(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置に用いられる絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間を前記絶縁膜の寿命として推定する絶縁膜の寿命推定方法であって、
前記絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に課されるストレス条件と、前記テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロットにおける傾きが低下し始めるまでに要する時間、又は前記テスト用絶縁膜に流れるＦＮ電流が減少し始めるまでに要する時間との相関関係を求める工程と、
前記テスト用絶縁膜に第１のストレス条件を課して前記テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第１の絶縁破壊時間を実測する工程と、
前記相関関係と前記第１の絶縁破壊時間とに基づき、第２のストレス条件が課された前記絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の絶縁破壊時間を推定する工程とを備えていることを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記ストレス条件はストレス電圧又はストレス電界であることを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記絶縁膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項４】
請求項１に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記絶縁膜はＭＯＳ型素子のゲート絶縁膜であることを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項５】
半導体装置に用いられる絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間を前記絶縁膜の寿命として推定する絶縁膜の寿命推定方法であって、
前記絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、前記絶縁膜が絶縁破壊するまでに前記絶縁膜に注入される電子の合計量である総注入電子量が一定となるときの値を臨界注入電子量として求める第１の工程と、
所定のストレス条件下において前記絶縁膜に注入される電子の合計量が前記臨界注入電子量に達するまでに要する時間を前記絶縁膜の寿命として推定する第２の工程とを備えていることを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第１の工程は、前記絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に対してストレス電圧を印加して、前記テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、前記ストレス電圧が印加されたときに前記テスト用絶縁膜に流れる電子電流とに基づき、前記総注入電子量を求める工程を含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項７】
請求項５に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第２の工程は、
ＴBD ＝ ＱBDcrit ／ ＩG
（但し、ＴBDは前記絶縁膜の寿命であり、ＱBDcritは前記臨界注入電子量であり、ＩG は前記所定のストレス条件下において前記絶縁膜に流れる電子電流の大きさである）
を用いて前記絶縁膜の寿命を求める工程を含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項８】
請求項５に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第１の工程は、前記絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、前記絶縁膜が絶縁破壊するまでに前記絶縁膜に注入されるホールの合計量である総注入ホール量が一定となるときの値を臨界注入ホール量として求めた後、前記臨界注入ホール量に基づき前記臨界注入電子量を求める工程を含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項９】
請求項８に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第１の工程における前記臨界注入ホール量を求める工程は、前記絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に対してストレス電圧を印加して、前記テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、前記ストレス電圧が印加されたときに前記テスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、前記総注入ホール量を求める工程を含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第１の工程における前記臨界注入ホール量を求める工程は、前記絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に印加されるストレス電圧と、前記テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロットにおける傾きが低下し始めるまでに要する時間との相関関係を求める工程と、前記テスト用絶縁膜に第１のストレス電圧を印加して前記テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第１の絶縁破壊時間を実測する工程と、前記相関関係と前記第１の絶縁破壊時間とに基づき、第２のストレス電圧が印加された前記絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第２の絶縁破壊時間を推定する工程と、前記第２の絶縁破壊時間と、前記第２のストレス電圧が印加されたときに前記テスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、前記総注入ホール量を求める工程とを含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項１１】
請求項５に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第２の工程において推定された前記絶縁膜の寿命を第１の仮寿命とし、
前記絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、前記絶縁膜が絶縁破壊するまでに前記絶縁膜に注入されるホールの合計量である総注入ホール量が一定となるときの値を臨界注入ホール量として求める第３の工程と、
前記所定のストレス条件下において前記絶縁膜に注入されるホールの合計量が前記臨界注入ホール量に達するまでに要する時間を前記絶縁膜の第２の仮寿命として推定する第４の工程と、
前記第１の仮寿命と前記第２の仮寿命とに基づき前記絶縁膜の寿命を求める第５の工程とをさらに備えていることを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第３の工程は、前記絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に対してストレス電圧を印加して、前記テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、前記ストレス電圧が印加されたときに前記テスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、前記総注入ホール量を求める工程を含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第３の工程は、前記絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に印加されるストレス電圧と、前記テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロットにおける傾きが低下し始めるまでに要する時間との相関関係を求める工程と、前記テスト用絶縁膜に第１のストレス電圧を印加して前記テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第１の絶縁破壊時間を実測する工程と、前記相関関係と前記第１の絶縁破壊時間とに基づき、第２のストレス電圧が印加された前記絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第２の絶縁破壊時間を推定する工程と、前記第２の絶縁破壊時間と、前記第２のストレス電圧が印加されたときに前記テスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、前記総注入ホール量を求める工程とを含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第４の工程は、
ＴBDh ＝ ＱPcrit ／ Ｉsub
（但し、ＴBDh は前記第２の仮寿命であり、ＱPcrit は前記臨界注入ホール量であり、Ｉsub は前記所定のストレス条件下において前記絶縁膜に流れるホール電流の大きさである）
を用いて前記第２の仮寿命を求める工程を含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項１５】
請求項１１に記載の絶縁膜の寿命推定方法において、
前記第５の工程は、
１／ＴBD  ＝  １／ＴBDe  ＋ １／ＴBDh
（但し、ＴBDは前記絶縁膜の寿命であり、ＴBDe は前記第１の仮寿命であり、ＴBDh は前記第２の仮寿命である）
を用いて前記絶縁膜の寿命を求める工程を含むことを特徴とする絶縁膜の寿命推定方法。
【請求項１６】
半導体装置に用いられる絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間を評価する半導体装置の管理方法であって、
前記絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、前記絶縁膜が絶縁破壊するまでに前記絶縁膜に注入される電子の合計量である総注入電子量が一定となるときの値を臨界注入電子量として求める第１の工程と、
前記半導体装置の実使用条件下において前記絶縁膜に注入される電子の合計量が前記臨界注入電子量に達するまでに要する第１の時間を推定する第２の工程と、
前記第１の時間が所定値以上である場合、前記絶縁膜と同一仕様の第１のテスト用絶縁膜に、前記絶縁膜に前記半導体装置の実使用条件下で印加される電圧よりも高い試験電圧を印加して前記第１のテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の時間を求めた後、該第２の時間に基づき、前記絶縁膜における予め定められた管理項目と対応する管理基準を決定する第３の工程と、
前記絶縁膜と同一仕様の第２のテスト用絶縁膜に前記試験電圧を印加して、前記第２のテスト用絶縁膜における前記管理項目を測定した後、該測定の結果が前記管理基準を満たしているかどうかを判定する第４の工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の管理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［技術分野］
