(57)【要約】【課題】トンネル電流が流れやすい絶縁膜を有する半導体装置について正確な界面準位密度及びそのエネルギー分布を評価することを可能とする半導体装置の試験方法及び試験装置を提供することを提供する。【解決手段】チャージポンピング法を用いて、半導体基板上に形成されたＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度を求める半導体装置の評価方法において、まず、パルス波が連続してなる第１の測定信号をＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第１の電流値を測定する。次に、第１の電流値に含まれるトンネル電流成分を評価すべく、前記第１の測定信号を時間軸方向にα（α＞１）倍した第２の測定信号をＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して半導体基板に流れる第２の電流値を測定する。そして、第１の電流値から第２の電流値を減算して、正確なチャージポンピング電流を求める。【選択図】図７
2009194218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャージポンピング法を用いて半導体基板上に形成されたＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度を求める半導体装置の試験方法であって、
パルス波が連続してなる第１の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第１の電流値を測定するステップと、
一定の測定時間Ｔにおいて、所定電圧Ｖ（但し、Ｖは第１の測定信号の最低電圧ＶGLから最高電圧ＶGHまでの範囲の変数）が前記ゲートに印加されている時間Ｔ2（Ｖ）が前記第１の測定信号により所定電圧Ｖが前記ゲートに印加されている時間Ｔ1（Ｖ）と等しく、かつ、前記第１の測定信号よりも周波数の低い第２の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第２の電流値を測定するステップと、
前記第１の電流値から前記第２の電流値を減算して第３の電流値を求めるステップと、を有することを特徴とする半導体装置の試験方法。
【請求項２】
前記第２の測定信号は第１の測定信号を時間軸方向にα（但し、α＞１）倍に引き伸ばした波形を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の試験方法。
【請求項３】
前記第１の測定信号を時間軸方向に所定の倍率ずつ引き伸ばし量を増大させながら前記基板に流れる電流を測定し、界面準位密度と引き伸ばし量との関係を求め、前記引き伸ばし量が増加したときの前記界面密度の変化量が測定精度として定めた範囲内となったときの最初の引き伸ばし量を前記引き伸ばし倍率αとすることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の試験方法。
【請求項４】
前記第１の測定信号のパルス波の立ち上がり時間及び立ち下がり時間のいずれか一方を固定し他方を変化させながら、変化させた方の時間に対する前記第１の電流値、前記第２の電流値及び前記第３の電流値を求め、前記変化させた方の時間と前記第３の電流値との関係に基づいて、前記ＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度のエネルギー分布を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の試験方法。
【請求項５】
チャージポンピング法を用いて半導体基板上に形成されたＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度を求める半導体装置の試験装置であって、
パルス波が連続してなる第１の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第１の電流値を測定するステップと、
一定の測定時間Ｔにおいて、所定電圧Ｖ（但し、Ｖは第１の測定信号の最低電圧ＶGLから最高電圧ＶGHまでの範囲の変数）が前記ゲートに印加されている時間Ｔ2（Ｖ）が前記第１の測定信号により所定電圧Ｖが前記ゲートに印加されている時間Ｔ1（Ｖ）と等しく、かつ、前記第１の測定信号よりも周波数の低い第２の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第２の電流値を測定するステップと、
前記第１の電流値から前記第２の電流値を減算して第３の電流値を求めるステップと、を行うことを特徴とする半導体装置の試験装置。
【請求項６】
チャージポンピング法を用いて半導体基板上に形成されたＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度を求める半導体装置の評価方法であって、
パルス波が連続してなる第１の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第１の電流値を測定するステップと、
一定の測定時間Ｔにおいて、所定電圧Ｖ（但し、Ｖは第１の測定信号の最低電圧ＶGLから最高電圧ＶGHまでの範囲の変数）が前記ゲートに印加されている時間Ｔ2（Ｖ）が前記第１の測定信号により所定電圧Ｖが前記ゲートに印加されている時間Ｔ1（Ｖ）と等しく、かつ、前記第１の測定信号よりも周波数の低い第２の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第２の電流値を測定するステップと、
前記第１の電流値から前記第２の電流値を減算して第３の電流値を求めるステップと、
前記第３の電流値に基づき、前記ＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度のエネルギー分布を求めるステップと、
