(57)【要約】【課題】ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩをウエハ面内において漏れなく評価することにより、信頼性評価の充実を図り、信頼性の高いｐチャネル型電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】劣化過程、回復過程、および再劣化過程をストレス試験の１サイクルとし、１つのｐチャネル型電界効果トランジスタに対して上記１サイクルを複数回繰り返し行い、複数の劣化過程におけるしきい値電圧の劣化量または動作電流の劣化量を抽出して回復レス劣化評価を行い、複数の回復過程におけるしきい値電圧の劣化量および動作電流の劣化量を抽出して回復レス劣化評価を行う。【選択図】図３
2012104743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩを評価する半導体装置の評価方法であって、
（ａ）劣化過程、回復過程、および再劣化過程を１サイクルとし、１つの前記ｐチャネル型電界効果トランジスタに対して前記１サイクルを複数回繰り返しながら、しきい値電圧の劣化量、動作電流の劣化量、またはしきい値電圧および動作電流の劣化量を求める工程と、
（ｂ）複数の前記劣化過程における前記しきい値電圧の劣化量または前記動作電流の劣化量を抽出する工程と、
（ｃ）複数の前記回復過程における前記しきい値電圧の劣化量および前記動作電流の劣化量を抽出する工程と、
を有し、
前記（ａ）工程における前記劣化過程では、
（ａ１）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに電源電圧よりも高いストレス電圧を所定時間加える工程と、
（ａ２）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに第１電圧を印加して、しきい値電圧の初期状態からの劣化量または動作電流の初期状態からの劣化量を求める工程とを有し、
前記（ａ）工程における前記回復過程では、
（ａ３）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電流とゲート電圧との関係を測定し、しきい値電圧の初期状態からの劣化量および動作電流の初期状態からの劣化量を求める工程を有し、
前記（ａ）工程における前記再劣化過程では、
（ａ４）前記回復過程において回復したしきい値電圧の劣化量または動作電流の劣化量を、前記劣化過程の終了時のしきい値電圧の劣化量または動作電流の劣化量に戻す工程を有することを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ２）工程において、前記ゲートに印加される前記第１電圧は、電源電圧または初期状態で測定されたしきい値電圧であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ２）工程において、前記ゲートに前記第１電圧が印加される時間は、１ｍ秒以下であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項４】
ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩを評価する半導体装置の評価方法であって、
（ａ）第１劣化過程および第２劣化過程を１サイクルとし、１つの前記ｐチャネル型電界効果トランジスタに対して前記１サイクルを複数回繰り返しながら、しきい値電圧の劣化量または動作電流の劣化量を求める工程と、
（ｂ）複数の前記第１劣化過程における前記動作電流の劣化量を抽出する工程と、
（ｃ）複数の前記第２劣化過程における前記しきい値電圧の劣化量を抽出する工程と、
を有し、
前記（ａ）工程における前記第１劣化過程では、
（ａ１）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに電源電圧よりも高いストレス電圧を所定時間加える工程と、
（ａ２）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに第１電圧を印加して、動作電流の初期状態からの劣化量を求める工程とを有し、
前記（ａ）工程における前記第２劣化過程では、
（ａ３）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに電源電圧よりも高いストレス電圧を所定時間加える工程と、
（ａ４）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに第２電圧を印加して、しきい値電圧の初期状態からの劣化量を求める工程とを有することを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項５】
請求項４記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ２）工程において、前記ゲートに印加される前記第１電圧は、電源電圧であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項６】
請求項４記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ２）工程において、前記ゲートに前記第１電圧が印加される時間は、１ｍ秒以下であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項７】
請求項４記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ４）工程において、前記ゲートに印加される前記第２電圧は、初期状態で測定されたしきい値電圧であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項８】
請求項４記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ４）工程において、前記ゲートに前記第２電圧が印加される時間は、１ｍ秒以下であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項９】
ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩを評価する半導体装置の評価方法であって、
（ａ）第１劣化過程、第１回復過程、第１再劣化過程、第２劣化過程、第２回復過程、および第２再劣化過程を１サイクルとし、１つの前記ｐチャネル型電界効果トランジスタに対して前記１サイクルを複数回繰り返しながら、しきい値電圧の劣化量、動作電流の劣化量、またはしきい値電圧および動作電流の劣化量を求める工程と、
（ｂ）複数の前記第１劣化過程における前記動作電流の劣化量を抽出する工程と、
（ｃ）複数の前記第１回復過程および前記第２回復過程におけるそれぞれの前記しきい値電圧の劣化量および前記動作電流の劣化量を抽出する工程と、
（ｄ）複数の前記第２劣化過程における前記しきい値電圧の劣化量を抽出する工程と、
を有し、
前記（ａ）工程における前記第１劣化過程では、
（ａ１）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに電源電圧よりも高いストレス電圧を所定時間加える工程と、
