の劣化量、前記第２の劣化量、前記第３の劣化量、および、前記第４の劣化量は、ドレイン電流劣化量であること、を特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の評価方法。
【請求項５】
電界効果トランジスタのゲート電極およびドレイン電極に電圧を一定時間印加する印加手段と、
前記印加手段が前記ゲート電極に少なくとも２種類の電圧を前記一定時間印加した時点で、前記ゲート電極の電流密度である第１のゲート電流密度のそれぞれと、前記第１のゲート電流密度と依存性があるバイアス温度不安定性による第１の劣化量とを測定し、前記印加手段が前記ゲート電極およびドレイン電極に電圧を前記一定時間印加した時点で、前記ゲート電極の電流密度である第２のゲート電流密度と、前記第２のゲート電流密度と依存性があるホットキャリアによる第２の劣化量とを測定する測定手段と、
前記第１の劣化量と前記第１のゲート電流密度とから前記電界効果トランジスタの劣化量と前記ゲート電極の電流密度の関係を近似した近似式を求める近似手段と、
前記近似式に前記第２のゲート電流密度を代入することにより、前記第２の劣化量のバイアス温度不安定性成分である第３の劣化量を算出し、さらに、前記第２の劣化量から前記第３の劣化量を差し引くことにより、前記第２の劣化量のホットキャリア成分である第４の劣化量を算出する算出手段と、
を備えたこと、を特徴とする半導体装置の評価装置。
【請求項６】
前記電界効果トランジスタのゲート電極に少なくとも２種類の電圧を一定時間印加する第１の印加ステップと、
前記第１の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記少なくとも２種類の電圧に対する前記ゲート電極の電流密度である第１のゲート電流密度をそれぞれ測定するとともに、測定した前記第１のゲート電流密度と依存性があるバイアス温度不安定性による劣化量である第１の劣化量を測定する第１の測定ステップと、
前記第１の劣化量と前記第１のゲート電流密度とから前記電界効果トランジスタの劣化量と前記ゲート電極の電流密度の関係を近似した近似式を求める近似ステップと、
前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極およびドレイン電極に電圧を前記一定時間印加する第２の印加ステップと、
前記第２の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記ゲート電極の電流密度である第２のゲート電流密度と、測定した前記第２のゲート電流密度と依存性があるホットキャリアによる劣化量である第２の劣化量とを測定する第２の測定ステップと、
前記近似式に前記第２のゲート電流密度を代入することにより、前記第２の劣化量のバイアス温度不安定性成分である第３の劣化量を算出する第１の算出ステップと、
前記第２の劣化量から前記第３の劣化量を差し引くことにより、前記第２の劣化量のホットキャリア成分である第４の劣化量を算出する第２の算出ステップと、
をコンピュータに実行させるための評価プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄いゲート絶縁膜を有する電界効果トランジスタのホットキャリア劣化寿命を求める半導体装置の評価方法、評価装置、および、評価プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩをはじめとする半導体において、信頼性の保証はきわめて重要である。特に、近年の回路の微細化に伴う素子寸法の縮小とともに素子内部の電界が増加し、電界効果トランジスタにおいては、ゲート絶縁膜のホットキャリア（ＨＣ：Ｈｏｔ  Ｃａｒｒｉｅｒ）注入による素子特性の劣化がますます深刻な問題となっている。ホットキャリア劣化は、チャネル内のキャリアがチャネル方向の電界から大きなエネルギーを得て、ゲート絶縁膜界面のエネルギー障壁を越えて膜中に注入されることにより、閾値シフトおよびドレイン電流の劣化が生じる現象である。
【０００３】
一方、近年ゲート電圧を印加するだけで、同様に閾値シフトおよびドレイン電流の劣化が生じるバイアス温度不安定性（ＢＴＩ：Ｂｉａｓ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）による劣化が深刻化している。ＢＴＩはゲート絶縁膜に印加される電界（電圧）で発生するので、ホットキャリア劣化時の劣化量には、ＨＣ（ホットキャリア）成分だけでなくＢＴＩ（バイアス温度不安定性）成分も実際には含まれる。
【０００４】
なお、ＢＴＩには、ＰＭＯＳトランジスタのゲートに負のバイアスを印加することで発生するＮＢＴＩ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｂｉａｓ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）劣化と、ＮＭＯＳトランジスタのゲートに正のバイアスを印加することで発生するＰＢＴＩ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｂｉａｓ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）劣化の２つがある。
【０００５】
これまでは、ホットキャリア劣化では、ＨＣ成分のみに注目し、ＢＴＩ成分を重要視していなかったため、２つの成分の複合劣化により決定されるホットキャリア寿命を過小評価して予測してしまっていた。したがって、ＨＣ成分とＢＴＩ成分の複合劣化によるホットキャリア劣化からＢＴＩ成分を分離することで、ＨＣ成分のみによる真のホットキャリア劣化を求め、ホットキャリア寿命の予測値の精度を向上させる必要があった。
【０００６】