前記界面準位密度のエネルギー分布に基づいて、前記ＭＩＳ型トランジスタを評価するステップと、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の試験方法及び試験装置に関し、特に半導体基板上に形成されたＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜近傍の界面準位密度を求める半導体装置の試験方法及び試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年半導体装置の微細化の進行に伴い半導体装置製造技術が高度化しており、形成された半導体装置の試験方法もより精度の高いものが求められている。このような半導体装置の評価の一つとしてＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜と半導体基板との界面に生じる界面準位密度の評価がある。この界面準位密度の増大は、ＭＩＳ型トランジスタの電気的特性（信頼性）に大きな影響を及ぼす。このため、界面準位密度を評価することによりＭＩＳ型トランジスタの劣化の有無や劣化の進行過程等の知見が得られる。
【０００３】
このＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度は、チャージポンピング法により測定することができる。ここで、チャージポンピング法の原理について図を参照しつつ説明する。図１はチャージポンピング法の測定系を示す図である。図１に示すように、チャージポンピング法の測定系は、ＭＩＳ型トランジスタの基板１に電流測定器７が接続され、ソース２およびドレイン３にバイアス電源８が接続され、ゲート５に信号源６が接続されて構成される。測定は、信号源６から所定のパルス波を印加したときに基板１に流れる基板電流の直流成分を電流計７で検出することで行われる。
【０００４】
図２はゲート５に印加される信号波形の例を示している。図２に示すように、チャージポンピング法ではゲート５にフラットバンド電圧ＶFB及び閾値電圧Ｖthをまたぐ所定のピーク値を有するパルス波を繰り返し印加する（以下、このパルス連続波を測定信号と呼ぶ）。
【０００５】
このようなパルス波を印加したときにおいて、立ち下がり過程で生じる変化について図３を参照しつつ説明する。ここに、図３はｎチャネル−ＭＩＳ型トランジスタのバンド図であり、図４は図３に示す変化の過程で流れる基板電流を示す模式図である。尚、図３において黒丸は電子を表し、白丸はホールを表す。
【０００６】
図３（ａ）に示すように、ゲート電圧ＶGが閾値電圧Ｖthよりも高い間（反転状態）は、フェルミレベルＥFが低下（ゲート電圧ＶGの低下による）するにつれて界面準位に捕獲されたキャリア（電子）が、矢印Ｉ1´に示すように伝導帯への遷移してゆき、最終的にソース（又はドレイン）領域へ流出してゆく。このときの電子の遷移は比較的速く進み、ＥF≒ＥF´のまま変化してゆく。この過程で基板１には図４で矢印Ｉ1に示すようにキャリア（電子）が流れる。
【０００７】
その後、ゲート電圧ＶGが閾値電圧Ｖth以下に低下すると（図３（ｂ））、少数キャリア（電子）の伝導帯側への遷移（図３（ｂ）の矢印Ｉ1´）が遅くなり、界面準位における少数キャリアのフェルミレベルＥF´の変化も遅くなり、半導体基板内部のフェルミレベルの変化ＥFの変化に追随できなくなり、ＥF＜ＥF´となる。この過程でも基板１には図４で矢印Ｉ1に示すようにキャリア（電子）が少量流れる。
【０００８】
更にゲート電圧ＶGが低下し、フラットバンド電圧ＶFB付近になると、図３（ｃ）に示すように、界面準位に捕獲された電子の遷移（矢印Ｉ1´）に加えて、矢印Ｉ2´に示すように価電子帯の多数キャリア（ホール）が界面準位に捕獲され、電子と再結合し始める。
【０００９】
更にゲート電圧ＶGがフラットバンド電圧ＶFB以下に低下すると（蓄積状態）、価電子帯側から界面準位にホールが遷移して（図３（ｄ）の矢印Ｉ2´）界面準位における少数キャリアのフェルミレベルＥF´が半導体基板内部のフェルミレベルＥFと等しくなるまでホールが界面準位に捕獲されて電子と再結合する。このとき、半導体基板に、図４に矢印Ｉ2に示すような再結合電流が流れる。この過程で流れる再結合電流Ｉ2を基板電流の直流成分として測定することで界面準位密度を求めることができる。
【００１０】
また、図２に示すようにパルス電圧の立ち下がり時間ｔFを波形Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのように変化させることで、再結合電流Ｉ2が流れ始める直前の界面準位でのフェルミレベルＥF1´の位置を制御することができる。したがって、パルス波の立ち上がり時間ｔRを固定してパルス波の立ち下がり時間ｔFのみを様々に変化させながら再結合電流Ｉ2を測定することにより（真性フェルミレベルＥiよりも上の）界面準位密度のエネルギー分布を求めることもできる（非特許文献１参照）。この場合には、パルス電圧の立ち下がり時間ｔFを大きくするほど、より低いエネルギー準位の界面準位密度に関する知見が得られる。
【００１１】
チャージポンピング法の実際の測定では、パルス波（測定信号）を高い周波数で繰り返し印加する。再結合電流Ｉ2はゲート電圧ＶGがＶTHとＶFBとの間を横切るときに流れるため、周波数を高くすることにより基板電流Ｉsubに占める再結合電流Ｉ2の割合を大きくすることができ、比較的高い精度で界面準位密度を求めることができる。
【００１２】
本願発明に関連すると思われる文献として特許文献１がある。特許文献１は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の界面準位及び界面電荷の局所的（空間的）な分布を求めるべく、ゲートに電圧パルスの最大値ＶGH（ハイレベル）及び最低値ＶGL（ロウレベル）を連続的に変化させた信号を印加して半導体基板に流れる電流を測定する技術を開示する。