（ａ２）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに第１電圧を印加して、動作電流の初期状態からの劣化量を求める工程とを有し、
前記（ａ）工程における前記第１回復過程では、
（ａ３）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電流とゲート電圧との関係を測定し、しきい値電圧の初期状態からの劣化量および動作電流の初期状態からの劣化量を求める工程を有し、
前記（ａ）工程における前記第１再劣化過程では、
（ａ４）前記第１回復過程において回復した動作電流の劣化量を、前記第１劣化過程の終了時の動作電流の劣化量に戻す工程を有し、
前記（ａ）工程における前記第２劣化過程では、
（ａ５）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに電源電圧よりも高いストレス電圧を所定時間加える工程と、
（ａ６）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのゲートに第２電圧を印加して、しきい値電圧の初期状態からの劣化量を求める工程とを有し、
前記（ａ）工程における前記第２回復過程では、
（ａ７）前記ｐチャネル型電界効果トランジスタのドレイン電流とゲート電圧との関係を測定し、しきい値電圧の初期状態からの劣化量および動作電流の初期状態からの劣化量を求める工程を有し、
前記（ａ）工程における前記第２再劣化過程では、
（ａ８）前記第２回復過程において回復したしきい値電圧の劣化量を、前記第２劣化過程の終了時のしきい値電圧の劣化量に戻す工程を有することを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ２）工程において、前記ゲートに印加される前記第１電圧は、電源電圧であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項１１】
請求項９記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ２）工程において、前記ゲートに前記第１電圧が印加される時間は、１ｍ秒以下であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項１２】
請求項９記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ６）工程において、前記ゲートに印加される前記第２電圧は、初期状態で測定されたしきい値電圧であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【請求項１３】
請求項９記載の半導体装置の評価方法において、前記（ａ６）工程において、前記ゲートに前記第２電圧が印加される時間は、１ｍ秒以下であることを特徴とする半導体装置の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の評価技術に関し、特に、ｐチャネル型電界効果トランジスタの信頼性評価に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微細化の進むｐチャネル型電界効果トランジスタにおいては、その信頼性についての課題の１つにＮＢＴＩ（Negative Bias Temperature Instability；負バイアス温度不安定性）がある。ＮＢＴＩは、ゲートに対して半導体基板の電位が正の状態で半導体チップの温度が高くなると、ｐチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電位の絶対値が次第に大きくなる現象である。この現象によって、ｐチャネル型電界効果トランジスタの動作速度が時間の経過と共に徐々に遅くなる等の問題が生じる。
【０００３】
そこで、近年、ＮＢＴＩを評価する種々の方法が提案されている。例えばM. Denais、他７名、「On-the-fly characterization of NBTI in ultra-thin gate oxide PMOSFET’s」、ＩＥＤＭ Technical Digest、２００４年、ｐ．１０９−１１２（非特許文献１）には、回復レス評価方法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Denais, A. Bravaix, V. Huard, C. Parthasarathy, G. Ribes, F. Perrier, Y. Rey-Tauriac, N.Revil、「On-the-fly characterization of NBTI in ultra-thin gate oxide PMOSFET’s」、International Electron Devices Meeting Technical Digest、２００４年、ｐ．１０９−１１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＮＢＴＩの主な評価方法として、回復込み評価方法と回復レス評価方法とがある。回復込み評価方法は、断続的にストレス電圧を印加してしきい値電圧または動作電流の劣化量を評価する方法であり、回復レス評価方法は、継続的にストレス電圧を印加してしきい値電圧または動作電流の劣化量をする評価する方法である。
【０００６】
ところで、ＮＢＴＩのウエハ面内のばらつきは、例えばウエハ面内のゲート絶縁膜の膜厚分布などのマクロなばらつきとの相関では説明がつかないほど大きい。このことから、回復込み評価方法および回復レス評価方法では、ばらつきの影響を排除するために、ウエハ面内の複数点でしきい値電圧または動作電流を測定する必要があり、ウエハ面内の複数点で得られた複数の測定値のメジアン値を用いることによりＮＢＴＩが評価されている。
【０００７】
このため、どちらの評価方法を採用しても、半導体ウエハに形成された多数（例えば８０〜１００個程度）のｐチャネル型電界効果トランジスタが必要となる。そして、ＮＢＴＩの評価を優先すると、他の信頼性評価に使用できるｐチャネル型電界効果トランジスタの数が減少して、他の信頼性評価の実施が困難となる場合がある。逆に、他の信頼性評価を優先すると、ＮＢＴＩの評価に使用できるｐチャネル型電界効果トランジスタの数が減少して、ＮＢＴＩの評価の実施が困難となる場合がある。
【０００８】
さらに、回復込み評価方法と回復レス評価方法とでは得られる劣化過程の情報が異なることから、特に４５ｎｍ世代以降の半導体製品においては両評価方法によってＮＢＴＩを保証する必要がある。しかし、回復込み評価方法による測定と回復レス評価方法による測定はそれぞれ独立して行われるため、両評価方法を採用すると、ＮＢＴＩの評価に要するｐチャネル型電界効果トランジスタの数が増加し、ＮＢＴＩの評価に要する時間も増加する。また、回復込み評価方法では、しきい値電圧の劣化量および動作電流の劣化量を１つのｐチャネル型電界効果トランジスタで評価することができるが、回復レス評価方法では、しきい値電圧の劣化量および動作電流の劣化量を異なる２つのｐチャネル型電界効果トランジスタでそれぞれ評価しなければならない。従って、回復込み評価方法と回復レス評価方法とを併用し、かつそれぞれの評価方法でしきい値電圧の劣化量および動作電流の劣化量を評価する場合には、多大な数のｐチャネル型電界効果トランジスタが必要となる。