これに対し、非特許文献１では、ＰチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタのホットキャリア劣化からＮＢＴＩ成分とＨＣ成分とを分離する手法を提案している。
【０００７】
【非特許文献１】Ｇ．Ｌａ  Ｒｏｓａ，  Ｆ．Ｇｕａｒｉｎ，  Ｓ．Ｒａｕｃｈ，  Ａ．Ａｃｏｖｉｃ，  Ｊ．Ｌｕｋａｉｔｉｓ  ａｎｄ  Ｅ．Ｃｒａｂｂｅ，  ＩＲＰＳ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，  １９９７，  ｐ．２８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１の手法では、ＰＢＴＩ（ＮＢＴＩ）劣化が発生するように電界効果トランジスタに電圧を印加（ＢＴＩストレス印加）する場合のＢＴＩ成分（劣化量）と、ホットキャリア劣化が発生するように電界効果トランジスタに電圧を印加（ホットキャリアストレス印加）する場合のＢＴＩ成分（劣化量）とが等しいとしている。しかし実際には、ＢＴＩストレス印加時のＢＴＩ成分の方が、ホットキャリアストレス印加時のＢＴＩ成分より多いため、ホットキャリアストレス印加時のホットキャリア劣化量からＢＴＩストレス印加時のＢＴＩ劣化量を引いてしまうと、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分（劣化量）が実際より少なくなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電界効果トランジスタにおけるホットキャリアによる劣化量を、ＢＴＩ成分とＨＣ成分とに簡単に精度良く分離することにより、電界効果トランジスタのホットキャリア劣化寿命を正確に求めることができる半導体装置の評価方法、評価装置、および、評価プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電界効果トランジスタのホットキャリア劣化寿命を求める半導体装置の評価方法において、印加手段が、前記電界効果トランジスタのゲート電極に少なくとも２種類の電圧を一定時間印加する第１の印加ステップと、測定手段が、前記第１の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記少なくとも２種類の電圧に対する前記ゲート電極の電流密度である第１のゲート電流密度をそれぞれ測定するとともに、測定した前記第１のゲート電流密度と依存性があるバイアス温度不安定性による第１の劣化量を測定する第１の測定ステップと、近似手段が、前記第１の劣化量と前記第１のゲート電流密度とから前記電界効果トランジスタの劣化量と前記ゲート電極の電流密度の関係を近似した近似式を求める近似ステップと、前記印加手段が、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極およびドレイン電極に電圧を前記一定時間印加する第２の印加ステップと、前記測定手段が、前記第２の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記ゲート電極の電流密度である第２のゲート電流密度と、測定した前記第２のゲート電流密度と依存性があるホットキャリアによる第２の劣化量とを測定する第２の測定ステップと、算出手段が、前記近似式に前記第２のゲート電流密度を代入することにより、前記第２の劣化量のバイアス温度不安定性成分である第３の劣化量を算出する第１の算出ステップと、前記算出手段が、前記第２の劣化量から前記第３の劣化量を差し引くことにより、前記第２の劣化量のホットキャリア成分である第４の劣化量を算出する第２の算出ステップと、を含むこと、を特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、電界効果トランジスタのゲート電極およびドレイン電極に電圧を一定時間印加する印加手段と、前記印加手段が前記ゲート電極に少なくとも２種類の電圧を前記一定時間印加した時点で、前記ゲート電極の電流密度である第１のゲート電流密度のそれぞれと、前記第１のゲート電流密度と依存性があるバイアス温度不安定性による第１の劣化量とを測定し、前記印加手段が前記ゲート電極およびドレイン電極に電圧を前記一定時間印加した時点で、前記ゲート電極の電流密度である第２のゲート電流密度と、前記第２のゲート電流密度と依存性があるホットキャリアによる第２の劣化量とを測定する測定手段と、前記第１の劣化量と前記第１のゲート電流密度とから前記電界効果トランジスタの劣化量と前記ゲート電極の電流密度の関係を近似した近似式を求める近似手段と、前記近似式に前記第２のゲート電流密度を代入することにより、前記第２の劣化量のバイアス温度不安定性成分である第３の劣化量を算出し、さらに、前記第２の劣化量から前記第３の劣化量を差し引くことにより、前記第２の劣化量のホットキャリア成分である第４の劣化量を算出する算出手段と、を備えたこと、を特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記電界効果トランジスタのゲート電極に少なくとも２種類の電圧を一定時間印加する第１の印加ステップと、前記第１の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記少なくとも２種類の電圧に対する前記ゲート電極の電流密度である第１のゲート電流密度をそれぞれ測定するとともに、測定した前記第１のゲート電流密度と依存性があるバイアス温度不安定性による劣化量である第１の劣化量を測定する第１の測定ステップと、前記第１の劣化量と前記第１のゲート電流密度とから前記電界効果トランジスタの劣化量と前記ゲート電極の電流密度の関係を近似した近似式を求める近似ステップと、前記電界効果トランジスタの前記ゲート電極およびドレイン電極に電圧を前記一定時間印加する