JPH07201939A

JPH07201939A - 半導体素子の信頼性試験方法

Info

Publication number: JPH07201939A
Application number: JP33616693A
Authority: JP
Inventors: Norio Koike; 典雄小池
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-04

Abstract

(57)【要約】【目的】ＭＯＳトランジスタが使用される製品のホッ
トキャリア効果に対する信頼性を、ＭＯＳトランジスタ
に対する測定により正しく評価する。【構成】ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１５に対し
てドレイン電圧源１７を用いて製品回路中の電源電圧の
半分のドレイン電圧を印加する。この状態でゲート電圧
源１７を用いてＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１５の
ゲートに回路中の電源電圧に等しい電圧を印加してドレ
イン電流１１を測定する。この後ＮチャンネルＭＯＳト
ランジスタ１５にホットキャリアストレスを印加し、そ
の後ホットキャリアストレス印加前と同一の測定条件で
ドレイン電流１２を再度測定する。この後再度ホットキ
ャリアストレス印加、ドレイン電流測定の手順を数回繰
り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子の信頼性試験
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＭＯＳトランジスタの微細化の進行に伴
い、ＭＯＳトランジスタのドレイン端に高電界が発生す
る。これによってホットキャリアと呼ばれる高エネルギ
ーの電子や正孔がゲート酸化膜に注入され、ＭＯＳトラ
ンジスタの特性が劣化するという、いわゆるホットキャ
リア効果が深刻な問題となっている。このホットキャリ
ア効果に対する信頼性を評価するために、次のような方
法で行なわれる。まず、製品の回路中におけるＭＯＳト
ランジスタのチャンネル長の最小値と等しいチャンネル
長を有するＭＯＳトランジスタを製品と同一の製造プロ
セスで形成する。このＭＯＳトランジスタは、製品と同
一のウエハ上に数点設けられている。次にこのＭＯＳト
ランジスタのドレインとゲートに高電圧を印加してホッ
トキャリアを発生させ、意図的にＭＯＳトランジスタを
劣化させる。このように高電圧を印加して電気的ストレ
スを発生させる方法をホットキャリアストレスと呼ぶ。
ＭＯＳトランジスタの電気特性のホットキャリアストレ
スの発生している時間に対する変化を測定し、ホットキ
ャリア寿命を推定する。このホットキャリア寿命が一定
の基準、通常１０年以上となった場合、その製品はホッ
トキャリア効果に対して十分な信頼性を持つと判断す
る。

【０００３】図６は従来のＭＯＳトランジスタの電気特
性のホットキャリアストレスを発生させている時間に対
する変化を測定する方法についての説明図である。図６
において、１はＮチャンネルＭＯＳトランジスタ、２は
ゲート電圧源、３はドレイン電圧源、４はドレイン電圧
Ｖｄ＝０.１のＶのときのＩｄ−Ｖｇ特性を示す初期特
性、３２はドレイン電圧Ｖｄ＝０.１ＶのときのＩｄ−
Ｖｇ特性のホットキャリアストレス印加後の特性、７は
Ｉｄ−Ｖｇ特性の初期特性の傾きの最大値、３４はＩｄ
−Ｖｇ特性のホットキャリアストレス印加後の特性の傾
きの最大値である。

【０００４】ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１は、ホ
ットキャリア効果に対する信頼性を評価しようとする製
品と同一の製造プロセスで作製される。また、電源電圧
Ｖｃｃ＝５.０Ｖの回路中で使用される最小チャンネル
長のＭＯＳトランジスタと同一のチャンネル長を有して
いる。

【０００５】このＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１に
対して、ドレイン電圧源３を用いてドレイン電圧Ｖｄ＝
０.１Ｖを印加する。この状態でゲート電圧源３を用い
てＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１のゲートに０Ｖか
ら５.０Ｖの電圧を印加し、そのときのドレイン電流を
測定する。これによって、ドレイン電圧Ｖｄ＝０.１Ｖ
のときのＩｄ−Ｖｇ特性を示す初期特性４を測定する。
この後、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１にホットキ
ャリアストレスを印加する。

【０００６】ここで、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ
のドレイン端で発生した高エネルギーの正孔の大部分が
基板に流れ、基板電流となる。このため、基板電流が最
大となるゲート電圧を印加した状態で、高エネルギーの
電子・正孔の発生量がもっとも多くなる。このため、ト
ランジスタ特性の劣化が大きい。製品の信頼性を実際の
動作時よりも厳しく評価するため、ホットキャリアスト
レスドレイン電圧Ｖｄ _stressを印加した状態で基板電流
が最大となるゲート電圧を印加する。このとき、実際の
回路中でトランジスタに印加されるホットキャリアスト
レスよりも厳しいホットキャリアストレスが発生する。