【０００９】
このため、測定数または測定時間に制約がある場合には、回復込み評価方法および回復レス評価方法によるｐチャネル型電界効果トランジスタに対するＮＢＴＩの評価が不十分となる。その結果、ＮＢＴＩに起因した動作特性変動の可能性のあるｐチャネル型電界効果トランジスタが半導体製品のアナログ回路またはデジタル回路を構成することとなり、半導体製品は動作不良または故障などを引き起こしかねない危険性を有してしまう。
【００１０】
本発明の目的は、ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩをウエハ面内において漏れなく評価することにより、信頼性評価の充実を図り、信頼性の高いｐチャネル型電界効果トランジスタを提供することにある。
【００１１】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１３】
この実施の形態は、ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩを評価する半導体装置の評価方法であって、劣化過程、回復過程、および再劣化過程をストレス試験の１サイクルとし、１つのｐチャネル型電界効果トランジスタに対して上記１サイクルを複数回繰り返しながら、しきい値電圧の劣化量、動作電流の劣化量、またはしきい値電圧および動作電流の劣化量を求め、複数の劣化過程におけるしきい値電圧の劣化量または動作電流の劣化量を抽出して回復レス劣化評価を行い、複数の回復過程におけるしきい値電圧の劣化量および動作電流の劣化量を抽出して回復込み劣化評価を行う。
【発明の効果】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１５】
ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩをウエハ面内において漏れのなく評価することにより、信頼性評価の充実を図り、信頼性の高いｐチャネル型電界効果トランジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明者らが検討した一般的な回復込み評価方法を説明する動作電圧（ゲート電圧（Ｖｇ）およびドレイン電圧（Ｖｄ））と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図である。
【図２】本発明者らが検討した一般的な回復レス評価方法を説明する動作電圧（ゲート電圧（Ｖｇ）およびドレイン電圧（Ｖｄ））と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法を説明するＮＢＴＩ評価時の動作電圧（ゲート電圧（Ｖｇ）およびドレイン電圧（Ｖｄ））と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法を使用して測定されたｐチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法を使用して測定されたｐチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係から、回復込み劣化測定部分および回復レス劣化測定部分を解析する方法を説明する模式図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価方法において、ストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とした場合の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）の時間変化を示すグラフ図である。
【図７】図６の結果から、回復レス劣化測定部分（ＯＴＦ法）の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。
【図８】図６の結果から、回復込み劣化測定部分の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。
【図９】本発明の一実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価結果（ストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化→回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とした場合）から、回復レス劣化測定部分（ＯＴＦ法）の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。
【図１０】本発明の一実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価結果（ストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化→回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とした場合）から、回復込み劣化測定部分の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。
【図１１】本発明の一実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価結果（ストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化→回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とした場合）から、回復レス劣化測定部分（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。
【図１２】本発明の一実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価結果（ストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化→回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とした場合）から、回復込み劣化測定部分のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１８】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
まず、本発明者らが検討した一般的なｐチャネル型電界効果トランジスタの回復込み評価方法および回復レス評価方法をそれぞれ図１および図２を用いて説明する。図１は、回復込み評価方法を説明する回復込み評価時の動作電圧（ゲート電圧（Ｖｇ）およびドレイン電圧（Ｖｄ））と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図、図２は、回復レス評価方法を説明する回復レス評価時の動作電圧（ゲート電圧（Ｖｇ）およびドレイン電圧（Ｖｄ））と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図である。