第２の印加ステップと、前記第２の印加ステップにおける前記一定時間の経過時点で、前記ゲート電極の電流密度である第２のゲート電流密度と、測定した前記第２のゲート電流密度と依存性があるホットキャリアによる劣化量である第２の劣化量とを測定する第２の測定ステップと、前記近似式に前記第２のゲート電流密度を代入することにより、前記第２の劣化量のバイアス温度不安定性成分である第３の劣化量を算出する第１の算出ステップと、前記第２の劣化量から前記第３の劣化量を差し引くことにより、前記第２の劣化量のホットキャリア成分である第４の劣化量を算出する第２の算出ステップと、をコンピュータに実行させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電界効果トランジスタにおいて、バイアス温度不安定性による劣化量とゲート電流密度の相関関係を利用することにより、ホットキャリアによる劣化量をＢＴＩ（バイアス温度不安定性）成分とＨＣ（ホットキャリア）成分とに簡単に精度良く分離することができるので、電界効果トランジスタのホットキャリア劣化寿命を精度よく求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の評価方法、評価装置、および、評価プログラムの最良な実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる評価装置のハードウェア構成を示す図である。評価装置１は、パーソナルコンピュータ２、半導体パラメータアナライザ３、および、配線４から構成されている。
【００１５】
パーソナルコンピュータ２は、ＣＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤ、ＣＤドライブ装置などの外部記憶装置と、ディスプレイ装置などの表示装置と、キーボードやマウスなどの入力装置を備えている。
【００１６】
半導体パラメータアナライザ３は、半導体の電気特性の評価をする。配線４は、トランジスタのゲート、ソースおよびドレインの各電極と半導体パラメータアナライザ３を接続する。なお、本例では、電界効果トランジスタとしてＮＭＯＳトランジスタ５を使用した場合について説明する。
【００１７】
図２は、評価装置１の機能構成を示すブロック図である。評価装置１は、電圧印加部６、測定部７、近似部８、および、算出部９を備えて構成されている。
【００１８】
電圧印加部６は、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート、ソースおよびドレインの各電極に電圧を印加する。電圧印加部６は、具体的には、ＮＭＯＳトランジスタ５にＢＴＩ劣化が発生するようにゲート電極に電圧を印加（ＢＴＩストレス印加）するか、または、ホットキャリア劣化が発生するようにゲート電極およびドレイン電極に電圧を印加（ホットキャリアストレス印加）する。
【００１９】
測定部７は、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲートにおける閾値電圧シフトΔＶｔｈ、および、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート電流密度Ｊｇを測定する。測定部７は、具体的には、ＢＴＩストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈおよびゲート電流密度Ｊｇを測定するか、または、ホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈおよびゲート電流密度Ｊｇを測定する。
【００２０】
近似部８は、ＢＴＩ劣化による閾値電圧シフトΔＶｔｈを、ゲート電流密度Ｊｇの関数として近似して近似式を求める。なお、近似部８による近似方法については、後ほど詳しく説明する。
【００２１】
算出部９は、ホットキャリアストレス印加時のＢＴＩ成分、および、ＨＣ成分を算出する。なお、算出部９によるＢＴＩ成分およびＨＣ成分の算出方法については、後ほど詳しく説明する。
【００２２】
（従来のＨＣ成分の算出方法）
ここで、ＮＭＯＳトランジスタ５のホットキャリア劣化寿命を求めるため、従来の方法で、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める場合の問題点について説明する。初めに、従来のＨＣ成分の算出方法について説明する。図３は、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める従来の方法の一例を示すフローチャートである。初めに、ＮＭＯＳトランジスタ５のＢＴＩストレス印加時の劣化量を測定する（ステップＳ３０１）。具体的には、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲートにストレス電圧、例えば、Ｖｇ＝−３．２［Ｖ］を印加し、ＢＴＩストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ１［Ｖ］を測定する。
【００２３】
次に、ＮＭＯＳトランジスタ５のホットキャリアストレス印加時の劣化量を測定する（ステップＳ３０２）。具体的には、ゲートおよびドレインにストレス電圧、例えば、Ｖｇ＝Ｖｄ＝−３．２［Ｖ］を印加し、ホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ２［Ｖ］を測定する。
【００２４】