本発明は、半導体装置に用いられる絶縁膜の寿命推定方法及びそれを用いた半導体装置の管理方法に関する。
【０００２】
［背景技術］
以下、従来の絶縁膜の寿命推定方法について、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命を推定する場合を例として説明する。
【０００３】
尚、本明細書において、電圧値又は電流値の前の負符号は、基板側に対してゲート電極側が低電位であることを意味する。また、本明細書において、絶縁破壊とは、比較的厚い絶縁膜においてはストレスの印加による急峻なリーク電流の増大つまりハードブレークダウン（hard-breakdown：ＨＢＤ）の発生を意味する一方、比較的薄い絶縁膜においてはソフトブレークダウン（soft-breakdown：ＳＢＤ）の発生を意味するものとする。但し、比較的薄い絶縁膜においてＳＢＤと同時にＨＢＤが発生した場合もＳＢＤの発生とみなすものとする。
【０００４】
まず、テスト用のＭＯＳＦＥＴのゲート電極に対して、通常使用する実使用電圧（例えば絶対値で１．５Ｖ）よりも大きな加速電圧（例えば絶対値で６Ｖ）を印加すると共にゲート絶縁膜を流れる電流を測定することによって、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間つまり絶縁膜寿命を測定する（加速試験）。このとき、実使用電圧に比べて加速電圧が大きくなるに従って、加速試験により得られる絶縁膜寿命は、実使用条件下での絶縁膜寿命に比べて短くなる。
【０００５】
次に、ゲート絶縁膜に印加される電圧又は電界と絶縁膜寿命との関係つまり電圧−寿命モデル（予め決定しておく）に基づき、加速試験により得られた絶縁膜寿命を外挿して、実使用条件下での絶縁膜寿命を算出する。
【０００６】
〈第１の問題点〉
以下、従来の絶縁膜の寿命推定方法における第１の問題点について説明する。
【０００７】
従来の絶縁膜の寿命推定方法においては、加速試験で実際に絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間を測定しなければならないので、絶縁膜の寿命推定に要する時間が長くなってしまう。また、絶縁膜の寿命推定に要する時間を短くするために、加速電圧と実使用電圧との差を大きくすると、電圧−寿命モデルの精度に起因して、絶縁膜の寿命推定の精度が劣化してしまう。一方、絶縁膜の寿命推定の精度を向上させるために、加速電圧を実使用電圧に近づけて多数の加速試験を行なうと、絶縁膜の寿命推定に要する時間が一層長くなってしまう。
【０００８】
〈第２の問題点の前提〉
ところで、前述のように絶縁膜の寿命推定においては、正確な電圧−寿命モデルを求めておく必要がある。
【０００９】
以下、従来の代表的な電圧−寿命モデルとして、「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」について説明する。
【００１０】
図１２は、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜に印加されるストレス電圧と、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでにゲート絶縁膜に注入される電子及びホールの合計量である総注入電子量(ＱBD)及び総注入ホール量(ＱP )との関係を示している。尚、ゲート絶縁膜の膜厚は５ｎｍであり、ゲート長及びゲート幅はそれぞれ１００μｍである。すなわち、ゲート絶縁膜の面積は０．０１ｍｍ2 である。また、図１２において、総注入電子量ＱBDを白丸で示し、総注入ホール量ＱP を黒丸で示している。
【００１１】
図１２に示すように、総注入電子量ＱBDはストレス電圧が高くなるに従って減少する一方、総注入ホール量ＱP はストレス電圧に関係なく一定になる。このように総注入ホール量ＱP が一定になること、つまりアノード・ホール注入モデル（Anode Hole Injection Model）は既にＣ．Ｈｕらにより報告されている（例えば、I.C. Chen, S.E. Holland, C. Hu : IEEE Trans. Elec. Dev. 32 (1985) pp.413., J.C. Lee, I.C. Chen, C. Hu : IEEE Trans. Elec. Dev. 35 (1988) pp.2268. ）。
【００１２】
尚、本明細書において、「一定」は「略一定」を含むものとする。
【００１３】
アノード・ホール注入モデルにおいては、ストレス印加によって陰極側（例えばゲート電極）からゲート絶縁膜に注入された電子が陽極側（例えば基板）においてホールを生成した後、生成されたホールが再びゲート絶縁膜に注入されてゲート絶縁膜中に欠陥が生成されることにより、最終的にゲート絶縁膜が絶縁破壊すると考えられている。このとき、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでの総注入ホール量ＱP は一定であると考える。また、陽極側において電子によりホールが生成されてゲート絶縁膜中に注入される確率は、一般的に量子効率（γ）と呼ばれており、ストレス電圧に大きく依存している。従って、ＱP ＝γ×ＱBDの関係より、総注入電子量ＱBDは量子効率γを反映して変化することになる。
【００１４】
アノード・ホール注入モデルに従って推定されたゲート絶縁膜の寿命ＴBDは、ストレス電界ＥOX（ストレス電圧の印加に伴って実際にゲート絶縁膜中に形成される電界）の逆数に指数関数的に比例することが知られている。このため、アノード・ホール注入モデルは「１／Ｅモデル」とも呼ばれる。尚、ストレス電界ＥOXは、次式のように求めることができる。
【００１５】
ＥOX＝（ストレス電圧のうちゲート絶縁膜に印加される電圧）÷（ゲート絶縁膜の膜厚）
「１／Ｅモデル」に対して、「Ｅモデル」（例えば、J.W. McPherson, D.A. Baglee : Int. Rel. Phys. Symposium (1985) pp.1.）においては、ストレス電界ＥOX自体がゲート絶縁膜を劣化させることにより、最終的にゲート絶縁膜が絶縁破壊すると考えられている（J.W. McPherson and H.C. Mogul : J. Appl. Phys. 84 (1998) pp.1513-1523.）。
【００１６】
図１３は、ゲート絶縁膜中に形成されるストレス電界ＥOXと、「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」のそれぞれに従って推定されたゲート絶縁膜の寿命ＴBDとの関係を示している。尚、図１３に示すデータ、つまり「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」のそれぞれに従って推定されたゲート絶縁膜の寿命ＴBDは、図１２の場合と同一のゲート絶縁膜について得られたものであって、両者が１１〜１３ＭＶ／ｃｍのストレス電界ＥOXの範囲で略一致するようにフィッティングされたものである。
【００１７】
図１３に示すように、「１／Ｅモデル」に従って推定されたゲート絶縁膜の寿命ＴBD（破線参照）は、ストレス電界ＥOXが小さくなるに伴って片対数プロットにおいても指数関数的に増大している。一方、「Ｅモデル」に従って推定されたゲート絶縁膜の寿命ＴBD（実線参照）は、ストレス電界ＥOXに対して負の比例関係（片対数プロットにおいて）を有している。
【００１８】
〈第２の問題点〉
以下、「１／Ｅモデル」又は「Ｅモデル」等を用いた従来の絶縁膜の寿命推定方法における第２の問題点について説明する。
【００１９】
電圧−寿命モデルとして「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」のどちらが正しいのかについて、これまで明確な結論は得られていなかった。その原因の一つは、各モデルに従って推定される絶縁膜寿命の差を実際に観察しようとすると、非常に広い範囲のストレス電界に対して絶縁膜寿命の測定を行なう必要が生じる点にある。
【００２０】
具体的には、例えばストレス電界ＥOXが１１〜１３ＭＶ／ｃｍの領域でゲート絶縁膜の寿命ＴBDを実測した後、実測された寿命ＴBDに対して図１３に示す「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」を適用することにより、ストレス電界ＥOXが１１ＭＶ／ｃｍよりも小さい場合における寿命ＴBDを推定したとする。その場合、各モデルに従って推定される寿命ＴBD同士の間に顕著な差が観測され始めるのは、ストレス電界ＥOXが９ＭＶ／ｃｍ程度以下の領域である。
【００２１】
従って、「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」のどちらが正しいのかを調べるためには、ストレス電界ＥOXが９〜１３ＭＶ／ｃｍの領域でゲート絶縁膜の寿命ＴBDを実測する必要がある。ところで、このような広範囲の電界領域と対応する寿命ＴBDは６桁以上の幅を有することになる。また、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでの絶縁破壊時間にはばらつきが存在するため、試料となる多数のゲート絶縁膜について絶縁破壊時間を測定すると共に該測定結果を統計処理することによって寿命ＴBDを求める必要がある。このとき、前述のばらつきの影響を抑制するためには、より広範囲の電界領域と対応する寿命ＴBDを実測する必要がある。
【００２２】
しかしながら、６桁以上の幅を有する絶縁膜寿命を正確に測定することは困難であるため、従来、「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」のどちらが正しいのかについて明確な結論が得られていなかった。その結果、半導体装置の実使用条件下での絶縁膜の寿命、つまり弱い電界が形成されている絶縁膜の寿命を精度良く予測することができなかった。
【００２３】
［発明の開示］
〈本発明の目的〉
前記に鑑み、本発明は、絶縁膜の寿命推定を短時間で行なえるようにすることを第１の目的とし、半導体装置の実使用条件下での絶縁膜の寿命推定を精度良く行えるようにすることを第２の目的とする。
【００２４】
〈第１の目的を達成する解決原理〉
前記の第１の目的を達成するため、言い換えると、前記の第１の問題点を解決するため、本件発明者は、以下に説明するような検討を行なった。
【００２５】
まず、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜とポリシリコン膜からなるゲート電極とがｐ型シリコン基板上に形成されているＭＯＳＦＥＴを用意する。このとき、ゲート絶縁膜の膜厚は例えば６．０ｎｍであり、ゲート絶縁膜の面積は例えば０．０１ｍｍ2である。
【００２６】
次に、前記のＭＯＳＦＥＴ（以下、テスト用ＭＯＳＦＥＴと称する）のゲート電極に−６．０Ｖの定電圧つまりストレス電圧を印加する。その後、時間間隔Ｔが経過する毎にストレス電圧の印加を一時中断した後、ゲート電極にゲート電圧ＶG （例えば−４．５Ｖ）を印加してゲート絶縁膜を流れるゲート電流ＩG を測定する。これにより得られたゲート電圧ＶG とゲート電流ＩG との関係、つまりＩ−Ｖ特性を図１に示す。尚、図１において、時間間隔Ｔを０秒、１秒、１０秒、１００秒、１０００秒（ログスケールでは一定間隔）としたときのＩ−Ｖ特性をそれぞれ示している。
【００２７】
図１に示すように、ゲート電圧ＶG が所定の範囲にあるときは、時間間隔Ｔが長くなるに従って、つまりストレス印加時間の経過に伴って、ゲート電流ＩG が増加している。具体的には、例えばゲート電圧ＶG がストレス電圧と同じ電圧（−６．０Ｖ）であるときのゲート電流ＩG は、ストレス印加の初期（Ｔ＝０と対応）から絶縁破壊（図１の場合ではＴ＝１０００と対応）までの間、数倍程度しか変化していない。一方、例えばゲート電圧ＶG が−４．５Ｖであるときのゲート電流ＩG は、ストレス印加時間の経過に伴って徐々に増加して、最終的には数桁程度変化する。このようなストレス印加の初期から絶縁破壊に至るまでに大幅な増加が観測される電流（図１の場合では、ゲート電圧ＶG が−３〜−５．５Ｖ程度の範囲にあるときのゲート電流ＩG ）はＡモードＳＩＬＣ電流（Ａモードストレス誘起リーク電流）と呼ばれている。