【００１３】
非特許文献１にはチャージポンピング法による界面準位密度及び界面準位密度のエネルギー分布の測定方法が記載されている。
【特許文献１】特開平４−３０２４５２号公報
【非特許文献１】G.Groeseneken et al., "A Reliable Approach to Charge-Pumping Measurements in MOS Transistors", IEEE Transaction on Electron Devices, (1984), Vol.ED-31, pp.42-53
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したようにチャージポンピング法によればＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度及びそのエネルギー分布を測定することができる。しかし、近年の半導体装置の微細化にともないゲート絶縁膜の厚さが減少しつつある。このため、図５に示すようにゲート５に電圧を印加すると、ゲート絶縁膜４を貫いてトンネル電流Ｉtが流れてしまう。このような、トンネル電流が流れやすいゲート絶縁膜４を有するＭＩＳ型トランジスタにチャージポンピング法を行うと、基板電流Ｉsubには、界面準位によるチャージポンピング電流Ｉcp（≒Ｉ2）成分以外に、トンネル電流Ｉt成分が含まれてしまう。このため、微細化が進みゲート絶縁膜４の厚さが薄くなった近年の半導体装置ではトンネル電流Ｉtにより正確なチャージポンピング電流Ｉcpを測定することが困難となっている。
【００１５】
これに対し、基板電流Ｉsubからトンネル電流Ｉt成分を除去する方法として、ゲートにチャージポンピング電流測定用のパルス波（測定信号）よりも周波数が低い正弦波又はパルス波等を参照信号として印加する方法が提案されている。この方法では、参照信号を印加したときに流れる基板電流Ｉsub2をトンネル電流Ｉt成分とみなし、測定信号を印加したときの基板電流Ｉsub1からＩsub2を減算した値をチャージポンピング電流Ｉcpとして界面準位密度を評価する。
【００１６】
しかしながら、トンネル電流Ｉtはゲート電圧依存性を示すため、測定信号と参照信号との波形が異なる場合は、正確なトンネル電流Ｉt成分の評価を行うことができず、チャージポンピング電流Ｉcpの測定精度が低下してしまう。すなわち、界面準位密度のエネルギー分布を求めるために、測定信号としてパルス波の立ち下がり時間ｔF（又は立ち上がり時間ｔR）を様々な長さに変化させた場合には、低周波の正弦波のみを参照信号として印加してトンネル電流Ｉt成分を正確に評価することが困難である。例えば、より深いエネルギー準位の状態密度を測定するために、立ち下がり時間ｔFが大きく歪率の大きな測定信号を印加した場合には、参照信号としての正弦波との差が大きくなり、トンネル電流Ｉt成分の誤差が増大し、チャージポンピング電流Ｉcpの測定精度が低下してしまう。
【００１７】
このように、チャージポンピング法ではトンネル電流の流れやすいゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型トランジスタについて、トンネル電流Ｉt成分を除去する方法が確立されておらず正確なチャージポンピング電流Ｉcpの測定を行うことができなかった。このため、界面準位密度及びそのエネルギー分布について高い精度で測定するのが困難であった。
【００１８】
本発明の目的は、トンネル電流が流れやすいゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型トランジスタについて正確な界面準位密度及びそのエネルギー分布を評価することを可能とする半導体装置の試験方法及び試験装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一観点によれば、チャージポンピング法を用いて半導体基板上に形成されたＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度を求める半導体装置の試験方法であって、パルス波が連続してなる第１の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第１の電流値を測定するステップと、一定の測定時間Ｔにおいて、所定電圧Ｖ（但し、Ｖは第１の測定信号の最低電圧ＶGLから最高電圧ＶGHまでの範囲の変数）が前記ゲートに印加されている時間Ｔ2（Ｖ）が前記第１の測定信号により所定電圧Ｖが前記ゲートに印加されている時間Ｔ1（Ｖ）と等しく、かつ、前記第１の測定信号よりも周波数の低い第２の測定信号を前記ＭＩＳ型トランジスタのゲートに印加して前記半導体基板に流れる第２の電流値を測定するステップと、前記第１の電流値から前記第２の電流値を減算して第３の電流値を求めるステップと、を有することを特徴とする半導体装置の試験方法が提供される。
【００２０】
上記観点によれば、チャージポンピング法において、第１の測定信号を印加したときに測定される基板電流に占めるトンネル電流成分を第１の測定信号の波形に係らず正確に評価してこれを除去することが可能である。すなわち、第１の測定信号の印加時に流れる基板電流（第１の電流値）のトンネル電流成分を評価するため、参照信号（第２の測定信号）を印加している。この参照信号は、測定時間Ｔにおいて電圧Ｖ（Ｖは第１の測定信号のボトム電圧からピーク電圧までの範囲の変数）がゲートに印加されている時間Ｔ2（Ｖ）が、同じ測定時間Ｔにおいて第１の測定信号を印加したときに電圧Ｖがゲートに印加されている時間Ｔ1（Ｖ）と等しく、かつ、第１の測定信号よりも周波数が低い。
【００２１】