そして、ホットキャリアストレス印加時の劣化量におけるＢＴＩ成分は、ＢＴＩストレス印加時の劣化量と等しいと考え（ステップＳ３０３）、ホットキャリアストレス印加時の劣化量からＢＴＩストレス印加時の劣化量を引いた量をホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分とする（ステップＳ３０４）。具体的には、ホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ２［Ｖ］からＢＴＩストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ１［Ｖ］を引いた電圧ΔＶｔｈ［Ｖ］をホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分とする。
【００２５】
しかしながら、上記説明した従来の方法では、ホットキャリアストレス印加時の劣化量におけるＢＴＩ成分は、ＢＴＩストレス印加時の劣化量と等しいとしているが、実際には異なっていることがわかっている。図４は、ＮＭＯＳトランジスタ５にＢＴＩストレス印加した場合とホットキャリアストレス印加した場合のゲート絶縁膜に発生する電界を表す模式図である。なお、本図では、ゲート絶縁膜に描かれている矢印が電界の方向と大きさとを表している。従って、実際には、ＢＴＩストレス印加時の電界の方がホットキャリアストレス印加時の電界よりも平均電界が大きくなっていることがわかる。
【００２６】
図５は、ＮＭＯＳトランジスタ５に、ＢＴＩストレス印加した場合とホットキャリアストレス印加した場合のゲート絶縁膜に発生する電界をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。図において、点線はＢＴＩストレス印加時の電界、実線はホットキャリアストレス印加時の電界を表す。図をみると、ＢＴＩストレス印加時とホットキャリアストレス印加時の絶縁膜における電界の違いは明らかである。
【００２７】
一方、ＢＴＩストレス印加時のＢＴＩ劣化は、ゲート絶縁膜の膜厚方向に印加される電界に強く依存することが知られている。このため、ホットキャリアストレス印加による劣化量から、ドレインに電圧を印加しないＢＴＩストレス印加時のＢＴＩ劣化量をそのまま引いてしまうと、ＢＴＩ成分を過剰に引きすぎてしまうため、ＨＣ成分を過小評価してしまい、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分（劣化量）が実際より少なくなってしまうという問題がある。
【００２８】
（本実施の形態におけるＨＣ成分の算出方法）
これに対して、本実施の形態では、ＢＴＩストレス印加による閾値電圧シフトΔＶｔｈとゲート電流密度Ｊｇとの相関関係を利用して、ホットキャリアストレス印加による劣化量を、ＢＴＩ成分とＨＣ成分とに精度よく分離することができる。以後、ＮＭＯＳトランジスタ５のホットキャリア劣化寿命を求めるため、本実施の形態にかかる評価装置でホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める方法について説明する。
【００２９】
初めに、ＮＭＯＳトランジスタ５にＢＴＩストレス印加を行う。具体的には、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲートに複数の電圧をそれぞれ一定時間印加し、各電圧における閾値電圧シフトΔＶｔｈを求める。図６は、ＮＭＯＳトランジスタ５にＢＴＩストレス印加を行う方法を説明する図である。
【００３０】
なお、本例では、ゲートに印加する電圧Ｖｇは、１．６、１．８、２．０、２．２、２．４［Ｖ］とし、それぞれ１０２４秒間印加する。なお、本例では、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート絶縁膜には、窒素添加ハフニウム・シリコン酸化物の高誘電体膜を用いている。図７は、ＢＴＩストレス印加時において、ゲート電圧Ｖｇごとに測定された印加時間［ｓ］と閾値電圧シフトΔＶｔｈ［Ｖ］の関係を示すグラフである。ここで、閾値電圧シフトΔＶｔｈは、ＢＴＩストレス劣化量の１つである。本例では、ドレイン電圧Ｖｄ＝５０［ｍＶ］で、ドレイン電流Ｉｄ−ゲート電圧Ｖｇの測定を行い、Ｉｄ×（Ｌ／Ｗ）＝１［μＡ］（Ｌ：ゲート長、Ｗ：ゲート幅）となる時のゲート電圧Ｖｇが閾値電圧Ｖｔｈであるとして、閾値電圧シフトΔＶｔｈを求めている。なお、閾値電圧シフトΔＶｔｈの求め方は、これに限定されるものではない。
【００３１】
さらに、ＢＴＩストレス印加時に、ゲートに印加する電圧Ｖｇごとにゲート絶縁膜中を流れるゲート電流密度Ｊｇ［Ａ／ｃｍ２］を測定し、各ゲート電圧Ｖｇにおける閾値電圧シフトΔＶｔｈと、各ゲート電圧Ｖｇを一定時間（本例では、１０２４秒間）印加した時点でのゲート電流密度Ｊｇとをグラフにプロットする。図８は、ＢＴＩストレス印加時において、閾値電圧シフトΔＶｔｈとゲート電流密度Ｊｇの関係を示すグラフである。ここで、グラフをみると、ＢＴＩストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈとゲート電流密度Ｊｇとの間には相関があり、ゲート電流密度Ｊｇが大きいほどＢＴＩストレス印加による閾値電圧シフトΔＶｔｈが大きいことがわかる。
【００３２】
本実施の形態では、ＢＴＩ劣化による閾値電圧シフトΔＶｔｈのゲート電流密度依存性を、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める方法（ホットキャリア劣化量をＢＴＩ成分とＨＣ成分とに分離する方法）に利用するために、ＢＴＩ劣化による閾値電圧シフトΔＶｔｈをゲート電流密度Ｊｇの関数として近似した式を用いる。つまり、図８に示すように、ＢＴＩストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈをゲート電流密度Ｊｇの関数として、式（１）のような近似式を求める。
【数１】
2010085354.tif 000003
【００３３】