【００２８】
図２は、図１に示すＡモードＳＩＬＣ電流ＩA （ＶG ＝−４．５Ｖ）とストレス印加時間ＴS との関係（破線参照）を示している。
【００２９】
すなわち、図２に示すＡモードＳＩＬＣ電流ＩA は、テスト用ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に−６．０Ｖの定電圧ストレスを印加した後、所定の時間が経過する毎にストレス印加を一時中断し、その後、ゲート電極に−４．５Ｖのゲート電圧を印加してゲート絶縁膜に流れるＡモードＳＩＬＣ電流ＩA を測定したものである。このとき、ゲート絶縁膜中に形成されるストレス電界ＥOXの大きさは１２．０ＭＶ／ｃｍ程度である。
【００３０】
尚、図２においては、ゲート電圧ＶG が−６．０Ｖのときにゲート絶縁膜を流れるゲート電流ＩG 、つまりＦＮ電流（ファウラーノルドハイム電流）ＩFNと、ストレス印加時間ＴS との関係（実線参照）も示している。図２に示すＦＮ電流ＩFNは、テスト用ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に−６．０Ｖの定電圧ストレスを印加した後、所定の時間が経過する毎にゲート絶縁膜に流れるＦＮ電流ＩFNを測定したものである。すなわち、ＦＮ電流ＩFNの測定においては、ストレス電圧とゲート電圧ＶG とが同じ大きさ（−６．０Ｖ）なので、ＡモードＳＩＬＣ電流ＩA の測定のときのようにストレス印加を一時中断する必要がない。
【００３１】
図２に示すように、ＡモードＳＩＬＣ電流ＩA はストレス印加時間ＴS の経過に伴って増大する。但し、ＡモードＳＩＬＣ電流ＩA の時間変化の図２つまり両対数プロット（横軸：ＴS 、縦軸：ＩA ）における傾きはストレス印加時間ＴS ＝変極時間ＴAsat（図２の場合ではＴAsat＝１８［ｓ］）以降は低下している。
【００３２】
また、図２に示すように、ＦＮ電流ＩFNは、ストレス印加時間ＴS ＝飽和時間ＴFNsat （図２の場合ではＴFNsat ＝８５［ｓ］）まではストレス印加時間ＴS の経過に伴って増大する一方、ストレス印加時間ＴS ＝飽和時間ＴFNsat 以降はストレス印加時間ＴS の経過に伴って減少する。言い換えると、ＦＮ電流ＩFNは、ストレス印加時間ＴS ＝飽和時間ＴFNsat で最大となる。
【００３３】
また、図２に示すように、テスト用ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜は、ストレス印加時間ＴS ＝絶縁破壊時間ＴBD（図２の場合ではＴBD＝２０００［ｓ］）で絶縁破壊している。
【００３４】
図３は、種々の大きさのストレス電圧（ゲート電極側が低電位）をテスト用ＭＯＳＦＥＴに印加した場合における、つまり、種々の大きさのストレス電界ＥOXがテスト用ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜に形成されている場合における、ゲート絶縁膜に流れるＡモードＳＩＬＣ電流ＩA （ＶG ＝−４．０Ｖ）とストレス印加時間ＴS との関係を示している。
【００３５】
尚、図３において、各ストレス電界ＥOXと対応するＡモードＳＩＬＣ電流ＩA のストレス印加時間ＴS に対する変化を白丸及び破線で示し、ストレス印加時間ＴS ＝変極時間ＴAsatでのＡモードＳＩＬＣ電流ＩA の値を黒四角で示し、ストレス印加時間ＴS ＝絶縁破壊時間ＴBDでのＡモードＳＩＬＣ電流ＩA の値を黒丸で示している。但し、ストレス電界ＥOXつまりストレス電圧が小さい場合、ＡモードＳＩＬＣ電流ＩA が小さいため、バックグラウンドとして存在している「ＡモードＳＩＬＣ電流ＩA 以外の電流成分」が顕在化するので、ＡモードＳＩＬＣ電流ＩA の挙動は不明瞭である。
【００３６】
図３に示すように、各ストレス電界ＥOXについて、変極時間ＴAsatと絶縁破壊時間ＴBDとの間には対応関係が存在する。
【００３７】
同様に、図示は省略しているが、各ストレス電界ＥOXについて、飽和時間ＴFNsat と絶縁破壊時間ＴBDとの間にも対応関係が存在する。
【００３８】
図４は、図３に示す結果等から得られた、ストレス電界ＥOXと、変極時間ＴAsat、飽和時間ＴFNsat 及び絶縁破壊時間ＴBDのそれぞれとの関係を示している。図４において、所定のストレス電界ＥOXと対応する変極時間ＴAsat、飽和時間ＴFNsat 及び絶縁破壊時間ＴBDのそれぞれを黒丸、黒四角及び白丸で示している。
【００３９】
図４に示すように、絶縁破壊時間ＴBDとストレス電界ＥOXとの相関関係を示す直線（破線参照）と、変極時間ＴAsatとストレス電界ＥOXとの相関関係を示す直線（実線参照）又は飽和時間ＴFNsat とストレス電界ＥOXとの相関関係を示す直線（一点鎖線参照）とは略平行になっている。このとき、前記の各相関関係を縦軸（時間）に対数を用いずに表した場合には、各相関関係を示すグラフ（曲線）同士の間隔が一定になる。
【００４０】
従って、変極時間ＴAsatとストレス電界ＥOXとの相関関係、又は飽和時間ＴFNsat とストレス電界ＥOXとの相関関係を求めると共に、第１のストレス電界ＥOXと対応する第１の絶縁破壊時間ＴBDを求めることにより、第２のストレス電界ＥOXと対応する第２の絶縁破壊時間ＴBDを推定することができる（以下、この方法を「非破壊寿命推定法」と称する）。すなわち、「非破壊寿命推定法」を用いることにより、加速試験において実際に絶縁破壊時間ＴBDを測定することなく、絶縁破壊時間ＴBDと比べて実用上十分に短い時間である変極時間ＴAsat又は飽和時間ＴFNsat を測定することにより、絶縁破壊時間ＴBDを推定することができる。
【００４１】
〈第２の目的を達成する解決原理〉
前記の第２の目的を達成するため、言い換えると、前記の第２の問題点を解決するため、本件発明者は、以下に説明するような検討を行なった。
【００４２】
まず、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜とポリシリコン膜からなるゲート電極とがｐ型シリコン基板上に形成されているＭＯＳＦＥＴを用意する。このとき、ゲート絶縁膜の膜厚は例えば５．０ｎｍであり、ゲート絶縁膜の面積は例えば０．０１ｍｍ2である。
【００４３】
次に、前記のＭＯＳＦＥＴ（以下、テスト用ＭＯＳＦＥＴと称する）のゲート電極にストレス電圧を印加した後、ストレス印加の開始からゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでの時間、つまり絶縁膜寿命ＴBDを実測する。
【００４４】
図５は、テスト用ＭＯＳＦＥＴを用いて実測された絶縁膜寿命ＴBDとストレス電圧との関係を示している。図５において、実測された絶縁膜寿命ＴBDを黒丸で示し、参考のために、「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDをそれぞれ破線及び実線で示している。尚、「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDは、実測された絶縁膜寿命ＴBDと最もよく一致するようにそれぞれフィッティングされたものである。また、「１／Ｅモデル」に従って絶縁膜寿命ＴBDを推定するときに、図１２に示す総注入ホール量ＱP （一定値）を用いている。
【００４５】
図５に示すように、実測された絶縁膜寿命ＴBDは、「１／Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDよりも、「Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDと良く一致している。すなわち、ストレス電圧が６Ｖ程度以下の範囲では、「１／Ｅモデル」よりも「Ｅモデル」の方が正確である。
【００４６】
また、図５に示すように、「１／Ｅモデル」、つまり総注入ホール量ＱP が一定になることを前提に推定された絶縁膜寿命ＴBDと比べて、実測された絶縁膜寿命ＴBDの方が小さくなっている。このことは、ストレス電圧の低下に伴って、総注入ホール量ＱP が実際には減少していることを意味する。
【００４７】
次に、実測された絶縁膜寿命ＴBDに基づき、総注入ホール量ＱP 及び総注入電子量ＱBDを求める。具体的には、所定のストレス電圧について実測された絶縁膜寿命ＴBDと、所定のストレス電圧が印加されたときにゲート絶縁膜に流れるホール電流Ｉsub （テスト用ＭＯＳＦＥＴの場合、所定のストレス電圧と対応する基板電流のうちゲート絶縁膜中を単位時間当たりに流れたホールの量に相当する）とに基づき、例えばＱP ＝ＴBD×Ｉsub を用いて総注入ホール量ＱP を求める。また、所定のストレス電圧について実測された絶縁膜寿命ＴBDと、所定のストレス電圧が印加されたときにゲート絶縁膜に流れる電子電流ＩG （テスト用ＭＯＳＦＥＴの場合、所定のストレス電圧と対応するゲート電流のうちゲート絶縁膜中を単位時間当たりに流れた電子の量に相当する）とに基づき、例えばＱBD＝ＴBD×ＩG を用いて総注入電子量ＱBDを求める。
【００４８】
図６は、図５に示す絶縁膜寿命ＴBD（実測値）に基づき算出された総注入ホール量ＱP 及び総注入電子量ＱBDと、ストレス電圧との関係を示している。
【００４９】
図６に示すように、総注入ホール量ＱP は、ストレス電圧が６Ｖ（絶対値）程度よりも高いときは一定になる一方、ストレス電圧が６Ｖ（絶対値）程度よりも低いときはストレス電圧の低下に伴って減少する。
【００５０】
一方、図６に示すように、総注入電子量ＱBDは、ストレス電圧が６Ｖ（絶対値）程度よりも高いときはストレス電圧の上昇に伴って減少する一方、ストレス電圧が６Ｖ（絶対値）程度よりも低いときは一定になる。
【００５１】
すなわち、ストレス電圧の低下に伴って、一定となるパラメータが総注入ホール量ＱP から総注入電子量ＱBDに変化している。
【００５２】
また、図６に示す場合（ゲート絶縁膜の面積つまりゲート面積が０．０１ｍｍ2 ）の場合、ストレス電圧の変化に対して一定となるときの総注入ホール量ＱP の値（以下、臨界注入ホール量ＱPcrit と称する）は１０-2［Ｃ／ｃｍ2 ］程度であり、ストレス電圧の変化に対して一定となるときの総注入電子量ＱBDの値（以下、臨界注入電子量ＱBDcritと称する）は１０3 ［Ｃ／ｃｍ2 ］程度である。すなわち、臨界注入電子量ＱBDcritは臨界注入ホール量ＱPcrit と比べて４〜５桁程度大きい。
【００５３】
次に、実測された絶縁膜寿命ＴBDに基づき求められた総注入電子量ＱBDと対応する臨界注入電子量ＱBDcritのみを用いて、言い換えると、電子のみがゲート絶縁膜を劣化させるとする「電子支配モデル」に従って、ゲート絶縁膜の第１の仮寿命ＴBDe を求める。このとき、例えば、
ＴBDe ＝  ＱBDcrit／ＩG ……（式１）
（但し、ＩG は所定のストレス電圧が印加されたときにゲート絶縁膜に流れる電子電流）を用いることができる。
【００５４】
また、実測された絶縁膜寿命ＴBDに基づき求められた総注入ホール量ＱP と対応する臨界注入ホール量ＱPcrit のみを用いて、言い換えると、ホールのみがゲート絶縁膜を劣化させるとする「ホール支配モデル」（つまり「１／Ｅモデル」）に従って、ゲート絶縁膜の第２の仮寿命ＴBDh を求める。このとき、例えば、
ＴBDh ＝  ＱPcrit ／Ｉsub ……（式２）
（但し、Ｉsub は所定のストレス電圧が印加されたときにゲート絶縁膜に流れるホール電流）を用いることができる。
【００５５】
図７は、図６に示す臨界注入電子量ＱBDcrit及び臨界注入ホール量ＱPcrit のそれぞれに基づき求められた第１の仮寿命ＴBDe 及び第２の仮寿命ＴBDh と、ストレス電圧との関係を示している。