トンネル電流の大きさは電圧に依存するため、第１の測定信号を印加したときに流れるトンネル電流の大きさは、ゲート電圧に応じて刻々と変化する。ところが、チャージポンピング法において、パルス連続波を印加したときの基板電流は時間平均した値として求まるため、一定の測定時間Ｔあたりの所定電圧Ｖの印加時間Ｔ（Ｖ）が第１の測定信号と参照信号とで等しければ、時間平均した値として求まるトンネル電流成分は第１の測定信号を印加したときと、参照信号を印加したときとで変わらない。
【００２２】
さらに、チャージポンピング電流はゲートに印加される電圧がフラットバンド電圧ＶFBからスレッシュホルド電圧ＶTHの間を横切ったときに流れるため、周波数の低い参照信号は、第１の測定信号よりもＶFB〜ＶTHの間を横切る回数が少なく、時間平均した基板電流に占めるチャージポンピング電流は少なくなる。したがって、参照信号の周波数を十分低くして基板電流（第２の基板電流）を測定すればチャージポンピング電流成分が少なくなり、精度良く第１の基板電流に含まれるトンネル電流成分を測定することができる。そして、第１の基板電流からトンネル電流成分としての第２の基板電流を減算することにより、チャージポンピング電流（第３の基板電流）を求めることができる。
【００２３】
また、上記観点によればどのような立ち上がり時間ｔR又は立ち下がり時間ｔFを有する第１の測定波形をゲートに印加した場合であっても、基板電流に含まれるトンネル電流成分を正確に評価することができる。このため、トンネル電流が流れやすいゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型トランジスタ等の半導体装置についてもチャージポンピング法に様々な立ち上がり時間ｔR又は立ち下がり時間ｔFを有する第１の測定波形を印加しても高い精度でチャージポンピング電流Ｉcpを求めることができる。したがって、界面準位密度及びそのエネルギー分布をより正確に求めることが可能となる。
【００２４】
本発明の第２の観点によれば、前記第２の測定信号は前記第１の測定信号を時間軸方向にα（α＞１）倍に引き伸ばした波形を有することを特徴とする半導体装置の試験方法が提供される。
【００２５】
上記第２の観点では第１の測定信号を印加したときに測定される基板電流に含まれるトンネル電流成分を評価するため、第１の測定信号を時間軸方向にα（但し、α＞１）倍に引き伸ばした波形からなる参照信号（第２の測定信号）を印加する（図６参照）。すなわち、図６の上段に一例として示す第１の測定信号に対し、参照信号（第２の測定信号）を図６の下段に示すように、最高電圧ＶGH及び最低電圧ＶGLは同じとしたままで、立ち上がり時間ｔR、最高電圧ＶGHの保持時間ｔBASE1、立ち下がり時間ｔF及び最低電圧ＶGLの保持時間ｔBASE2の各々をα倍する。
【００２６】
このように、本発明の第２の観点によれば、第１の測定信号を時間軸方向に引き伸ばすことにより、本発明の第１の観点における“測定時間Ｔにおいて電圧Ｖ（但し、Ｖは第１の測定信号のボトム電圧からピーク電圧までの範囲の変数）がゲートに印加されている時間Ｔ2（Ｖ）が、同じ測定時間Ｔにおいて第１の測定信号を印加したときに電圧Ｖがゲートに印加されている時間Ｔ1（Ｖ）と等しく、かつ、第１の測定信号よりも周波数が低い”参照信号（第２の測定信号）を簡単に生成できる。
【００２７】
上述の本発明の第３の観点は、上記第２の観点のα倍を決定する方法に関する。すなわち、本発明の第３の観点によれば、第２の観点による半導体装置の試験方法において、前記第１の測定信号を時間軸方向に所定の倍率ずつ引き伸ばし量を増大させながら前記基板に流れる電流を測定し、界面準位密度と引き伸ばし量との関係を求め、前記引き伸ばし量が増加したときの前記界面密度の変化量が測定精度として定めた範囲内となったときの最初の引き伸ばし量を前記引き伸ばし倍率αとする。これにより引き伸ばし倍率αを、必要とする測定精度にあわせて迅速に求めることができる。
【００２８】
本発明の第４の観点は、上記第１乃至第３の観点の半導体装置の試験方法において、前記第１の測定信号のパルス波の立ち上がり時間又は立ち下がり時間のいずれか一方を固定し他方を変化させながら、変化させた方の時間に対する前記第１の電流値、前記第２の電流値及び前記第３の電流値を求め、第３の電流値と前記変化させた方の時間との関係に基づいて、前記ＭＩＳ型トランジスタの界面準位密度のエネルギー分布を求めることを特徴とする。
【００２９】
上述のように、本発明の上記第１乃至第３の観点によれば、どのような立ち上がり時間ｔR又は立ち下がり時間ｔFを有する第１の測定波形をゲートに印加した場合であっても、第２の測定波形を印加することにより基板電流に含まれるトンネル電流成分を正確に評価することができる。このため、第４の観点によればトンネル電流が流れやすいゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型トランジスタ等の半導体装置であってもチャージポンピング法により様々な波形を有する第１の測定波形を印加して、チャージポンピング電流Ｉcp（第３の電流値）と立ち上がり時間ｔR又は立ち下がり時間ｔFとの関係を精度良く求めることができる。これにより、界面準位密度及びそのエネルギー分布をより正確に求めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００３１】
（第１実施形態）
図７は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験装置を示すブロック図である。図８は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験方法を示すフロー図である。図９は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験方法における測定データの一例を示す模式図である。図１０は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験方法おける処理データの一例を示す模式図である。