ここで、ａおよびｂは数値である。そして、式（１）がホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈとゲート電流密度Ｊｇの関係も表すとして、ホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ（ＢＴＩ成分）を算出する。
【００３４】
なお本例では、式（１）は、具体的には式（２）のような近似式となる。
【数２】
2010085354.tif 000004
【００３５】
続いて、ＮＭＯＳトランジスタ５にホットキャリアストレス印加を行う。具体的には、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲートおよびドレインに電圧をそれぞれ一定時間印加し、閾値電圧シフトΔＶｔｈを求める。この際の印加時間は、ＢＴＩストレス印加した時の時間と同じとする。図９は、ＮＭＯＳトランジスタ５にホットキャリアストレス印加を行う方法を説明する図である。なお、本例では、ゲートに印加する電圧Ｖｇおよびドレインに印加する電圧Ｖｄは、それぞれ２［Ｖ］とし、１０２４秒間印加する。図１０は、ホットキャリアストレス印加時において、印加時間と閾値電圧シフトΔＶｔｈの関係を示すグラフである。ここで、閾値電圧シフトΔＶｔｈは、ホットキャリアストレス劣化量の１つである。
【００３６】
さらに、前述したのと同様に、ホットキャリアストレス印加を一定時間行った後に、ゲート絶縁膜中を流れるゲート電流密度Ｊｇを測定する。この時の印加時間は、ＢＴＩストレス印加を行ってゲート電流密度Ｊｇを測定した時の時間と同じとする。なお、本例では、ゲート電圧Ｖｇおよびドレイン電圧Ｖｄを１０２４秒間印加した時点でのゲート電流密度Ｊｇを測定する。
【００３７】
そして、式（１）（本例では、式（２））を用いて、ホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ（ＢＴＩ成分）を算出する。最後に、ホットキャリアストレス劣化による閾値電圧シフトΔＶｔｈ（本例では、１０２４秒間印加）から、算出した閾値電圧シフトΔＶｔｈ（ＢＴＩ成分）を差し引くことにより、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を算出することができる。
【００３８】
ここで、本実施の形態にかかる方法の有効性について検討する。図１１は、ゲート長Ｌの異なるＮＭＯＳトランジスタ５に対して、本実施の形態にかかる方法で、ＢＴＩストレス印加およびホットキャリアストレス印加をそれぞれ行い、ホットキャリア劣化量からＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果をゲート長Ｌごとにプロットしたグラフである。本例では、ＢＴＩストレス印加時には、ゲートに印加する電圧Ｖｇを２［Ｖ］とし、１０２４秒間印加し、ホットキャリアストレス印加時には、ゲートに印加する電圧Ｖｇおよびドレインに印加する電圧Ｖｄを、それぞれ２［Ｖ］とし、１０２４秒間印加している。
【００３９】
図において、□はホットキャリア劣化量、●はホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分、黒三角はホットキャリア劣化量におけるＢＴＩ成分を示している。また、図の実線は、ＨＣ成分の各プロット点をつなげたもの、および、ＢＴＩ成分の各プロット点をつなげたものである。図をみると、本実施の形態にかかる方法を用いてホットキャリア劣化量からＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した場合、ＢＴＩ成分がゲート長に対してあまり変化しないのに対し、ＨＣ成分がゲート長の減少とともに大きく増加していることがわかる。
【００４０】
一般的に、ＢＴＩ劣化はゲート長に対して大きく変動しないが、ホットキャリア劣化はゲート長の微細化に伴いチャネル電界が強くなるため、ゲート長に対して大きく変動することが知られている。さらに、長チャネル電界効果トランジスタにおいては、ホットキャリア劣化が発生しにくくなることが知られている。従って、本実施の形態にかかる方法でホットキャリア劣化量からＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果は、ＢＴＩ劣化およびホットキャリア劣化のゲート長に対する依存性と整合しており、ホットキャリア劣化量におけるＢＴＩ成分を、ＢＴＩ劣化による閾値電圧シフトΔＶｔｈのゲート電流密度依存性を利用して求めることができることを示している。
【００４１】
さらに、ホットキャリア劣化量から、本実施の形態にかかる方法でＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果と、従来の方法でＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果とについて比較する。図１２は、ゲート長Ｌの異なるＮＭＯＳトランジスタ５に対して、本実施の形態にかかる方法と従来の方法とで、ホットキャリア劣化量からＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果をゲート長Ｌごとにプロットしたグラフである。本例では、図１１と同様に、ＢＴＩストレス印加時には、ゲートに印加する電圧Ｖｇを２［Ｖ］とし、１０２４秒間印加し、ホットキャリアストレス印加時には、ゲートに印加する電圧Ｖｇおよびドレインに印加する電圧Ｖｄを、それぞれ２［Ｖ］とし、１０２４秒間印加している。
【００４２】