【００５６】
図７においては、「電子支配モデル」に従って推定された第１の仮寿命ＴBDe を白丸で示し、「ホール支配モデル」に従って推定された第２の仮寿命ＴBDh を白四角で示している。また、参考のため、図７においては、「Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDを実線で示している。
【００５７】
ところで、現実には、ホール及び電子の両者がゲート絶縁膜を劣化させるため、実際の絶縁膜寿命ＴBDは、厳密には、次の（式３）により求められるべきである。
【００５８】
１／ＴBD  ＝  １／ＴBDe ＋  １／ＴBDh ……（式３）
特に、第１の仮寿命ＴBDe と第２の仮寿命ＴBDh とが同程度のオーダーになる場合、つまり、ゲート絶縁膜の劣化に対する電子及びホールの寄与が同程度になる場合（図７の場合で５．５Ｖ程度前後）、（式３）を用いて絶縁膜寿命ＴBDを推定することが好ましい。
【００５９】
その一方、第１の仮寿命ＴBDe と第２の仮寿命ＴBDh との間に大きな差が生じる場合、第１の仮寿命ＴBDe 及び第２の仮寿命ＴBDh のうちの小さい方（寿命の短い方）により絶縁膜寿命ＴBDを近似することができる。
【００６０】
従って、図７に示す結果から、正確な電圧−寿命モデルとして、「ストレス電圧が相対的に高い場合には、ホールによるゲート絶縁膜の劣化（第２の仮寿命ＴBDh ）が絶縁膜寿命ＴBDを規定し、ストレス電圧が相対的に低い場合には、電子によるゲート絶縁膜の劣化（第１の仮寿命ＴBDe ）が絶絶縁膜寿命ＴBDを規定する」モデル（以下、「ＤＣＣ（Dominant Carrier Change Model ）モデル」と称する）を用いるべきであることが判明した。
【００６１】
図８は、テスト用ＭＯＳＦＥＴについて「ＤＣＣモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDと、ストレス電圧との関係（実線）を示している。尚、参考のために、図８において、「１／Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDとストレス電圧との関係を破線で示し、「Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDとストレス電圧との関係を一点鎖線で示している。
【００６２】
図８に示すように、ストレス電圧が４〜６Ｖである場合、「ＤＣＣモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDは、「１／Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDと比べて短い。
【００６３】
また、図８に示すように、ストレス電圧が４Ｖ程度以下である場合、「ＤＣＣモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDは、「Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDと比べて長い。具体的には、ストレス電圧が４Ｖ程度以下である場合、「Ｅモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDはストレス電圧の低下に伴って片対数プロットにおいて直線的に増大するのに対して、「ＤＣＣモデル」に従って推定された絶縁膜寿命ＴBDはストレス電圧の低下に伴って片対数プロットにおいてもなお指数関数的に急激に増大する。
【００６４】
近年、「Ｅモデル」の正当性を実験的に示す報告が多数なされている。しかし、これは、ストレス電圧が相対的に低い場合の絶縁膜寿命（例えば図８でストレス電圧が４Ｖ程度以下の場合の絶縁膜寿命）の測定を実測可能な時間範囲において行なうことが不可能であったために、実測された絶縁膜寿命の時間範囲では「Ｅモデル」が正確であるように観察されていたからであると考えられる。
【００６５】
〈本発明の具体的な解決手段〉
本発明に係る第１の絶縁膜の寿命推定方法は、前記の知見、特に「非破壊寿命推定法」に基づきなされたものである。
【００６６】
具体的には、本発明に係る第１の絶縁膜の寿命推定方法は、半導体装置に用いられる絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間を絶縁膜の寿命として推定する絶縁膜の寿命推定方法を前提とし、絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に課されるストレス条件と、テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロットにおける傾きが低下し始めるまでに要する時間、又はテスト用絶縁膜に流れるＦＮ電流が減少し始めるまでに要する時間との相関関係を求める工程と、テスト用絶縁膜に第１のストレス条件を課してテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第１の絶縁破壊時間を実測する工程と、前記の相関関係と第１の絶縁破壊時間とに基づき、第２のストレス条件が課された絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の絶縁破壊時間を推定する工程とを備えている。
【００６７】
第１の絶縁膜の寿命推定方法によると、Ａモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロットにおける傾きが低下し始めるまでに要する時間（変極時間ＴAsat）、又はＦＮ電流が減少し始めるまでに要する時間（飽和時間ＴFNsat ）と、ストレス条件との相関関係を求めると共に、第１のストレス条件が課されたテスト用絶縁膜の第１の絶縁破壊時間を実測した後、変極時間ＴAsat又は飽和時間ＴFNsat とストレス条件との相関関係、及び第１の絶縁破壊時間に基づき、第２のストレス条件が課されたとしたときの絶縁膜の第２の絶縁破壊時間を推定する。このため、加速試験において実際にテスト用絶縁膜の絶縁破壊時間を測定する必要がなくなるので、絶縁膜の寿命推定を短時間で行なうことができる。
【００６８】
また、第１の絶縁膜の寿命推定方法によると、加速試験で得られる変極時間ＴAsat又は飽和時間ＴFNsat と絶縁破壊時間とを用いてゲート絶縁膜の寿命推定を行なうので、加速試験で得られる絶縁破壊時間のみを用いる従来の方法に比べて、ゲート絶縁膜の寿命推定を正確に行なうことができる。
【００６９】
第１の絶縁膜の寿命推定方法において、ストレス条件はストレス電圧又はストレス電界であることが好ましい。
【００７０】
このようにすると、変極時間ＴAsat又は飽和時間ＴFNsat とストレス条件との相関関係を確実に求めることができる。
【００７１】
第１の絶縁膜の寿命推定方法において、絶縁膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７２】
このようにすると、Ａモードストレス誘起リーク電流又はＦＮ電流を確実に測定することができる。
【００７３】
第１の絶縁膜の寿命推定方法において、絶縁膜はＭＯＳ型素子のゲート絶縁膜であることが好ましい。
【００７４】
このようにすると、ゲート絶縁膜の寿命推定を短時間で正確に行なうことができる。
【００７５】
本発明に係る第２の絶縁膜の寿命推定方法は、前記の知見、特に「ＤＣＣモデル」に基づきなされたものである。
【００７６】
具体的には、本発明に係る第２の絶縁膜の寿命推定方法は、半導体装置に用いられる絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間を絶縁膜の寿命として推定する絶縁膜の寿命推定方法を前提とし、絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、絶縁膜が絶縁破壊するまでに絶縁膜に注入される電子の合計量である総注入電子量が一定となるときの値を臨界注入電子量として求める第１の工程と、半導体装置の実使用条件下において絶縁膜に注入される電子の合計量が臨界注入電子量に達するまでに要する時間を絶縁膜の寿命として推定する第２の工程とを備えている。
【００７７】
第２の絶縁膜の寿命推定方法によると、絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、絶縁膜が絶縁破壊するまでに絶縁膜に注入される総注入電子量が一定となるときの値を臨界注入電子量として求めた後、半導体装置の実使用条件下において絶縁膜に注入される電子の合計量が臨界注入電子量に達するまでに要する時間を絶縁膜の寿命として推定する。
【００７８】
このため、臨界注入ホール量又はストレス電界に基づき寿命推定を行なう従来の方法（「１／Ｅモデル」又は「Ｅモデル」等）と比べて、半導体装置の実使用条件下での絶縁膜の寿命、つまり弱い電界が形成されている絶縁膜の寿命を精度良く推定することができる。
【００７９】
また、第２の絶縁膜の寿命推定方法によると、半導体装置の実使用条件下で推定された絶縁膜の寿命が、従来の「Ｅモデル」により寿命推定を行なった場合と比べて長くなるため、絶縁膜の膜厚又は製造プロセス条件等のマージンが増大する。その結果、従来採用されていなかった絶縁膜の膜厚又は製造プロセス条件等が半導体装置製造に適用可能となるので、半導体装置の動作速度等の性能を向上させることができる。
【００８０】
第２の絶縁膜の寿命推定方法において、第１の工程は、絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に対してストレス電圧を印加して、テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、ストレス電圧が印加されたときにテスト用絶縁膜に流れる電子電流とに基づき、総注入電子量を求める工程を含むことが好ましい。
【００８１】
このようにすると、総注入電子量を正確に求めることができる。
【００８２】
第２の絶縁膜の寿命推定方法において、第２の工程は、
ＴBD  ＝  ＱBDcrit  ／  ＩG
（但し、ＴBDは絶縁膜の寿命であり、ＱBDcritは臨界注入電子量であり、ＩG は半導体装置の実使用条件下において絶縁膜に流れる電子電流の大きさである）
を用いて絶縁膜の寿命を求める工程を含むことが好ましい。
【００８３】
このようにすると、絶縁膜の寿命を簡単に求めることができる。
【００８４】
第２の絶縁膜の寿命推定方法において、第１の工程は、絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、絶縁膜が絶縁破壊するまでに絶縁膜に注入されるホールの合計量である総注入ホール量が一定となるときの値を臨界注入ホール量として求めた後、臨界注入ホール量に基づき臨界注入電子量を求める工程を含むことが好ましい。
【００８５】
このようにすると、総注入電子量の算出を行なうことなく、臨界注入電子量を求めることができるので、絶縁膜の寿命を簡単に求めることができる。
【００８６】
また、この場合、第１の工程における臨界注入ホール量を求める工程は、絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に対してストレス電圧を印加して、テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、ストレス電圧が印加されたときにテスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、総注入ホール量を求める工程を含むことが好ましい。
【００８７】
このようにすると、総注入ホール量を正確に求めることができる。
【００８８】