【００３２】
以下、図７を参照しつつ試験装置１０について説明する。図７に示すように、試験装置１０は、入力部２０と、測定変数決定部１９を有する制御装置２１と、信号発生器１６と、電圧発生器１８と、電流測定器１７とを備えている。
【００３３】
測定波形、周波数及びピーク電圧値等の各種測定条件は入力部２０を介して制御装置２１に入力される。電圧発生器１８は、その出力端がＭＯＳトランジスタのソース２及びドレイン３に接続され、制御装置２１からの制御信号に基づいてこれらの部分に所定のバイアス電圧を印加することができる。信号発生器１６は、その出力端がＭＯＳトランジスタのゲート５に接続され、制御装置２１からの制御信号に基づいて測定信号又は参照信号をゲート５に印加する。電流測定器１７はＭＯＳトランジスタの形成された半導体基板１と接続され、半導体基板１に流れる基板電流を測定し、その測定結果を制御装置２１に出力する。制御装置２１は、本実施形態に係る試験装置１０の各部を制御するとともに、測定結果の処理を行う。測定変数決定部１９は、入力部２０から入力された測定条件に基づいて、測定信号の立ち下がり時間ｔFの設定や参照信号決定のための測定信号の引き伸ばし倍率等を設定する。
【００３４】
以下、図８を参照しつつ、第１実施形態に係る半導体装置の試験方法について説明する。尚、以下の説明では便宜上、界面準位密度のエネルギー分布を求めるために、パルス波の立ち上がり時間ｔRを固定しつつ立ち下がり時間ｔFを変化させながらチャージポンピング法により基板電流を測定する場合を例に説明する。
【００３５】
まず、入力部２０から制御装置２１に測定条件を入力する（ステップＳ１０）。入力する測定条件としては、例えば、信号発生器１６から出力される測定信号を設定するための条件として、パルス波の立ち上がり時間ｔR、立ち下り時間ｔF、パルス波の平坦部分の時間ｔBASE（又は周波数ｆ）、及びパルス波の電圧の最高値ＶGH（及び最低値ＶGL）等がある。ここでは、パルス波の立ち上がり時間ｔRを固定値として設定し、立ち下がり時間ｔFは変動範囲（測定範囲）として設定する。また、パルス波の電圧の最高値ＶGHはＭＯＳトランジスタの閾値電圧Ｖth以上（例えば＋１Ｖ程度）に、最低値ＶGLはフラットバンド電圧ＶFB以下（例えば−１Ｖ程度）に設定する（但し、ゲート絶縁膜の絶縁破壊を起こさない範囲とする）。この他、電圧発生器１８でソース領域２及びドレイン領域３に印加するバイアス電圧（例えば０Ｖ）を測定条件として入力する。
【００３６】
次に、パルス波の立ち下がり時間ｔF1を設定する（ステップＳ２０）。このステップは最初に測定を行うパルス波の立ち下がり時間ｔFの初期値ｔF1を設定するものであり、測定条件として入力された立ち下がり時間ｔFの範囲の中であれば任意の値でよい。これにより、最初の測定信号のパルス波の波形が決まる。
【００３７】
次に、参照信号の倍率αを設定する（ステップＳ３０）。本実施形態の参照信号は測定信号をステップＳ３０により定められた倍率で時間軸方向に引き伸ばした波形からなる。この参照信号の倍率αは、チャージポンピング電流の影響が十分小さくなるように設定する。この倍率αは測定者が経験上得た値を入力部２０から直接入力して設定してもよいし、後述する第２実施形態に示す手法により求めた値を設定してもよい。
【００３８】
尚、本実施形態においてステップＳ１０乃至ステップＳ３０の順序は上述の例に限定されるものではなくどのような順序で行ってもよい。
【００３９】
次に、ＭＯＳ型トランジスタのゲート５に測定信号及び参照信号を印加して基板電流Ｉsubの測定を行い、チャージポンピング電流Ｉcpを求めるまでの手順について説明する。（ステップＳ４０〜Ｓ６０）。
【００４０】
信号発生器１６からステップＳ２０で設定された最初の測定信号Ａ１を印加して電流測定器１７により基板電流ＩA1を測定する（ステップＳ４０）。
【００４１】
次に、信号発生器１６からステップＳ４０で印加した測定信号Ａ１を倍率αだけ時間軸方向に引き伸ばした参照信号Ｂ１を印加して電流測定器１７により基板電流ＩB1を測定する（ステップＳ５０）。
【００４２】
そして、基板電流ＩA1から基板電流ＩB1を減算することにより、測定信号のパルス波の立ち下がり時間ｔF1におけるチャージポンピング電流Ｉcp（ｔF1）を求める（ステップＳ６０）。
【００４３】
次に、測定条件の設定（ステップＳ１０）で設定された範囲のｔFについて測定の行われていない立ち下がり時間ｔFがあるか否かを判断する（ステップＳ７０）。測定が行われていないものがある場合には（ＮＯ）、測定の行われていない別の立ち下がり時間ｔFを設定し（ステップＳ８０）、ステップＳ８０で設定された立ち下がり時間ｔFにより測定信号波形及び参照波形を設定し、ステップＳ４０〜Ｓ６０までの操作を行う。
【００４４】
ステップＳ４０〜Ｓ６０の操作を立ち下がり時間ｔFを変えながら繰り返し行うことにより、チャージポンピング電流Ｉcpと立ち下がり時間ｔFとの関係が求まる。ここで、縦軸を再結合電流Ｉcp[Ａ]とし、横軸を立ち下がり時間ｔF[ｓ]としたグラフ上に測定結果をプロットすると、例えば図９に示すようなＩcp（ｔF）の関係が得られる。
【００４５】
設定された立ち下がり時間ｔFの範囲についてチャージポンピング電流Ｉcpの全ての測定が完了した場合には（ステップＳ７０でＹＥＳの場合）、ステップＳ９０に移行する。このステップＳ９０では、チャージポンピング電流Ｉcpと立ち下がり時間ｔFとの関係に基づいて、界面状態密度のエネルギー分布を求める。
【００４６】