図において、□はホットキャリア劣化量、●は本実施の形態にかかる方法で算出したホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分、黒三角は本実施の形態にかかる方法で算出したホットキャリア劣化量におけるＢＴＩ成分を示している。これに対し、○は従来の方法で算出したホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分、△は従来の方法で算出したホットキャリア劣化量におけるＢＴＩ成分を示している。また、図の実線は、本実施の形態にかかる方法で算出したＨＣ成分の各プロット点をつなげたものであり、図の点線は、従来の方法で算出したＨＣ成分の各プロット点をつなげたものである。
【００４３】
図をみると、従来の方法でＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離すると、一部の分離結果においてＨＣ成分がマイナスになっていることがわかる。これは、ＢＴＩストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈが、ホットキャリアストレス印加時のＰＢＴＩ成分の閾値電圧シフトΔＶｔｈよりも大きいため、従来の方法での単純な引き算ではＢＴＩ成分を過剰に引きすぎてしまうことを表している。
【００４４】
これに対して、本実施の形態にかかる方法でＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果では、ＨＣ成分がマイナスになることはない。このことからも、本実施の形態における分離方法が、従来の分離方法よりも精度良く、ホットキャリアストレス劣化量をＢＴＩ成分とＨＣ成分とに分離できていることがわかる。以上より、本実施の形態にかかる方法の有効性が高いことがわかる。
【００４５】
次に、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める具体的な方法について説明する。図１３は、本実施の形態にかかる評価装置でホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める方法を示すフローチャートである。
【００４６】
初めに、電圧印加部６は、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート電極に特定のストレス電圧を一定時間印加し、ＢＴＩストレス印加を行う（ステップＳ１３０１）。
【００４７】
次に、測定部７は、一定時間ＢＴＩストレス印加した時の閾値電圧シフトΔＶｔｈおよびゲート電流密度Ｊｇを測定する（ステップＳ１３０２）。
【００４８】
次に、電圧印加部６は、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート電極に、さらに、他の電圧を印加するか否かを判断する（ステップＳ１３０３）。これは、次のステップＳ１３０４で、閾値電圧シフトΔＶｔｈとゲート電流密度Ｊｇの関係を近似するためには、少なくとも２つの電圧値でＢＴＩストレス印加を行い、各電圧値での閾値電圧シフトΔＶｔｈおよびゲート電流密度Ｊｇの測定をする必要があるためである。そして、ＢＴＩストレス印加する電圧値の数が多いほうが、近似式の精度はあがる。なお、ＢＴＩストレス印加する電圧値の数は、設定によりあらかじめ決められている。
【００４９】
電圧印加部６は、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート電極に、さらに、他の電圧を印加すると判断した場合（ステップＳ１３０３：Ｙｅｓ）、ステップＳ１３０１へ戻り他の電圧値でＢＴＩストレス印加を行う。他の電圧を印加しないと判断した場合（ステップＳ１３０３：Ｎｏ）、次のステップＳ１３０４へ進む。
【００５０】
なお、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート絶縁膜に、窒素添加ハフニウム・シリコン酸化物の高誘電体膜を用い、ＢＴＩストレス印加する電圧値として、ゲート電極に、Ｖｇ＝１．６［Ｖ］、１．８［Ｖ］、２［Ｖ］、２．２［Ｖ］、２．４［Ｖ］を、それぞれ１０２４秒間印加した場合、前述した図７および図８の関係が成立する。
【００５１】
ステップＳ１３０４で、近似部８は、ゲート電流密度Ｊｇに対する閾値電圧シフトΔＶｔｈをプロットし、閾値電圧シフトΔＶｔｈとゲート電流密度Ｊｇの関係を近似する。近似部８は、具体的には、図８に示すようなグラフを作成し、式（１）のような近似式を求める。なお、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート絶縁膜に、窒素添加ハフニウム・シリコン酸化物の高誘電体膜を用いた場合、近似式は前述した式（２）となる。
【００５２】
次に、電圧印加部６は、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート電極およびドレイン電極に特定のストレス電圧を一定時間印加し、ホットキャリアストレス印加を行う（ステップＳ１３０５）。ここで、ステップＳ１３０５での印加時間は、ステップＳ１３０１でＢＴＩストレス印加した時の時間と同じとする。
【００５３】
次に、測定部７は、一定時間ホットキャリアストレス印加した時の閾値電圧シフトΔＶｔｈおよびゲート電流密度Ｊｇを測定する（ステップＳ１３０６）。
【００５４】
なお、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート絶縁膜に、ホットキャリアストレス印加する電圧値として、ゲート電極にＶｇ＝２［Ｖ］、ドレイン電極にＶｄ＝２［Ｖ］を、１０２４秒間印加した場合、前述した図１０の関係が成立する。
【００５５】
次に、算出部９は、ホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ（ホットキャリア劣化量）におけるＢＴＩ成分を算出する（ステップＳ１３０７）。算出部９は、具体的には、ステップＳ１３０６で求めたゲート電流密度Ｊｇの値を式（１）の近似式に代入することにより、ホットキャリアストレス印加時の平均的なＢＴＩ成分を算出する。