【００２１】
回復込み評価方法について図１を用いて説明する。
【００２２】
まず、ｐチャネル型電界効果トランジスタの初期状態（未だ、ゲートにストレスを加えていない状態）において１回目の測定を行う。１回目の測定では、１０〜２０秒の測定時間において線形領域および飽和領域のドレイン電流をそれぞれ測定する。これにより、初期状態におけるしきい値電圧および動作電流を求める。
【００２３】
続いて、ゲートに電源電圧よりも高いストレス電圧を所定時間加えた後（１回目のストレス）、２回目の測定を行う。２回目の測定では、１回目の測定と同様に、１０〜２０秒の測定時間において線形領域および飽和領域のドレイン電流をそれぞれ測定する。これにより、１回目のストレスを加えた段階におけるしきい値電圧および動作電流を求める。回復込み評価方法では、１回の測定でしきい値電圧および動作電流を求めることができる。しかし、回復込み評価方法では、測定時間が１０〜２０秒と長いので、ドレイン電流を測定している間に劣化の回復が起きてしまう。
【００２４】
以後、続いて、１回目のストレスおよび２回目の測定と同様に、ストレスおよび測定を所定の回数繰り返すことにより、それぞれの回数のストレスを加えた状態でのしきい値電圧および動作電流を求める。
【００２５】
そして、それぞれの回数のストレスを加えた段階でのしきい値電圧の初期状態からの劣化量、およびそれぞれの回数のストレスを加えた段階での動作電流の初期状態からの劣化量を求めて、ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩの評価を行う。
【００２６】
次に、回復レス評価方法について図２を用いて説明する。
【００２７】
まず、ｐチャネル型電界効果トランジスタの初期状態（未だ、ゲートにストレスを加えていない状態）において１回目の測定を行う。１回目の測定では、線形領域または飽和領域のドレイン電流を測定する。これにより、初期状態のしきい値電圧または動作電流を求める。
【００２８】
続いて、ゲートに電源電圧よりも高いストレス電圧を所定時間加えた後（１回目のストレス）、２回目の測定を行う。２回目の測定では、１ｍ秒以下の測定時間においてゲートに初期状態のしきい値電圧または電源電圧を印加してドレイン電流を測定する。ゲートに初期状態のしきい値電圧を印加してドレイン電流を測定する方法は、例えばＦａｓｔ−Ｉｄ法と呼ばれ、ゲートに電源電圧を印加してドレイン電流を測定する方法は、例えばＯＴＦ（On The Fly）法と呼ばれている。これにより、１回目のストレスを加えた段階におけるしきい値電圧または動作電流を求める。回復レス評価方法では、測定時間が１ｍ秒以下と短いので、ドレイン電流を測定している間の劣化の回復を抑えることができる。しかし、回復レス評価方法では、１回の測定でしきい値電圧または動作電流のどちらか一方のみしか求められず、また、得られる情報も限定される。
【００２９】
以後、続いて、１回目のストレスおよび２回目の測定と同様に、ストレスおよび測定を所定の回数繰り返すことにより、それぞれの回数のストレスを加えた段階でのしきい値電圧または動作電流を求める。
【００３０】
そして、それぞれの回数のストレスを加えた段階でのしきい値電圧の初期状態からの劣化量、またはそれぞれの回数のストレスを加えた段階での動作電流の初期状態からの劣化量を求めて、ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩの評価を行う。
【００３１】
次に、本実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価方法（Stress-Relaxation法と言い、Ｓ−Ｒ法と略す場合もある）を図３〜図５を用いて説明する。図３は、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法を説明するＮＢＴＩ評価時の動作電圧（ゲート電圧（Ｖｇ）およびドレイン電圧（Ｖｄ））と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図、図４は、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法を使用して測定されたｐチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係を示す模式図、図５は、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法を使用して測定されたｐチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）と測定時間（ｔｉｍｅ）との関係から、回復込み劣化測定部分および回復レス劣化測定部分を解析する方法を説明する模式図である。
【００３２】
図３に示すように、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法では、「劣化」過程、「回復」過程、および「再劣化」過程をストレス試験の１サイクルとし、この１サイクルを繰り返し行う。
【００３３】
「劣化」過程では、例えば前述の図２を用いて説明したＦａｓｔ−Ｉｄ法またはＯＴＦ法を用いてしきい値電圧または動作電流を測定し（ｓｐｏｔ測定）、初期状態からのしきい値電圧の劣化量または動作電流の劣化量を求めることにより、回復レス劣化評価を行う。また、「回復」過程では、ストレスは加えずに、ドレイン電流とゲート電圧との関係を測定し（Ｉｄ−ＶｇＳｗｅｅｐ測定）、その測定結果から、初期状態からのしきい値電圧の劣化量および動作電流の劣化量を求めることにより、回復込み劣化評価を行う。また、「再劣化」過程では、「回復」過程において回復したしきい値電圧または動作電流の劣化量を直近の「劣化」過程の終了時の劣化量に戻す。
【００３４】
このような「劣化」過程、「回復」過程、および「再劣化」過程をストレス試験の１サイクルで行うことにより、１つのｐチャネル型トランジスタで、回復込み劣化評価および回復レス劣化評価の両方の評価を行うことができる。
【００３５】
図４に、前述の図３に示すＮＢＴＩ評価方法により得られた評価結果の一例を示す。
【００３６】
まず、１回目の「劣化」過程において、Ｆａｓｔ−Ｉｄ法を用いて測定されたしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）が求まる。またはＯＴＦ法を用いて測定された動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）が求まる。続く１回目の「回復」過程において、ドレイン電流とゲート電圧との関係からしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）および動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）が求まる。続く１回目の「再劣化」過程において、１回目の「回復」過程において回復したしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）が、１回目の「劣化」過程の終了時のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）に戻る。１回目の「劣化」過程、「回復」過程、および「再劣化」過程によりストレス試験の１サイクルが終了する。