また、この場合、第１の工程における臨界注入ホール量を求める工程は、絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に印加されるストレス電圧と、テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロットにおける傾きが低下し始めるまでに要する時間との相関関係を求める工程と、テスト用絶縁膜に第１のストレス電圧を印加してテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第１の絶縁破壊時間を実測する工程と、相関関係と第１の絶縁破壊時間とに基づき、第２のストレス電圧が印加された絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第２の絶縁破壊時間を推定する工程と、第２の絶縁破壊時間と、第２のストレス電圧が印加されたときにテスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、総注入ホール量を求める工程とを含むことが好ましい。
【００８９】
このようにすると、総注入ホール量を短時間で求めることができる。
【００９０】
第２の絶縁膜の寿命推定方法において、第２の工程において推定された絶縁膜の寿命を第１の仮寿命とし、絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、絶縁膜が絶縁破壊するまでに絶縁膜に注入されるホールの合計量である総注入ホール量が一定となるときの値を臨界注入ホール量として求める第３の工程と、半導体装置の実使用条件下において絶縁膜に注入されるホールの合計量が臨界注入ホール量に達するまでに要する時間を絶縁膜の第２の仮寿命として推定する第４の工程と、第１の仮寿命と第２の仮寿命とに基づき絶縁膜の寿命を求める第５の工程とをさらに備えていることが好ましい。
【００９１】
このようにすると、絶縁膜の寿命を正確に求めることができる。
【００９２】
また、この場合、第３の工程は、絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に対してストレス電圧を印加して、テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、ストレス電圧が印加されたときにテスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、総注入ホール量を求める工程を含むことが好ましい。
【００９３】
このようにすると、総注入ホール量を正確に求めることができる。
【００９４】
また、この場合、第３の工程は、絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に印加されるストレス電圧と、テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロットにおける傾きが低下し始めるまでに要する時間との相関関係を求める工程と、テスト用絶縁膜に第１のストレス電圧を印加してテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第１の絶縁破壊時間を実測する工程と、相関関係と第１の絶縁破壊時間とに基づき、第２のストレス電圧が印加された絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第２の絶縁破壊時間を推定する工程と、第２の絶縁破壊時間と、第２のストレス電圧が印加されたときにテスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、総注入ホール量を求める工程とを含むことが好ましい。
【００９５】
このようにすると、総注入ホール量を短時間で求めることができる。
【００９６】
また、この場合、第４の工程は、
ＴBDh ＝  ＱPcrit ／  Ｉsub
（但し、ＴBDh は第２の仮寿命であり、ＱPcrit は臨界注入ホール量であり、Ｉsub は半導体装置の実使用条件下において絶縁膜に流れるホール電流の大きさである）
を用いて第２の仮寿命を求める工程を含むことが好ましい。
【００９７】
このようにすると、第２の仮寿命を簡単に求めることができる。
【００９８】
また、この場合、第５の工程は、
１／ＴBD  ＝  １／ＴBDe  ＋  １／ＴBDh
（但し、ＴBDは絶縁膜の寿命であり、ＴBDe は第１の仮寿命であり、ＴBDh は第２の仮寿命である）
を用いて絶縁膜の寿命を求める工程を含むことが好ましい。
【００９９】
このようにすると、絶縁膜の寿命を簡単に求めることができる。
【０１００】
本発明に係る半導体装置の管理方法は、半導体装置に用いられる絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間を評価する半導体装置の管理方法を前提とし、絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、絶縁膜が絶縁破壊するまでに絶縁膜に注入される電子の合計量である総注入電子量が一定となるときの値を臨界注入電子量として求める第１の工程と、半導体装置の実使用条件下において絶縁膜に注入される電子の合計量が臨界注入電子量に達するまでに要する第１の時間を推定する第２の工程と、第１の時間が所定値以上である場合、絶縁膜と同一仕様の第１のテスト用絶縁膜に、絶縁膜に半導体装置の実使用条件下で印加される電圧よりも高い試験電圧を印加して第１のテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の時間を求めた後、該第２の時間に基づき、絶縁膜における予め定められた管理項目と対応する管理基準を決定する第３の工程と、絶縁膜と同一仕様の第２のテスト用絶縁膜に試験電圧を印加して、第２のテスト用絶縁膜における管理項目を測定した後、該測定の結果が管理基準を満たしているかどうかを判定する第４の工程とを備えている。
【０１０１】
本発明の半導体装置の管理方法によると、第１の時間、つまり本発明に係る第２の絶縁膜の寿命推定方法により得られた実使用電圧下での絶縁膜の寿命に基づいて、半導体装置の管理を行なうことができる。このため、臨界注入ホール量又はストレス電界に基づき寿命推定を行なう従来の方法（「１／Ｅモデル」又は「Ｅモデル」等）と比べて、絶縁膜の寿命を精度良く推定できるので、半導体装置の管理を正確に行なうことができる。
【０１０２】
［発明を実施するための最良の形態］
〈第１の実施形態〉
以下、本発明の第１の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法について、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命推定を行なう場合を例として、図面を参照しながら説明する。尚、第１の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法は、前述の「非破壊寿命推定法」を用いるものである。
【０１０３】
まず、寿命推定の対象となるゲート絶縁膜（以下、単にゲート絶縁膜と称する）と同一仕様のテスト用絶縁膜（以下、単にテスト用絶縁膜と称する）に課されるストレス条件、例えばストレス電界ＥOX（ストレス電圧の印加に伴って実際にゲート絶縁膜中に形成される電界）と、テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロット（縦軸：Ａモードストレス誘起リーク電流、横軸：ストレス印加時間（図２参照））における傾きが低下し始めるまでに要する変極時間ＴAsatとの相関関係を求める。具体的には、少なくとも２種類以上のストレス電界ＥOXについてＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化を測定して変極時間ＴAsatを求めることにより、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係を求める。
【０１０４】
図９は、３種類のストレス電界ＥOXについて変極時間ＴAsatを求めることにより得られた、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係を、片対数プロット（縦軸（時間）が対数表示）により表した図である。
【０１０５】
図９に示すように、ストレス電界ＥOXとログスケールでの変極時間ＴAsatとの間には相関関係（片対数プロットを用いた図９の場合、負の比例関係）が存在する。
【０１０６】
次に、テスト用絶縁膜に第１のストレス電界ＥOXを課してテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第１の絶縁破壊時間ＴBDを実測する。このとき、第１のストレス電界ＥOXを強くする程、第１の絶縁破壊時間ＴBDの実測に要する時間を短縮することができる。
【０１０７】
次に、例えば図９を用いて、第１の絶縁破壊時間ＴBDを通り、且つ、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係を示す直線（実線参照）と平行な直線（破線参照）を作成することにより、ストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係を求める。このとき、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係を図９つまり片対数プロットを用いずに表す場合、第１の絶縁破壊時間ＴBDを通り、且つ、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係を示すグラフ（曲線）との間隔が常に一定となるグラフを作成することにより、ストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係を求める。
【０１０８】
次に、図９の破線に示すストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係に基づき、ゲート絶縁膜に第２のストレス電界ＥOXが課されたときにゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の絶縁破壊時間ＴBDを推定する。
【０１０９】
以上に説明したように、第１の実施形態によると、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係を求めると共に、第１のストレス電界ＥOXが課されたテスト用絶縁膜の第１の絶縁破壊時間ＴBDを実測した後、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係、及び第１の絶縁破壊時間ＴBDに基づき、第２のストレス電界ＥOXが課されたとしたときのゲート絶縁膜の第２の絶縁破壊時間ＴBDを推定する。このため、加速試験において実際にテスト用絶縁膜の絶縁破壊時間を測定する必要がなくなるので、ゲート絶縁膜の寿命推定を短時間で行なうことができる。
【０１１０】
また、第１の実施形態によると、加速試験で得られる変極時間ＴAsatと絶縁破壊時間ＴBDとを用いてゲート絶縁膜の寿命推定を行なうので、加速試験で得られる絶縁破壊時間ＴBDのみを用いる従来の方法に比べて、ゲート絶縁膜の寿命推定を正確に行なうことができる。
【０１１１】
尚、第１の実施形態において、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命推定を行なったが、寿命推定の対象となる絶縁膜は特に限定されるものではない。
【０１１２】
また、第１の実施形態において、ストレス条件としてストレス電界ＥOXを用いたが、これに代えて、ストレス電圧自体を用いてもよい。
【０１１３】
また、第１の実施形態において、ゲート絶縁膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすると、Ａモードストレス誘起リーク電流を確実に測定することができる。