【００５６】
なお、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート絶縁膜に、窒素添加ハフニウム・シリコン酸化物の高誘電体膜を用いた場合、ホットキャリアストレス印加時のゲート電流密度Ｊｇの値を式（２）に代入することにより、ホットキャリアストレス印加時の平均的なＢＴＩ成分を算出する。
【００５７】
最後に、算出部９は、ホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈ（ホットキャリア劣化量）におけるＨＣ成分を算出する（ステップＳ１３０８）。算出部９は、具体的には、ホットキャリア劣化量を表すホットキャリアストレス印加時の閾値電圧シフトΔＶｔｈから、ステップＳ１３０７で算出したホットキャリアストレス印加時のＢＴＩ成分を差し引くことにより、ホットキャリアストレス印加時のＨＣ成分を算出する。図１４は、図１０のグラフの閾値電圧シフトΔＶｔｈ（ホットキャリア劣化量）を、ＨＣ成分とＢＴＩ成分とに分離した図である。以上により、ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求めることができる。
【００５８】
前述したように、ＢＴＩ劣化はゲート絶縁膜の膜厚方向の電界に強く依存して劣化が進行する。一方、ストレス印加時にゲート絶縁膜を通して流れるゲートリーク電流も、ゲート絶縁膜の膜厚方向に印加される電界で記述される物理量である。したがって、ストレス印加時のゲートリーク電流を測定し、これを指標として用いることで、ゲート絶縁膜の膜厚方向に印加される平均電界とみなすことができる。これにより、ホットキャリアストレス印加時のようにゲート電極のみならず、ドレイン電極にも電圧が印加され、ゲート絶縁膜の膜厚方向の電界がチャネル方向で変化するような測定条件においても、簡易的に平均電界を考慮した劣化量の算出が可能となる。この方法によれば、電界効果トランジスタのホットキャリアによる劣化量をＢＴＩ成分とＨＣ成分とに分離する際に、従来の方法よりも簡単に精度の高い分離を実現することが可能となる。
【００５９】
なお、本実施の形態では、ＮＭＯＳトランジスタを用いて、ホットキャリアストレス劣化量をＰＢＴＩ（ＢＴＩ）成分とＨＣ成分とに分離しているが、ＰＭＯＳトランジスタを用いて、ホットキャリアストレス劣化量をＮＢＴＩ（ＢＴＩ）成分とＨＣ成分とに分離することも可能である。
【００６０】
また、本実施の形態では、ＢＴＩストレス劣化量およびホットキャリアストレス劣化量として、閾値電圧シフトΔＶｔｈを利用しているが、ゲート電流密度との依存性があるドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０を利用することも可能である。
【００６１】
以下、具体的な方法について説明すると、初めに、ＮＭＯＳトランジスタ５のゲート電極に、少なくとも２つの電圧値でストレス電圧を一定時間印加し、ＢＴＩストレス印加を行い、各ストレス電圧値でＢＴＩストレス印加時のドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０およびゲート電流密度Ｊｇを測定する。本例では、ストレス電圧印加前にドレイン電流Ｉｄ−ゲート電圧Ｖｇの測定を行い、適当なゲート電圧Ｖｇおよびドレイン電圧Ｖｄ（例えば、Ｖｇ＝Ｖｄ＝１［Ｖ］）におけるドレイン電流ＩｄをＩｄ０（Ｉｄ（０））とし、さらにストレス電圧印加後に、同様にドレイン電流Ｉｄ−ゲート電圧Ｖｇの測定を行い、同じゲート電圧Ｖｇおよびドレイン電圧Ｖｄにおけるドレイン電流ＩｄをＩｄ（Ｉｄ（ｔ））とする。そして、ΔＩｄ＝Ｉｄ（Ｉｄ（ｔ））−Ｉｄ０（Ｉｄ（０））として、ドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０を求めている。なお、ドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０の求め方は、これに限定されるものではない。
【００６２】
次に、ゲート電流密度Ｊｇに対するドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０をプロットし、ドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０とゲート電流密度Ｊｇの関係を、式（３）のように近似する。ここで、ａおよびｂは数値である。
【数３】
2010085354.tif 000005
【００６３】
次に、ゲート電極およびドレイン電極に同じ大きさの電圧を一定時間印加して、ホットキャリアストレス印加時のドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０およびゲート電流密度Ｊｇを測定し、ゲート電流密度Ｊｇの値を式（３）の近似式に代入することにより、ホットキャリアストレス印加時のドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０におけるＢＴＩ成分を算出する。
【００６４】
最後に、ホットキャリア劣化量を表すホットキャリアストレス印加時のドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０から、算出したＢＴＩ成分であるドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０を差し引くことにより、ホットキャリアストレス印加時のＨＣ成分であるドレイン電流劣化量ΔＩｄ／Ｉｄ０を算出することができる。
【００６５】
さらに、ドレイン電流劣化量の代わりに、ゲート電流密度との依存性がある他の物理量、例えば、相互コンダクタンス変化量、界面準位量、または、移動度変化量を、ＢＴＩストレス劣化量およびホットキャリアストレス劣化量として用いて、ホットキャリアストレス劣化量をＢＴＩ成分とＨＣ成分とに分離することも可能である。