以下、図９を参照しつつ界面状態密度のエネルギー分布の求め方を説明する。まず、立ち下がり時間ｔFに対応するエネルギーＥ1を求める。ここで、パルス波（測定信号）の立ち上がり時間ｔRを一定に保ち、立ち下がり時間ｔFを変化させた測定を行ったとき、立ち下がり時間ｔFは以下の関係式（１）のエネルギー準位と対応する（非特許文献１参照）。
【００４７】
【数１】
2009194218.tif 000003
【００４８】
ここに、Ｅ1は立ち下がり時間ｔFに対応するエネルギーを、Ｅiは真性フェルミエネルギーを、ｋはボルツマン定数を、Ｔは測定時の絶対温度を、νthはキャリアの熱速度を、σnは電子の捕獲断面積を、ｎiは真性キャリア密度を、ＶFBはフラットバンド電圧を、Ｖthは閾値電圧を、ΔＶGはパルス波（測定信号）の最高値ＶGHと最低値ＶGLとの差を、ｔFは立ち下がり時間をそれぞれ示す。すなわち、この関係式（１）及び測定条件（ΔＶG及びｔF）に基づいてエネルギーＥ1を求めることができる。
【００４９】
次に、エネルギーがＥ1のときの界面準位密度ＤIT（Ｅ1）を求める。立ち下がり時間ｔFに対応する界面準位密度ＤIT（Ｅ1）は以下の関係式（２）で求めることができる（非特許文献１参照）。
【００５０】
【数２】
2009194218.tif 000004
【００５１】
ここに、ｑは電気素量、ＡGはゲート面積、ｆは測定信号の周波数、ｄＩcp／ｄｔFは立ち下がり時間ｔFのときのチャージポンピング電流のＩcp（ｔF）の傾きを、それぞれ示す。
【００５２】
例えば図９においてｔFがｔF1の時には、関係式（１）及びｔF1によりＥ1の値を求めることができる。続いて、図９に示すようにＩcp（ｔF）の曲線からｔF1のときの傾きｄＩcp／ｄｔFを求め、関係式（２）により、ｔF1（エネルギーＥ1）に対応する界面状態密度ＤIT（Ｅ1）を求めることができる。以上の計算を、測定を行った範囲のｔFについて順次行うことにより、界面準位密度ＤITのエネルギー分布を求めることができる。ここで、横軸をＥ1−Ｅi、縦軸を界面準位密度ＤITとしたグラフに、上述の計算結果をプロットすると、例えば図１０に示すような曲線が得られ、界面準位密度のエネルギー分布が求まる。
【００５３】
以上の例では、測定信号の立ち上がり時間ｔRを固定して立ち下がり時間ｔFを変化させる場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、測定信号の立ち下がり時間ｔFを固定して、立ち上がり時間ｔRを変化させても良い。この場合も、参照信号は測定信号をα倍すればよい。立ち上がり時間ｔRを変化させる測定により、真性フェルミエネルギーＥiよりも下側のエネルギー領域について界面準位密度ＤITのエネルギー分布を求めることができる（非特許文献１参照）。
【００５４】
（実験例及び比較例）
本願発明者は、同一の試料について様々なパルス波形の測定信号を印加して基板電流Ｉsubの測定を行った。測定結果を図１１に示す。ここに、図１１は第１実施形態の実施例及び比較例に係る基板電流の測定結果を示すグラフである。図１１において、縦軸は測定された基板電流Ｉsubであり、横軸は周波数の倍率Ｘである。
【００５５】
実験例（図１１において塗りつぶしのプロット）は、測定信号を時間軸方向に倍率Ｘだけ引き伸ばした信号を印加して基板電流の測定を行った。ここで、倍率Ｘが１（１０0）のとき測定信号Ｅのパルス波は、立ち上がり時間ｔRが２[μｓ：マイクロ秒]、立ち下がり時間ｔFが１５[ｎｓ：ナノ秒]、最高電圧ＶGHの保持時間及び最低電圧ＶGLの保持時間は５００[ｎｓ]であり、周波数は３３２ｋＨｚである。験例は、この測定信号Ｅのパルス波を時間方向にＸ倍に引き延ばした信号を用いて基板電流を測定した。
【００５６】
一方、比較例（図１１において白抜きのプロット）では、倍率Ｘが１（１０0）のとき測定信号Ｆのパルス波は、立ち上がり時間ｔR及び立ち下がり時間ｔFは共に１００ｎｓであり、最高電圧ＶGHの保持時間及び最低電圧ＶGLの保持時間は９００[ｎｓ]であり、周波数は５００ｋＨｚである。比較例では、この測定信号Ｆの立ち上がり時間ｔR及び立ち下がり時間ｔFを変化させずに、最高電圧ＶGH保持時間及び最低電圧ＶGL保持時間を延ばすことにより、１周期の時間をＸ倍（Ｘは１０1、１０2、１０3及び１０4）した波形を用いて基板電流を測定した。
【００５７】
図１１に示すように、最初は実験例及び比較例共に１周期の倍率Ｘの増大にしたがって基板電流が減少する。これは、測定信号の周波数の低下によりチャージポンピング電流成分が減少するためと考えられる。一方、Ｘが大きくなり周波数が低下すると、比較例と実験例ともに基板電流の変化が減少し、やがてＸ依存性を示さない一定値を取る。この電流値はゲート絶縁膜を貫通して流れるトンネル電流によるものと考えられる。しかしながら、実験例と比較例とでは異なる値で一定となっている。したがって、仮に比較例の波形を参照信号とした場合には、測定信号を時間軸方向に引き伸ばした信号を参照波形とした場合と異なる基板電流が得られるため、チャージポンピング電流Ｉcpの値も実験例の場合と比較例の場合とで異なる値を取る。すなわち、比較例の場合には、トンネル電流成分を実際の測定信号を印加したときの値とは異なった値として評価してしまうことになり、正確なチャージポンピング電流Ｉcpを求めることができない。
【００５８】
以上のように、第１実施形態に係る半導体装置の試験方法によれば、まず、測定信号を印加したときに測定される基板電流ＩAを測定する（ステップＳ４０）。次に、基板電流ＩAに含まれるトンネル電流成分Ｉtを評価するため、測定信号を時間軸方向にα（α＞１）倍に引き伸ばした波形からなる参照信号（第２の測定信号）を印加して基板電流ＩBを求める（ステップＳ５０）。そして、基板電流ＩAから基板電流ＩBを減算することによりチャージポンピング電流Ｉcpを求めている（ステップＳ６０）。上述のとおり、参照信号は測定信号を時間軸方向にα（α＞１）倍に引き伸ばした波形であるため、どのような立ち上がり時間ｔR又は立ち下がり時間ｔFを有する第１の測定波形をゲートに印加した場合であっても、基板電流に含まれるトンネル電流成分を正確に評価して除去することができる。