【０００７】このホットキャリアストレスを発生させる
とき、ソースおよびドレインの接続は、Ｉｄ−Ｖｇ特性
を測定するときのソースおよびドレインの接続と同一に
してある。その後、ホットキャリアストレスを発生させ
るときと同様に、ソースおよびドレインとを接続した状
態でＩｄ−Ｖｇ特性を再度測定する。ここで,ホットキ
ャリアストレスを発生させるときと,Ｉｄ−Ｖｇ特性を
測定するときのソースおよびドレインの接続が同一の場
合を,順方向と呼ぶ。

【０００８】この測定により,順方向でドレイン電圧Ｖ
ｄ＝０.１Ｖとして、Ｉｄ−Ｖｇ特性のホットキャリア
ストレスを発生させたときの特性１５を得る。この後、
再度ホットキャリアストレスを発生させて、順方向のＩ
ｄ−Ｖｇ特性の測定を数回繰り返す。Ｉｄ−Ｖｇ特性の
傾きの最大値は相互コンダクタンスＧｍと呼ばれる。Ｉ
ｄ−Ｖｇ特性を示す初期特性４の傾きの最大値６は相互
コンダクタンスの初期値Ｇｍｏを与え、Ｉｄ−Ｖｇ特性
のホットキャリアストレスを発生させたときの特性の傾
きの最大値は、ホットキャリアストレを発生させたとき
の相互コンダクタンスＧｍを与える。ＮチャンネルＭＯ
Ｓトランジスタの場合、一般にホットキャリアストレス
を発生させるにより、相互コンダクタンスが減少する。
これらホットキャリアストレスを発生させる前後の相互
コンダクタンスＧｍの値から、相互コンダクタンスＧｍ
の変化ΔＧｍ／Ｇｍｏ＝｜Ｇｍ−Ｇｍｏ｜／Ｇｍｏを求
める。

【０００９】次に、図７を用いて従来の構成によるホッ
トキャリア寿命の定義について説明する。

【００１０】図７は従来のホットキャリア寿命の定義の
説明図である。図７において８はドレイン電圧Ｖｄ＝
０.１Ｖのときの相互コンダクタンスＧｍの各ホットキ
ャリアストレスを発生させた時間に対する変化率、９は
変化率１０％に対応する点、１０はホットキャリア寿命
である。前記の測定手順によりドレイン電圧Ｖｄ＝０.
１Ｖのときの相互コンダクタンスＧｍの各ホットキャリ
アストレスの発生させた時間に対する変化率８を求め
る。

【００１１】この結果を、図７に示すように、横軸にホ
ットキャリアストレスの発生させた時間と、縦軸に相互
コンダクタンスとを両対数グラフ上にプロットする。そ
して通常変化率１０％に対応する点９に相当する時間を
プロットされた点から内挿あるいは外挿し、このとき、
間をホットキャリアストレス電圧Ｖｄ_stressにおけるホ
ットキャリア寿命１０と定義する。

【００１２】続いて図８を用いて従来の構成によるホッ
トキャリア効果に対する信頼性の評価方法について説明
する。

【００１３】図８は従来のホットキャリア効果に対する
信頼性の評価方法の説明図である。図８において、１１
は各ホットキャリアストレスドレイン電圧におけるホッ
トキャリア寿命、１２はホットキャリア寿命１０年に対
応する点、１３はホットキャリア寿命推定電圧となる実
使用時のドレイン電圧である。

【００１４】横軸をホットキャリアストレスドレイン電
圧の逆数１／Ｖｄ_stressとし、また縦軸を相互コンダク
タンス１０％変動時間τとして、上述の方法で求めた各
ホットキャリアストレスドレイン電圧におけるホットキ
ャリア寿命１１を片対数グラフ上にプロットする。そし
て、プロットされた点を用いて、ホットキャリア寿命推
定電圧となる実使用時のドレイン電圧１３の下でのホッ
トキャリア寿命を外挿によって求め、この値を実使用時
のホットキャリア寿命とする。この実使用時のホットキ
ャリア寿命が、ホットキャリア寿命１０年に対応する点
よりも上にある場合、このＭＯＳトランジスタのチャン
ネル長以上のチャンネル長を有するＭＯＳトランジスタ
を回路中で使用し、かつこのＭＯＳトランジスタの製造
プロセスと同一の製造プロセスで製造された製品はホッ
トキャリア効果に対して十分な信頼性を持つと判断す
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の構成
においては次のような問題点があった。ＭＯＳトランジ
スタの相互コンダクタンスＧｍが変動した場合、それに
つれて製品の回路特性がどの程度劣化するか明らかにさ
れていなかった。特にインバータ回路に対しては、後述
するように、相互コンダクタンスＧｍの値が遅延時間の
観点からみた回路特性と相関を持っていない。このた
め、製品はホットキャリア効果に対して実際は十分な信
頼性を持つにもかかわらず、ＭＯＳトランジスタのホッ
トキャリア寿命が１０年以下となって、製品には十分な
信頼性がないと判断してしまったり、あるいは逆に製品
は実際は十分な信頼性を持っていないにもかかわらず、
ＭＯＳトランジスタのホットキャリア寿命が１０年以上
となって、製品が十分な信頼性を持つと判断してしまっ
たりするというような、信頼性評価の誤りを生じる可能
性があった。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の半導体素子の信頼性試験方法は、ＭＯＳトラ
ンジスタと、前記ＭＯＳトランジスタを駆動する電源電
圧の±１０％のゲート電圧と、前記電源電圧の半分の電
圧の±１０％内のドレイン電圧とを印加したときのドレ
イン電流をホットキャリアストレス印加前後に測定し、
前記ドレイン電流のホットキャリアストレス印加前の値
に対するホットキャリアストレス印加後の値の変化ある
いは変化率が一定値に達した時間をホットキャリア寿命
とする。