【００３７】
１回目の「再劣化」過程に続く２回目の「劣化」過程において、１回目の「劣化」過程と同様にして、しきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）が求まる。２回目の「劣化」過程の開始時のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）は、１回目の「劣化」過程の終了時のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）に戻っているので、１回目の「再劣化」過程の後、引き続いて２回目の「劣化」過程における回復レス劣化評価を行うことができる。
【００３８】
続く２回目の「回復」過程において、１回目の「回復」過程と同様にして、しきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）および動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）が求まる。続く２回目の「再劣化」過程において、１回目の「再劣化」過程と同様にして、しきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）が、２回目の「劣化」過程の終了時のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）に戻る。２回目の「劣化」過程、「回復」過程、および「再劣化」過程によりストレス試験の１サイクルが終了する。
【００３９】
以降、同様にして繰り返されるストレス試験により、回復レス劣化評価によるしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）、ならびに回復込み劣化評価によるしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）および動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）が測定される。
【００４０】
図５に、前述の図４に示すＮＢＴＩ評価方法により得られた評価結果を回復レス劣化測定部分または回復込み劣化測定部分に分けて、解析する方法の一例を示す。
【００４１】
複数の「劣化」過程において測定された回復レス劣化評価によるしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）を抽出して１つにまとめることにより、回復レス劣化評価のみの結果を得ることができる。また、複数の「回復」過程において測定された回復込み劣化評価によるしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）または動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）を抽出して１つにまとめることにより、回復込み劣化評価のみの結果を得ることができる。
【００４２】
前述の図３〜図５を用いて説明したｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価方法では、「劣化」過程、「回復」過程、および「再劣化」過程からなるストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法またはＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化」として、回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法またはＯＴＦ法）と回復込み劣化評価の２種類のＮＢＴＩを評価したが、これに限定されるものではない。例えばストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）」とすることができる。これにより、１つのｐチャネル型電界効果トランジスタにおいて回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）と回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）の２種類のＮＢＴＩ評価を行うことができる。また、例えばストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化→回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とすることもできる。これにより、１つのｐチャネル型電界効果トランジスタにおいて３種類のＮＢＴＩ評価を行うことができる。
【００４３】
次に、本実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価方法を採用した測定結果の一例を図６〜図８に示す。
【００４４】
図６は、本実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価方法において、ストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とした場合の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）の時間変化を示すグラフ図である。図６に示すように、動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）には、回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）による劣化量（ΔＩｄｓ）と回復込み劣化評価による劣化量（ΔＩｄｓ）とがそれぞれ現れていることが分かる。
【００４５】
図７は、前述の図６の結果から、回復レス劣化測定部分（ＯＴＦ法）の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。比較のために、ＯＴＦ法を用いた従来の回復レス評価方法により独立測定された動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）を同図に示す。図７に示すように、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法（Ｓ−Ｒ法）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）は、従来の回復レス評価方法（独立測定）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）と一致している。
【００４６】
図８は、前述の図６の結果から、回復込み劣化測定部分の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。比較のために、従来の回復込み評価方法により独立測定された動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）を同図に示す。図８に示すように、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法（Ｓ−Ｒ法）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）は、従来の回復込み評価方法（独立測定）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）と一致している。