【００５９】
このため、本実施形態の半導体装置の試験方法によれば、トンネル電流が流れやすいゲート絶縁膜を有するＭＯＳトランジスタ等の半導体装置についてもチャージポンピング法に様々な立ち上がり時間ｔR又は立ち下がり時間ｔFを有する第１の測定波形を印加しても高い精度でチャージポンピング電流Ｉcpを求めることができ、界面準位密度及びそのエネルギー分布をより正確に求めることが可能となる。
【００６０】
（第２実施形態）
以下、図１２乃至図１３を参照しつつ本発明の第２実施形態に係る半導体装置の試験方法ついて説明する。第２実施形態の半導体装置の試験方法は、参照信号の倍率αを所定の測定精度となるように予備的な状態密度の測定を行って設定する方法に関するものであり、倍率αの設定方法以外は第１実施形態の半導体装置の試験方法と同様である。尚、以下の説明において、第１実施形態と共通する部分についての説明は省略する。
【００６１】
図１２は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の試験方法において、測定信号の時間軸方向の延伸倍率を決定する方法を示すフロー図である。図１３は、本発明の第２実施形態に基づく基板電流の測定結果を示すグラフである。
【００６２】
第２実施形態の半導体装置の試験方法に使用する試験装置は、第１実施形態で説明した試験装置１０（図７参照）と同様の構成とすることができる。また、測定系も図７に示したものと同様である。
【００６３】
第２実施形態に係る実施形態に係る半導体装置の試験方法は、参照信号の倍率αの決定（ステップＳ３０、図８）以外は第１実施形態と同様の手順（図８参照）で行われる。
【００６４】
以下、図１２を参照しつつ本実施形態の参照信号の倍率αの決定手法について説明する。
【００６５】
図１２に示すように、まず界面状態密度の測定精度ΔＤITを入力する（ステップＳ３１）。試験装置１０において、測定精度ΔＤITは入力部２０の操作により制御装置２１に入力される。
【００６６】
次に、信号発生器１６からの測定信号Ｋ0をゲート５に印加して半導体基板１に流れる基板電流ＩK0を電流測定器１７により測定する（ステップＳ３２）。この測定信号Ｋ0は立ち上がり時間ｔFと立ち下がり時間ｔRが等しい波形とすればよい。
【００６７】
次に、信号発生器１６から測定信号Ｋ0を時間軸方向にＸ倍（但し、Ｘ＞１）に引き伸ばした測定信号Ｋ1をゲート５に印加し、半導体基板１に流れる基板電流ＩK1を電流測定器１７により測定する（ステップＳ３３）。尚、測定信号Ｋ1は測定信号Ｋ0よりも周波数が低い（単位時間に蓄積状態と反転状態との間を横切る回数が少ない）ので、基板電流ＩK1は基板電流ＩK0よりもチャージポンピング電流成分が少なくなる。一方、測定信号Ｋ1は測定信号Ｋ0を時間軸方向に引き伸ばした波形であるため基板電流ＩK0及びＩK1のトンネル電流成分は変わらない。
【００６８】
次に、制御装置２１により、チャージポンピング電流Ｉcp1をＩcp1＝ＩK0−ＩK1より求め、このチャージポンピング電流Ｉcp1から界面準位密度ＤIT1を算出する（ステップＳ３４）。本実施形態で使用する測定波形は立ち上がり時間ｔRと立ち下がり時間ｔFとが等しく、時間軸方向に対称な波形であるため、下記の関係式（３）により界面準位密度の平均値ＤITを求めることができる。
【００６９】
【数３】
2009194218.tif 000005
【００７０】
ここに、ＡGはゲート面積を、ΔΨSは表面ポテンシャルの変化量を、ｆは測定信号Ｋ0の周波数を、ｑは電気素量をそれぞれ示す。尚、表面ポテンシャルの変化量ΔΨSは、近似的に、測定信号の最大電圧ＶGHと最低電圧ＶGLとの差とすればよい。以上の関係式（３）及びＩcp1から、ＤIT1が求まる（ステップＳ３４）。
【００７１】
次に、測定信号の倍率Ｘをｎ（ｎ＞１）倍した値（ｎ・Ｘ）を新たなＸとする（ステップＳ３５）。続いて、信号発生装器１６からの測定信号Ｋ0を時間軸方向に新たなＸ倍だけ引き伸ばした測定信号Ｋxをゲート５に印加して基板電流ＩKxを電流測定装置１７により測定する（ステップＳ３６）。この測定信号Ｋxは測定信号Ｋ1よりも更に周波数が低いためチャージポンピング電流が更に少なくなる。
【００７２】
次に、制御装置２１において基板電流ＩK0から基板電流ＩKxを指しい引いてチャージポンピング電流Ｉcpxを求めこのＩcpxから界面準位密度の平均値ＤITXを関係式（３）を用いて算出する（ステップＳ３７）。
【００７３】
次に、制御装置２１においてステップＳ３７で算出した界面準位密度の平均値ＤITXと一つ前の測定結果から算出した界面準位密度の平均値ＤIT(X-1)との差としてΔＤxを、ΔＤx＝｜ＤITX−ＤIT(X-1)｜から算出する（ステップＳ３８）。
【００７４】
次に、制御装置２１によりΔＤxが測定精度ΔＤITより小さくなったか否か判断する（ステップＳ３９）。今回のチャージポンピング電流Ｉcpxから求めた界面準位密度とその一つ前のチャージポンピング電流Ｉcpx-1から求めた界面準位密度の変化量の差ΔＤxが測定精度ΔＤITよりも大きい場合には（ＮＯ）、今回のチャージポンピング電流Ｉcpxを求めるのに使用したＸが十分大きくないものとしてステップＳ３５に移行して更に大きな倍率Ｘを設定して、基板電流の測定（ステップＳ３６）から界面準位密度の変化量の算出（ステップＳ３８）までの処理を繰り返す。ΔＤxが測定精度ΔＤITよりも小さくなった場合には（ステップＳ３９においてＹＥＳとなった場合）、そのときのＸを参照信号の倍率αに設定して（ステップＳ３０）一連の処理を終了する。
【００７５】
以後、第１実施形態と同様に、ステップＳ３０で設定された倍率αを用いて図８に示す手順により基板電流の測定を行い、界面準位密度及びそのエネルギー分布を求める。