【００１７】

【作用】この構成によって、ＮチャンネルＭＯＳトラン
ジスタの順方向ドレイン電流Ｉｄ（Ｖｄ＝Ｖｃｃ／２，
Ｖｇ＝Ｖｃｃ）の変化は、ＣＭＯＳインバータの遅延時
間の変化を決定する。ＣＭＯＳインバータの遅延時間の
変化率は順方向ドレイン電流Ｉｄ（Ｖｄ＝Ｖｃｃ／２，
Ｖｇ＝Ｖｃｃ）の変化率の約半分となる。このため、Ｍ
ＯＳトランジスタの順方向ドレイン電流Ｉｄ（Ｖｄ＝Ｖ
ｃｃ／２，Ｖｇ＝Ｖｃｃ）が変動した場合に、インバー
タ回路からなる製品の遅延時間からみた回路特性がどの
程度劣化するか予測することができる。たとえば、順方
向ドレイン電流Ｉｄ（Ｖｄ＝Ｖｃｃ／２，Ｖｇ＝Ｖｃ
ｃ）が１０％劣化した場合、ＣＭＯＳインバータの遅延
時間は約５％劣化する。これにより、製品がホットキャ
リア効果に対して実際には十分な信頼性を持つにもかか
わらず、ＭＯＳトランジスタのホットキャリア寿命が１
０年以下となった場合に、製品には十分な信頼性がない
と判断したり、あるいは逆に製品は実際は十分な信頼性
を持っていないにもかかわらず、ＭＯＳトランジスタの
ホットキャリア寿命が１０年以上となった場合に、製品
には十分な信頼性を持つと判断してしたりするというよ
うな、信頼性評価の誤りを生じる可能性をいちじるしく
軽減することができ、より適切な信頼性評価が実現され
る。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の一実施例によるＭＯＳトラン
ジスタの電気特性のホットキャリアストレス時間に対す
る変化の測定方法の説明図である。図１において、１５
はＮチャンネルＭＯＳトランジスタ、１６はゲート電圧
源、１７はドレイン電圧源、１３はドレイン電圧Ｖｄ＝
２.５ＶのときのＩｄ−Ｖｇ特性を示す初期特性、１４
はドレイン電圧Ｖｄ＝２.５ＶのときのＩｄ−Ｖｇ特性
を示すホットキャリアストレス印加後の特性、１１はド
レイン電圧Ｖｄ＝２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖの
ときのドレイン電流Ｉｄの初期値、１２はドレイン電圧
Ｖｄ＝２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレ
イン電流Ｉｄのホットキャリアストレス印加後の特性で
ある。

【００１９】ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１５は、
ホットキャリア効果に対する信頼性を評価しようとする
製品と同一の製造プロセスで作製され、かつ製品中の実
使用時の電源電圧Ｖｃｃ＝５.０Ｖの回路中で使用され
る最小チャンネル長のＭＯＳトランジスタと同一のチャ
ンネル長を有する。

【００２０】このＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１５
に対して、ドレイン電圧源１７を用いてＶｄ＝２.５Ｖ
のドレイン電圧を印加する。この状態で、ゲート電圧源
１７を用いてＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１５のゲ
ートに０Ｖから５.０Ｖの電圧を印加してドレイン電流
を測定する。これによって、ドレイン電圧Ｖｄ＝２.５
ＶのときのＩｄ−Ｖｇ特性を示す初期特性１３を測定す
る。この後、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ１５にホ
ットキャリアストレスを印加する。具体的には、実使用
時の電源電圧の上限５.５Ｖよりも高い、たとえば８Ｖ
前後のドレイン電圧Ｖｄ_stress、および前記ドレイン電
圧の下で基板電流が最大となるゲート電圧、たとえば
３.２Ｖを印加する。このホットキャリアストレス印加
の時間として、たとえば３０〜３００００秒間のホット
キャリアストレスが印加される。