【００４７】
次に、本実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価方法を採用した測定結果の他の例を図９〜図１２に示す。
【００４８】
本実施の形態によるｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩ評価方法において、ストレス試験の１サイクルを「回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）→回復込み劣化評価→再劣化→回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）→回復込み劣化評価→再劣化」とした場合の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）またはしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）を求め、これらを回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）、回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）、または回復込み評価に分けてそれぞれ解析した。
【００４９】
図９は、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価から回復レス劣化測定部分（ＯＴＦ法）の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。比較のために、ＯＴＦ法を用いた従来の回復レス評価方法により独立測定された動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）を同図に示す。図９に示すように、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法（Ｓ−Ｒ法）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）は、従来の回復レス評価方法（独立測定）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）とほぼ一致している。
【００５０】
図１０は、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価から回復込み劣化測定部分の動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。比較のために、従来の回復込み評価方法により独立測定された動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）を同図に示す。図１０に示すように、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法（Ｓ−Ｒ法）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）は、従来の回復込み評価方法（独立測定）により得られた動作電流の劣化量（ΔＩｄｓ）とほぼ一致している。
【００５１】
図１１は、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価から回復レス劣化測定部分（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法）のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。比較のために、Ｆａｓｔ−Ｉｄ法を用いた従来の回復レス評価方法により独立測定されたしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）を同図に示す。図１１に示すように、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法（Ｓ−Ｒ法）により得られたしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）は、従来の回復レス評価方法（独立測定）により得られたしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）とほぼ一致している。
【００５２】
図１２は、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価から回復込み劣化測定部分のしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）のみを抽出してプロットしたグラフ図である。比較のために、従来の回復込み評価方法により独立測定されたしきい値電圧の劣化量（ΔＶｔｈ）を同図に示す。図１２に示すように、本実施の形態によるＮＢＴＩ評価方法（Ｓ−Ｒ法）により得られたしきい値電圧の劣化量（ΔＩｄｓ）は、従来の回復込み評価方法（独立測定）により得られたしきい値電圧の劣化量（ΔＩｄｓ）とほぼ一致している。
【００５３】
このように、本実施の形態によれば、１つのｐチャネル型電界効果トランジスタにおいて、２種類（例えば回復込み劣化評価と回復レス劣化評価（ＯＴＦ法またはＦａｓｔ−Ｉｄ法）、または回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）と回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法））、あるいは３種類（例えば回復込み劣化評価と回復レス劣化評価（ＯＴＦ法）と回復レス劣化評価（Ｆａｓｔ−Ｉｄ法））のＮＢＴＩの評価結果を１度の測定により得ることができるので、個々（１種類）のＮＢＴＩの評価結果を１度の測定により得る場合と比較して、ＮＢＴＩの評価に要する測定数および測定時間を１／２または１／３に減らすことができる。
【００５４】
これにより、短時間で、ウエハ面内においてＮＢＴＩを漏れなく評価することができ、さらに、他の信頼性評価に要する測定数の確保が可能となることから、他の信頼性評価も実施することができるので、ｐチャネル型電界効果トランジスタの信頼性の評価を充実させることができる。その結果、信頼性の高いｐチャネル型電界効果トランジスタを提供することができる。
【００５５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、半導体素子の信頼性評価、特に、ｐチャネル型電界効果トランジスタのＮＢＴＩの評価に適用することができる。
【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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