【００７６】
（実験例２）
以下に本発明の第２実施形態の手法に基づいて、参照信号の倍率を決定する実験を行った結果について説明する。ここに、図１３は本発明の第２実施形態に基づく実験結果を示すグラフである。図１３において横軸は最初の波形（１倍）の時間方向の引き伸ばし倍率を示し、縦軸は基板電流値［Ａ］を示す。
【００７７】
実験は、試験装置１０（図７、第１実施形態参照）を使用し、図７と同様に接続して行った。本実験例では界面準位密度の測定精度ΔＤITを１０10[ｃｍ-2ｅＶ-1]とした（ステップＳ３１）。
【００７８】
試料はＭＯＳ型トランジスタを用い、そのゲート５に、初めに倍率Ｘが１倍（時間軸方向の引き伸ばしなし）のときの信号（以下、第１の信号と呼ぶ）として、パルスの最低電圧ＶGLが−１．５Ｖ及び最高電圧ＶGHが＋１．５Ｖであって、立ち上がり時間ｔR及び立ち下がり時間ｔFが１００ｎｓ、周波数５００ｋＨｚの測定信号Ｋ1を印加して基板電流ＩK1の測定を行った（ステップＳ３２）。このときの基板電流ＩK1は図１３において左端の点に対応する。
【００７９】
次に、第１の信号を時間軸方向に１０1、１０2、１０3、１０4、及び１０5倍に引き伸ばした信号を印加しながら、基板電流ＩKx（図１３参照）、基板電流の補正値Ｉcp及び界面準位密度を第２実施形態に示す手法で順次求め、第１の信号を引き伸ばし倍率を増やしたときの界面準位密度変化が予め設定した測定精度１０10[ｃｍ-2ｅＶ-1]以下が得られる倍率として１０4倍（図１３の矢印）を得た。このように、本実験例の試料及び第１の測定信号に対しては１０4倍又はそれ以上の引き伸ばし倍率の参照信号を用いることにより、所望の測定精度（ΔＤIT＝１０10[ｃｍ-2ｅＶ-1]）を確保できる。
【００８０】
以上のように、第２実施形態の方法によれば、第１の信号（測定信号）の時間軸方向の倍率を徐々に増大させながら、界面準位の測定精度の評価を行うため、参照信号の倍率αが過大となりすぎるおそれがない。このため、必要とする界面準位密度の測定精度に基づいて参照信号の倍率αを迅速に決定することができる。
【００８１】
本発明の上記諸形態の手法によれば、様々なゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型トランジスタの評価を行うことができる。さらに、上記諸形態の手法を用いたＭＩＳ型トランジスタの評価は、半導体装置の製造工程にも適用することができる。例えば、半導体製造工程の一環として行われる試験工程で、上記諸形態として記載された試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、チャージポンピング法の一般的な接続を示す図である。
【図２】図２は、チャージポンピング法でゲートに印加する測定信号を示す波形図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、チャージポンピング法の原理を示すバンド図であり、ゲートに印加されるパルスが立ち下るときの界面準位の様子を示す。
【図４】図４は、図３に示す変化の過程で流れる電流の様子を示す模式図である。
【図５】図５は、従来のチャージポンピング法においてＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜が薄くなったときの問題点を説明する模式図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験方法の原理を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験装置を示すブロック図である。
【図８】図８は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験方法を示すフロー図である。
【図９】図９は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験方法における測定データの一例を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の試験方法における処理データの一例を示す模式図である。
【図１１】図１１は、第１実施形態の実施例及び比較例に係る基板電流の測定結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の試験方法において、測定信号の時間軸方向の延伸倍率を決定する方法を示すフロー図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２実施形態に基づく実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８３】
１…半導体基板、２…ソース領域、３…ドレイン領域、４…ゲート絶縁膜、５…ゲート、６…信号源、７…電流測定器、８…電圧発生器、１０…試験装置、１６…信号発生器（信号源）、１７…電流測定器、１８…電圧発生器、１９…測定変数決定部、２０…入力部、２１…制御装置。
【図１】
2009194218.tif 000006
【図２】
2009194218.tif 000007
【図３】
2009194218.tif 000008
【図４】
2009194218.tif 000009
【図５】
2009194218.tif 000010
【図６】
2009194218.tif 000011
【図７】
2009194218.tif 000012
【図８】
2009194218.tif 000013
【図９】
2009194218.tif 000014
【図１０】
2009194218.tif 000015
【図１１】
2009194218.tif 000016
【図１２】
2009194218.tif 000017
【図１３】
2009194218.tif 000018