【０１１４】
〈第２の実施形態〉
以下、本発明の第２の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法について、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命推定を行なう場合を例として、図面を参照しながら説明する。尚、第２の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法は、前述の「非破壊寿命推定法」を用いるものである。
【０１１５】
まず、ゲート絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に課されるストレス条件、例えばストレス電界ＥOXと、テスト用絶縁膜に流れるＦＮ電流が減少し始めるまでに要する飽和時間ＴFNsat との相関関係を求める。具体的には、少なくとも２種類以上のストレス電界ＥOXについてＦＮ電流の時間変化を測定して飽和時間ＴFNsat を求めることにより、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を求める。このとき、テスト用絶縁膜に印加するストレス電圧とゲート電圧とを同じ大きさ（例えば絶対値で６Ｖ程度）にすることにより、ストレス印加を中断することなく、ＦＮ電流の時間変化を測定することができる。但し、ＦＮ電流を測定するためにテスト用絶縁膜に印加するゲート電圧の大きさは、所定値以上であれば特に限定されるものではない。
【０１１６】
図１０は、３種類のストレス電界ＥOXについて飽和時間ＴFNsat を求めることにより得られた、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を、片対数プロット（縦軸（時間）が対数表示）により表した図である。
【０１１７】
図１０に示すように、ストレス電界ＥOXとログスケールでの飽和時間ＴFNsat との間には相関関係（片対数プロットを用いた図１０の場合、負の比例関係）が存在する。
【０１１８】
次に、テスト用絶縁膜に第１のストレス電界ＥOXを課してテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第１の絶縁破壊時間ＴBDを実測する。このとき、第１のストレス電界ＥOXを強くする程、第１の絶縁破壊時間ＴBDの実測に要する時間を短縮することができる。
【０１１９】
次に、例えば図１０を用いて、第１の絶縁破壊時間ＴBDを通り、且つ、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を示す直線（一点鎖線参照）と平行な直線（破線参照）を作成することにより、ストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係を求める。このとき、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を図１０つまり片対数プロットを用いずに表す場合、第１の絶縁破壊時間ＴBDを通り、且つ、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を示すグラフ（曲線）との間隔が常に一定となるグラフを作成することにより、ストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係を求める。
【０１２０】
次に、図１０の破線に示すストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係に基づき、ゲート絶縁膜に第２のストレス電界ＥOXが課されたとしたときにゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の絶縁破壊時間ＴBDを推定する。
【０１２１】
以上に説明したように、第２の実施形態によると、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を求めると共に、第１のストレス電界ＥOXが課されたテスト用絶縁膜の第１の絶縁破壊時間ＴBDを実測した後、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係、及び第１の絶縁破壊時間ＴBDに基づき、第２のストレス電界ＥOXが課されたとしたときのゲート絶縁膜の第２の絶縁破壊時間ＴBDを推定する。このため、加速試験において実際にテスト用絶縁膜の絶縁破壊時間を測定する必要がなくなるので、ゲート絶縁膜の寿命推定を短時間で行なうことができる。
【０１２２】
また、第２の実施形態によると、加速試験で得られる飽和時間ＴFNsat と絶縁破壊時間ＴBDとを用いてゲート絶縁膜の寿命推定を行なうので、加速試験で得られる絶縁破壊時間ＴBDのみを用いる従来の方法に比べて、ゲート絶縁膜の寿命推定を正確に行なうことができる。
【０１２３】
尚、第２の実施形態において、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命推定を行なったが、寿命推定の対象となる絶縁膜は特に限定されるものではない。
【０１２４】
また、第２の実施形態において、ストレス条件としてストレス電界ＥOXを用いたが、これに代えて、ストレス電圧自体を用いてもよい。
【０１２５】
また、第２の実施形態において、ゲート絶縁膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすると、ＦＮ電流を確実に測定することができる。
【０１２６】
〈第３の実施形態〉
以下、本発明の第３の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法について、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命推定を行なう場合を例として、図面を参照しながら説明する。尚、第３の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法は、前述の「非破壊寿命推定法」を用いるものである。
【０１２７】
まず、例えば３種類のストレス条件、具体的には３種類のストレス電界ＥOXについて、第１の実施形態と同様に、ゲート絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の変極時間ＴAsatを求める。
【０１２８】
次に、例えば３種類のストレス条件、具体的には３種類のストレス電界ＥOXについて、第２の実施形態と同様に、テスト用絶縁膜に流れるＦＮ電流の飽和時間ＴFNsat を求める。このとき、テスト用絶縁膜に印加するストレス電圧とゲート電圧とを同じ大きさ（例えば絶対値で６Ｖ程度）にすることにより、ストレス印加を中断することなく、ＦＮ電流の時間変化を測定することができる。但し、ＦＮ電流を測定するためにテスト用絶縁膜に印加するゲート電圧の大きさは、所定値以上であれば特に限定されるものではない。
【０１２９】
次に、例えば３種類のストレス条件、具体的には３種類のストレス電界ＥOX（第１のストレス電界ＥOX）について、テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する絶縁破壊時間ＴBD（第１の絶縁破壊時間ＴBD）を実測する。
【０１３０】
次に、例えば最小２乗法等を用いることにより、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係、及びストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係のそれぞれを近似する関数を、各関数がプロットされたグラフ同士の間隔が一定になるように求める。
【０１３１】
図１１は、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係、及びストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係のそれぞれを、片対数プロット（縦軸（時間）が対数表示）により表した図である。
【０１３２】
図１１に示すように、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係を示す直線（実線参照）、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を示す直線（一点鎖線参照）、及びストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係を示す直線（破線参照）は互いに平行な関係にある。
【０１３３】
次に、図１１の破線に示すストレス電界ＥOXと絶縁破壊時間ＴBDとの相関関係に基づき、ゲート絶縁膜に任意のストレス電界ＥOX（第２のストレス電界ＥOX）が課されたとしたときにゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の絶縁破壊時間ＴBDを推定する。
【０１３４】
以上に説明したように、第３の実施形態によると、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係、及びストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係を求めると共に、第１のストレス電界ＥOXが課されたテスト用絶縁膜の第１の絶縁破壊時間ＴBDを実測した後、ストレス電界ＥOXと変極時間ＴAsatとの相関関係、ストレス電界ＥOXと飽和時間ＴFNsat との相関関係、及び第１の絶縁破壊時間ＴBDに基づき、第２のストレス電界ＥOXが課されたとしたときのゲート絶縁膜の第２の絶縁破壊時間ＴBDを推定する。このため、加速試験において実際にテスト用絶縁膜の絶縁破壊時間を測定する必要がなくなるので、ゲート絶縁膜の寿命推定を短時間で行なうことができる。
【０１３５】
また、第３の実施形態によると、加速試験で得られる変極時間ＴAsatと飽和時間ＴFNsat と絶縁破壊時間ＴBDとを用いてゲート絶縁膜の寿命推定を行なうので、加速試験で得られる絶縁破壊時間ＴBDのみを用いる従来の方法に比べて、ゲート絶縁膜の寿命推定を正確に行なうことができる。
【０１３６】
尚、第３の実施形態において、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命推定を行なったが、寿命推定の対象となる絶縁膜は特に限定されるものではない。
【０１３７】
また、第３の実施形態において、ストレス条件としてストレス電界ＥOXを用いたが、これに代えて、ストレス電圧自体を用いてもよい。
【０１３８】
また、第３の実施形態において、ゲート絶縁膜の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすると、Ａモードストレス誘起リーク電流及びＦＮ電流を確実に測定することができる。
【０１３９】
また、第３の実施形態において、３種類のストレス電界ＥOXについて変極時間ＴAsat又は飽和時間ＴFNsat を求めたが、これに限られず、少なくとも２種類以上のストレス電界ＥOXについて変極時間ＴAsat又は飽和時間ＴFNsat を求めることが好ましい。
【０１４０】
また、第３の実施形態において、３種類の第１のストレス電界ＥOXについて第１の絶縁破壊時間ＴBDを実測したが、これに限られず、少なくとも１種類以上の第１のストレス電界ＥOXについて第１の絶縁破壊時間ＴBDを実測することが好ましい。
【０１４１】
〈第４の実施形態〉
以下、本発明の第４の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法について、ｎＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命を推定する場合を例として、図面を参照しながら説明する。尚、第４の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法は、前述の「ＤＣＣモデル」に従って絶縁膜寿命を推定するものである。