【００６６】
また、本実施の形態では、ゲート絶縁膜として窒素添加ハフニウム・シリコン酸化物の高誘電体膜を用いているが、これに限定されるものではなく、その他の高誘電体膜、シリコン熱酸化膜、窒素を含有する酸化膜、または、窒素化膜でも適用可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形しても実施可能である。
【００６７】
また、本実施の形態にかかる評価装置で実行される評価プログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供される。
【００６８】
本実施の形態にかかる評価装置で実行される評価プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。
【００６９】
さらに、本実施の形態にかかる評価装置で実行される評価プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施の形態にかかる評価装置で実行される評価プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
【００７０】
本実施の形態の評価装置で実行される評価プログラムは、上述した各部（電圧印加部、測定部、近似部、および、算出部）を含むモジュール構成となっており、実際のハードウェアとしてはＣＰＵ（プロセッサ）が上記ＲＯＭから評価プログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、電圧印加部、測定部、近似部、および、算出部が主記憶装置上に生成されるようになっている。
【００７１】
このように、本実施の形態にかかる評価装置によれば、ＭＯＳトランジスタにおいて、ＢＴＩストレス印加による閾値電圧シフト（劣化量）とゲート電流密度の相関関係を利用することにより、ホットキャリアストレス印加による閾値電圧シフト（劣化量）をＢＴＩ（バイアス温度不安定性）成分とＨＣ（ホットキャリア）成分とに簡単に精度良く分離することができるので、ＭＯＳトランジスタのホットキャリア劣化寿命を正確に求めることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、全ての電界効果トランジスタに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本実施の形態にかかる評価装置のハードウェア構成を示す図である。
【図２】評価装置の機能構成を示すブロック図である。
【図３】ホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める従来の方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】ＮＭＯＳトランジスタに、ＢＴＩストレス印加した場合とホットキャリアストレス印加した場合のゲート絶縁膜に発生する電界を表す模式図である。
【図５】ＮＭＯＳトランジスタに、ＢＴＩストレス印加した場合とホットキャリアストレス印加した場合のゲート絶縁膜に発生する電界をシミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。
【図６】ＮＭＯＳトランジスタにＢＴＩストレス印加を行う方法を説明する図である。
【図７】ＢＴＩストレス印加時において、ゲート電圧ごとに測定された印加時間と閾値電圧シフトの関係を示すグラフである。
【図８】ＢＴＩストレス印加時において、閾値電圧シフトとゲート電流密度の関係を示すグラフである。
【図９】ＮＭＯＳトランジスタにホットキャリアストレス印加を行う方法を説明する図である。
【図１０】ホットキャリアストレス印加時において、印加時間と閾値電圧シフトの関係を示すグラフである。
【図１１】ゲート長の異なるＮＭＯＳトランジスタに対して、本実施の形態にかかる方法でホットキャリア劣化量からＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果をゲート長ごとにプロットしたグラフである。
【図１２】ゲート長の異なるＮＭＯＳトランジスタに対して、本実施の形態にかかる方法と従来の方法とで、ホットキャリア劣化量からＨＣ成分とＢＴＩ成分とを分離した結果をゲート長ごとにプロットしたグラフである。
【図１３】本実施の形態にかかる評価装置でホットキャリア劣化量におけるＨＣ成分を求める方法を示すフローチャートである。
【図１４】図１０のグラフの閾値電圧シフト（ホットキャリア劣化量）を、ＨＣ成分とＢＴＩ成分とに分離した図である。
【符号の説明】
【００７４】
１  評価装置
２  パーソナルコンピュータ
３  半導体パラメータアナライザ
４  配線
５  ＮＭＯＳトランジスタ
６  電圧印加部
７  測定部
８  近似部
９  算出部
【図１】
2010085354.tif 000007
【図２】
2010085354.tif 000008
【図３】
2010085354.tif 000009
【図４】
2010085354.tif 000010
【図５】
2010085354.tif 000011
【図６】
2010085354.tif 000012
【図７】
2010085354.tif 000013
【図８】
2010085354.tif 000014
【図９】
2010085354.tif 000015
【図１０】
2010085354.tif 000016
【図１１】
2010085354.tif 000017
【図１２】
2010085354.tif 000018
【図１３】
2010085354.tif 000019
【図１４】
2010085354.tif 000020