【０１４２】
まず、寿命推定の対象となるゲート絶縁膜（以下、単にゲート絶縁膜と称する）に印加されるストレス電圧Ｖstressの変化に対して、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでにゲート絶縁膜に注入される電子の合計量である総注入電子量ＱBDが一定となるときの値を臨界注入電子量ＱBDcritとして求める。具体的には、ゲート絶縁膜と同一仕様のテスト用絶縁膜（以下、単にテスト用絶縁膜と称する）に対してストレス電圧Ｖstressを印加することによって、テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでの絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、ストレス電圧Ｖstressが印加されたときにテスト用絶縁膜に流れる電子電流とに基づき、総注入電子量ＱBDを求める。その後、種々の大きさのストレス電圧Ｖstressについて求められた総注入電子量ＱBDを、例えば図６に示すようにプロットすることにより、臨界注入電子量ＱBDcritを求める。
【０１４３】
同様に、ゲート絶縁膜に印加されるストレス電圧Ｖstressの変化に対して、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでにゲート絶縁膜に注入されるホールの合計量である総注入ホール量ＱP が一定となるときの値を臨界注入ホール量ＱPcrit として求める。具体的には、テスト用絶縁膜に対してストレス電圧Ｖstressを印加することによって、テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでの絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、ストレス電圧Ｖstressが印加されたときにテスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、総注入ホール量ＱP を求める。その後、種々の大きさのストレス電圧Ｖstressについて求められた総注入ホール量ＱP を、例えば図６に示すようにプロットすることにより、臨界注入ホール量ＱPcrit を求める。
【０１４４】
また、臨界注入電子量ＱBDcritを求めるときに、総注入電子量ＱBDが臨界注入電子量ＱBDcritと等しくなる第１のストレス電圧範囲（例えば図６の場合で６Ｖ程度以下）を決定する。
【０１４５】
同様に、臨界注入ホール量ＱPcrit を求めるときに、総注入ホール量ＱP が臨界注入ホール量ＱPcrit と等しくなる第２のストレス電圧範囲（例えば図６の場合で６Ｖ程度以上）を決定する。
【０１４６】
尚、第１のストレス電圧範囲と第２のストレス電圧範囲との境界領域のストレス電圧Ｖstressをしきい値電圧ＶGcrit （例えば図６の場合で６Ｖ前後）として求めておく。
【０１４７】
「ＤＣＣモデル」によると、臨界注入電子量ＱBDcrit又は臨界注入ホール量ＱPcrit を求めることによって、広いストレス電圧範囲でゲート絶縁膜の寿命（以下、絶縁膜寿命と称する）ＴBDを推定することが可能となる。このとき、絶縁膜寿命ＴBDはストレス電圧Ｖstressに依存するので、以下の説明においては、絶縁膜寿命ＴBDをＴBD（Ｖstress）と表記する。
【０１４８】
具体的には、ストレス電圧Ｖstressが第１のストレス電圧範囲にある場合（Ｖstress≦ＶGcrit ）、ゲート絶縁膜に注入される電子の量が臨界注入電子量ＱBDcritに達するまでに要する時間つまり前述の第１の仮寿命ＴBDe （以下、 ＴBDe（Ｖstress）と表記する）を絶縁膜寿命ＴBD（Ｖstress）と考えることができる。
【０１４９】
このとき、
ＴBDe（Ｖstress）＝  ＱBDcrit／ＩG（Ｖstress）……（式４）
（但し、 ＩG（Ｖstress）は所定のストレス電圧Ｖstressが印加されたときにゲート絶縁膜に流れる電子電流）を用いて第１の仮寿命 ＴBDe（Ｖstress）を求めることができる（（式１）参照）。
【０１５０】
また、ストレス電圧Ｖstressが第２のストレス電圧範囲にある場合（Ｖstress＞ＶGcrit ）、ゲート絶縁膜に注入されるホールの量が臨界注入ホール量ＱPcrit に達するまでに要する時間つまり前述の第２の仮寿命ＴBDh （以下、 ＴBDh（Ｖstress）と表記する）を絶縁膜寿命ＴBD（Ｖstress）と考えることができる。
【０１５１】
このとき、
ＴBDh（Ｖstress）＝  ＱPcrit ／Ｉsub（Ｖstress）……（式５）
（但し、 Ｉsub（Ｖstress）は所定のストレス電圧Ｖstressが印加されたときにゲート絶縁膜に流れるホール電流）を用いて第２の仮寿命 ＴBDh（Ｖstress）を求めることができる（（式２）参照）。
【０１５２】
また、ストレス電圧Ｖstressがしきい値電圧ＶGcrit 程度である場合（Ｖstress≒ＶGcrit ）、第１の仮寿命 ＴBDe（Ｖstress）及び第２の仮寿命 ＴBDh（Ｖstress）に基づき、例えば、
１／ＴBD（Ｖstress）
＝  １／ＴBDe（Ｖstress）  ＋  １／ＴBDh（Ｖstress）……（式６）
を用いて絶縁膜寿命ＴBD（Ｖstress）を求めることができる（（式３）参照）。
【０１５３】
以上に説明したように、第４の実施形態によると、「ＤＣＣモデル」つまり「ストレス電圧が相対的に高い場合には、ホールによるゲート絶縁膜の劣化（第２の仮寿命ＴBDh ）が絶縁膜寿命ＴBDを規定し、ストレス電圧が相対的に低い場合には、電子によるゲート絶縁膜の劣化（第１の仮寿命ＴBDe ）が絶縁膜寿命ＴBDを規定する」電圧−寿命モデルに従って、ゲート絶縁膜の寿命推定を行なう。
【０１５４】
すなわち、第４の実施形態によると、半導体装置の実使用条件下においては、ゲート絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでにゲート絶縁膜に注入される総注入電子量ＱBDが一定となるときの値を臨界注入電子量ＱBDcritとして求めた後、ゲート絶縁膜に注入される電子の合計量が臨界注入電子量ＱBDcritに達するまでに要する時間（第１の仮寿命ＴBDe ）を絶縁膜寿命ＴBDとして推定する。
【０１５５】
このため、臨界注入ホール量ＱPcrit 又はストレス電界ＥOXに基づき寿命推定を行なう従来の方法（「１／Ｅモデル」又は「Ｅモデル」等）と比べて、半導体装置の実使用条件下での絶縁膜寿命ＴBD、つまり弱い電界が形成されているときの絶縁膜寿命ＴBDを精度良く推定することができる。
【０１５６】
また、第４の実施形態によると、半導体装置の実使用条件下で推定された絶縁膜寿命ＴBDが、従来の「Ｅモデル」により寿命推定を行なった場合と比べて長くなるため、ゲート絶縁膜の膜厚又は製造プロセス条件等のマージンが増大する。その結果、従来採用されていなかったゲート絶縁膜の膜厚又は製造プロセス条件等が半導体装置製造に適用可能となるので、半導体装置の動作速度等の性能を向上させることができる。
【０１５７】
尚、第４の実施形態において、ｎＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命推定を行なったが、寿命推定の対象となる絶縁膜は特に限定されるものではない。
【０１５８】
〈第５の実施形態〉
以下、本発明の第５の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法について、ｎＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命を推定する場合を例として説明する。
【０１５９】
尚、第５の実施形態が第４の実施形態と異なっている点は、臨界注入ホール量ＱPcrit を求めた後、例えば他のゲート絶縁膜の寿命推定において得られている臨界注入電子量ＱBDcritと臨界注入ホール量ＱPcrit との相関関係を用いて、臨界注入ホール量ＱPcrit に基づき臨界注入電子量ＱBDcritを求めることである。
【０１６０】
具体的には、第４の実施形態と同様に、テスト用絶縁膜に対してストレス電圧Ｖstressを印加することによって、テスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでの絶縁破壊時間を実測した後、実測された絶縁破壊時間と、ストレス電圧Ｖstressが印加されたときにテスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、総注入ホール量ＱP を求める。その後、種々の大きさのストレス電圧Ｖstressについて求められた総注入ホール量ＱP を、例えば図６に示すようにプロットすることにより、臨界注入ホール量ＱPcrit を求める。
【０１６１】
このとき、他のゲート絶縁膜の寿命推定において臨界注入電子量ＱBDcritと臨界注入ホール量ＱPcrit との相関関係、例えば、
ＱBDcrit  ＝  ＱPcrit ／γcrit  ……（式７）
（但し、γcritは定数（図６の場合で１０-4〜１０-5程度））
が得られている場合、例えば（式７）を用いて臨界注入ホール量ＱPcrit から臨界注入電子量ＱBDcritを求めることができる。
【０１６２】
第５の実施形態によると、第４の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、総注入電子量ＱBDの算出を行なうことなく、臨界注入電子量ＱBDcritを求めることができるので、絶縁膜寿命ＴBD（Ｖstress）の推定を容易に行なうことができる。
【０１６３】
〈第６の実施形態〉
以下、本発明の第６の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法について、ｎＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命を推定する場合を例として説明する。
【０１６４】
尚、第６の実施形態が第４又は第５の実施形態と異なっている点は、前述の「非破壊寿命推定法」を用いて臨界注入ホール量ＱPcrit を求めることである。
【０１６５】
具体的には、第１の実施形態と同様に、寿命推定の対象となるゲート絶縁膜（以下、単にゲート絶縁膜と称する）と同一仕様のテスト用絶縁膜（以下、単にテスト用絶縁膜と称する）に印加されるストレス電圧Ｖstressと、テスト用絶縁膜に流れるＡモードストレス誘起リーク電流の時間変化の両対数プロット（縦軸：Ａモードストレス誘起リーク電流、横軸：ストレス印加時間（図２参照））における傾きが低下し始めるまでに要する時間（変極時間ＴAsat）との相関関係を求めると共に、テスト用絶縁膜に第１のストレス電圧を印加してテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第１の絶縁破壊時間を実測する。
【０１６６】
次に、変極時間ＴAsatとストレス電圧Ｖstressとの相関関係及び第１の絶縁破壊時間に基づき、第２のストレス電圧が印加されたゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間である第２の絶縁破壊時間を推定する。
【０１６７】
次に、第２の絶縁破壊時間と、第２のストレス電圧が印加されたときにテスト用絶縁膜に流れるホール電流とに基づき、総注入ホール量ＱP を求める。これにより、ゲート絶縁膜に印加されるストレス電圧Ｖstressの変化に対して、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでにゲート絶縁膜に注入される総注入ホール量ＱP が一定となるときの値である臨界注入ホール量ＱPcrit を求めることができる。
【０１６８】
第６の実施形態によると、第４又は第５の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、加速試験において実際にテスト用絶縁膜の絶縁破壊時間を多数回測定することなく、総注入ホール量ＱP を精度良く求めることができるので、臨界注入ホール量ＱPcrit を短時間で精度良く求めることができる。
【０１６９】
〈第７の実施形態〉
以下、本発明の第７の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法について、ｎＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜の寿命を推定する場合を例として説明する。
【０１７０】
尚、第７の実施形態が第４の実施形態と異なっている点は、他のゲート絶縁膜の寿命推定において得られた臨界注入電子量ＱBDcritを用いてゲート絶縁膜の寿命を推定することである。
【０１７１】
具体的には、臨界注入電子量ＱBDcritの値は、ゲート絶縁膜の膜質又は面積等により変化すると考えられるので、ゲート絶縁膜と異なる仕様（膜質又は面積等）のテスト用絶縁膜を用いて得られた臨界注入電子量ＱBDcritをそのままゲート絶縁膜の寿命推定に用いた場合には、推定された寿命に誤差が生じると考えられる。しかし、ゲート絶縁膜とテスト用絶縁膜との間の仕様の差が小さい場合には、テスト用絶縁膜を用いて得られた臨界注入電子量ＱBDcritをそのままゲート絶縁膜の寿命推定に用いることにより、絶縁破壊時間の実測又は総注入電子量ＱBD若しくは臨界注入電子量ＱBDcritの算出を省略しても良い。
【０１７２】
例えば、テスト用絶縁膜を用いて図６に示すデータ（ＱBDcrit＝ １０3［Ｃ／ｃｍ2 ］程度）が得られているとき、ゲート絶縁膜の仕様がテスト用絶縁膜に近ければ、ＱBDcrit＝ １０3［Ｃ／ｃｍ2 ］としてゲート絶縁膜の寿命推定を行なってもよい。
【０１７３】
また、臨界注入電子量ＱBDcritの面積依存性等が既知であれば、テスト用絶縁膜とゲート絶縁膜との間の面積の差を考慮して、テスト用絶縁膜を用いて得られた臨界注入電子量ＱBDcritを補正して、種々の面積を有するゲート絶縁膜の寿命推定を行なってもよい。
【０１７４】
第７の実施形態によると、第４の実施形態の効果に加えて、次のような効果が得られる。すなわち、総注入電子量ＱBD又は臨界注入電子量ＱBDcritの算出を行なうことなく、絶縁膜寿命ＴBD（Ｖstress）を求めることができるので、絶縁膜寿命ＴBD（Ｖstress）の推定を容易に行なうことができる。
【０１７５】
〈第８の実施形態〉
以下、本発明の第８の実施形態に係る半導体装置の管理方法について、ｎＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する時間（絶縁破壊時間）を評価する場合を例として説明する。
【０１７６】
尚、第８の実施形態に係る半導体装置の管理方法は、第４の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法を用いた半導体装置の管理方法である。
【０１７７】
今、半導体装置を動作させるための電圧つまり実使用電圧下でのゲート絶縁膜の絶縁破壊時間（以下、絶縁膜寿命ＴBDと称する）は、第４の実施形態と同様に、ゲート絶縁膜に注入される電子の合計量が臨界注入電子量ＱBDcritに達するまでに要する時間として規定されているものとする。また、絶縁膜寿命ＴBDが所望値（例えば１０年）と等しくなるように、半導体装置のデザイン又は製造プロセスが決定され、それに基づき実際に半導体装置が量産されているものとする。
【０１７８】
ところで、一般に、半導体装置の開発段階においては厳密な寿命評価（寿命推定）が行なわれている一方、半導体装置の生産段階においては簡便な管理指標（スペック）を用いて半導体装置の日常管理又は異常検出が行なわれている。
【０１７９】
半導体装置の日常管理においては、製品となる半導体装置の製造と同時に又は別個に製造されたサンプル（試料）となる半導体装置中に含まれるテスト用ＭＯＳ型素子のゲート絶縁膜（以下、テスト用絶縁膜と称する）が用いられる。
【０１８０】
また、前述のスペックとして用いられるパラメータ（以下、管理項目と称する）としては、例えば、ゲート絶縁膜に定電流ストレス又は定電圧ストレスが印加された場合における絶縁膜寿命ＴBD、又はゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでにゲート絶縁膜に注入される総注入電子量ＱBD等が用いられる。
【０１８１】
第８の実施形態においては、まず、ゲート絶縁膜に印加されるストレス電圧の変化に対して、ゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでにゲート絶縁膜に注入される電子の合計量である総注入電子量ＱBDが一定となるときの値を臨界注入電子量ＱBDcritとして求める。
【０１８２】
次に、半導体装置の実使用条件下においてゲート絶縁膜に注入される電子の合計量が臨界注入電子量ＱBDcritに達するまでに要する第１の時間Ｔ１（つまり実使用電圧下での絶縁膜寿命ＴBD）を求める。
【０１８３】
次に、第１の時間Ｔ１が所定値（例えば１０年）よりも長い場合、ゲート絶縁膜と同一仕様の第１のテスト用絶縁膜に対して、実使用電圧よりも高い試験電圧（以下、評価電圧と称する）を印加して第１のテスト用絶縁膜が絶縁破壊するまでに要する第２の時間Ｔ２（つまり評価電圧下での絶縁膜寿命ＴBD：例えば１０００秒）を実測した後、該第２の時間Ｔ２に基づき、ゲート絶縁膜における予め定められた管理項目と対応する管理基準を決定する。このとき、第２の時間Ｔ２を実測する代わりに、絶縁膜寿命ＴBDのストレス電圧に対する依存性及び第１の時間Ｔ１に基づき、第２の時間Ｔ２を推定してもよい。
【０１８４】
管理項目として絶縁膜寿命ＴBDを用いる場合、例えば第２の時間Ｔ２を管理基準Ｔspec（例えば１０００秒）として決定することができる。
【０１８５】
また、管理項目として総注入電子量ＱBDを用いる場合、例えば第２の時間Ｔ２つまり管理基準Ｔspecに基づき評価電圧下での総注入電子量ＱBDを算出して、該算出結果を管理基準Ｑspec（例えば１Ｃ／ｃｍ）として決定することができる。
【０１８６】
次に、ゲート絶縁膜と同一仕様の第２のテスト用絶縁膜に評価電圧を印加して、第２のテスト用絶縁膜における管理項目（絶縁膜寿命ＴBD又は総注入電子量ＱBD）を測定した後、該測定の結果が管理基準Ｔspec又はＱspecを満たしているかどうかを判定する。これにより、半導体装置の日常管理を行なうことができる。また、テスト用絶縁膜の管理項目の測定を、実使用電圧よりも高い評価電圧下で行なっているため、例えば図８に示すように、絶縁破壊時間つまり絶縁膜寿命ＴBDの評価を短時間で行なうことができる。
【０１８７】
以上に説明したように、第８の実施形態によると、第１の時間Ｔ１、つまり第４の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法により得られた実使用電圧下での絶縁膜寿命ＴBDに基づいて、半導体装置の管理を行なうことができる。このため、臨界注入ホール量ＱPcrit 又はストレス電界ＥOXに基づき寿命推定を行なう従来の方法（「１／Ｅモデル」又は「Ｅモデル」等）と比べて、絶縁膜寿命ＴBDを精度良く推定できるので、半導体装置の管理を正確に行なうことができる。
【０１８８】
尚、第８の実施形態においては、第４の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法により得られた実使用電圧下での絶縁膜寿命ＴBD（第１の時間Ｔ１）に基づき、管理基準を決定したが、これに代えて、テスト用ＭＯＳ型素子の形状、寸法又は管理項目の測定条件（温度、電圧若しくは電流等）等を考慮して、或いは、実際に製造された半導体装置又はテスト用デバイスにおける管理項目の実測値に基づき、一の管理基準を決定した後、第１の時間Ｔ１に基づき他の管理基準を決定し、その後、他の管理基準を用いて一の管理基準の妥当性を評価してもよい。
【０１８９】
また、第８の実施形態において、ｎＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜に対して絶縁破壊時間の評価を行なったが、絶縁破壊時間の評価対象となる絶縁膜は特に限定されるものではない。
【０１９０】
また、第８の実施形態において、管理項目は特に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に−６．０Ｖのストレス電圧を所定の時間だけ印加した場合におけるＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図２】ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に−６．０Ｖのストレス電圧を印加した場合における、Ａモードストレス誘起リーク電流及びＦＮ電流のそれぞれとストレス印加時間との関係を示す図である。
【図３】ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に種々の大きさのストレス電圧を印加した場合における、Ａモードストレス誘起リーク電流とストレス印加時間との関係を示す図である。
【図４】本発明に係る第１の絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、変極時間ＴAsat、飽和時間ＴFNsat 及び絶縁破壊時間ＴBDのそれぞれとストレス電界ＥOXとの関係を示す図である。
【図５】実測された絶縁膜寿命とストレス電圧との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、実測された絶縁膜寿命に基づき算出された総注入ホール量及び総注入電子量のそれぞれとストレス電圧との関係を示す図である。
【図７】本発明に係る第２の絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、「電子支配モデル」及び「ホール支配モデル」のそれぞれに従って推定された絶縁膜寿命とストレス電圧との関係を示す図である。
【図８】本発明に係る第２の絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、「ＤＣＣモデル」に従って推定された絶縁膜寿命とストレス電圧との関係を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、変極時間ＴAsat及び絶縁破壊時間ＴBDのそれぞれとストレス電界ＥOXとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、飽和時間ＴFNsat 及び絶縁破壊時間ＴBDのそれぞれとストレス電界ＥOXとの関係を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、変極時間ＴAsat、飽和時間ＴFNsat 及び絶縁破壊時間ＴBDのそれぞれとストレス電界ＥOXとの関係を示す図である。
【図１２】従来の絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、総注入ホール量及び総注入電子量のそれぞれとストレス電圧との関係を示す図である。
【図１３】従来の絶縁膜の寿命推定方法において用いられる、「１／Ｅモデル」及び「Ｅモデル」のそれぞれに従って推定された絶縁膜寿命とストレス電界との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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