【００２１】このホットキャリアストレス印加時のソー
スおよびドレイン端子の接続はＩｄ−Ｖｇ特性測定時の
ソースおよびドレインの接続と同一とする。その後、ホ
ットキャリアストレス印加時とソースおよびドレインの
接続を同一として、Ｉｄ−Ｖｇ特性を再度測定する。こ
こで、ホットキャリアストレス印加時と特性測定時のソ
ースおよびドレインの接続が同一の場合を順方向と呼
ぶ。この測定により、順方向ドレイン電圧Ｖｄ＝２.５
ＶのときのＩｄ−Ｖｇ特性のホットキャリアストレス印
加後の特性１４を得る。この後、再度ホットキャリアス
トレスを印加して、順方向Ｉｄ−Ｖｇ特性測定の手順を
数回繰り返す。ドレイン電圧Ｖｄ＝２.５ＶのときのＩ
ｄ−Ｖｇ特性の初期特性１３から、ドレイン電圧Ｖｄ＝
２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレイン電
流Ｉｄの初期値１１が得られる。ドレイン電圧Ｖｄ＝
２.５ＶのときのＩｄ−Ｖｇ特性のホットキャリアスト
レス印加後の特性１４から、ドレイン電圧Ｖｄ＝２.５
Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレイン電流Ｉ
ｄのホットキャリアストレス印加後の値１２が得られ
る。前記ドレイン電流の初期値１１を以後Ｉｄｏと記
す。ドレイン電圧Ｖｄ＝２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.
０Ｖのときのドレイン電流Ｉｄのみを測定する場合に
は、ゲート電圧０から５.０ＶまでのＩｄ−Ｖｇ特性を
測定する必要はない。ＮチャンネルＭＯＳトランジスタ
の場合、一般にホットキャリアストレス印加により前記
ドレイン電流Ｉｄは減少する。これらホットキャリアス
トレス印加前後の前記ドレイン電流Ｉｄの値から、前記
ドレイン電流の変化率ΔＩｄ／Ｉｄｏ＝｜Ｉｄ−Ｉｄｏ
｜／Ｉｄｏを求める。

【００２２】次に、図２を用いて本発明の構成によるホ
ットキャリア寿命の定義について説明する。

【００２３】図２は本発明の一実施例によるホットキャ
リア寿命の定義の説明図である。図２において、１８は
ドレイン電圧Ｖｄ＝２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖ
のときのドレイン電流Ｉｄの各ホットキャリアストレス
時間に対する変化率、１９は変化率１０％に対応する
点、２０はホットキャリア寿命である。

【００２４】前記の測定手順によりドレイン電圧Ｖｄ＝
２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレイン電
流Ｉｄの各ホットキャリアストレス時間に対する変化率
１８を求め、図２に示すように横軸にホットキャリアス
トレス時間、縦軸にドレイン電圧Ｖｄ＝２.５Ｖ、ゲー
ト電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレイン電流Ｉｄの変化
率とを両対数グラフ上にプロットする。そして、変化率
１０％に対応する点１９に相当する時間をプロットされ
た点から内挿あるいは外挿し、このとき、間をホットキ
ャリアストレス電圧Ｖｄ_stressにおけるホットキャリア
寿命２０と定義する。

【００２５】続いて、図３を用いて本発明の構成による
ホットキャリア効果に対する信頼性の評価方法について
説明する。

【００２６】図３は本発明の一実施例によるホットキャ
リア効果に対する信頼性の評価方法の説明図である。図
３において、２１は各ホットキャリアストレスドレイン
電圧におけるホットキャリア寿命、２２はホットキャリ
ア寿命１０年に対応する点、２３はホットキャリア寿命
推定電圧となる実使用時のドレイン電圧である。ホット
キャリアストレスドレイン電圧として今回７.０Ｖ，７.
５Ｖ，８.０Ｖが選択される。また、ホットキャリア寿
命推定電圧となる実使用時のドレイン電圧としては、今
回実使用時の回路中における電源電圧の上限５.５Ｖが
選択されている。

【００２７】横軸にホットキャリアストレス電圧の逆数
１／Ｖｄ_stressをとり、縦軸にＶｄ＝２.５Ｖ，Ｖｇ＝
５.０Ｖのときのドレイン電流の１０％変動時間τをと
って、上述の方法で求めた各ホットキャリアストレスド
レイン電圧におけるホットキャリア寿命２１を片対数グ
ラフ上にプロットする。そして、プロットされた点を用
いてホットキャリア寿命推定電圧となる実使用時のドレ
イン電圧２３の下でのホットキャリア寿命を外挿によっ
て求め、この値を実使用時のホットキャリア寿命とす
る。この実使用時のホットキャリア寿命がホットキャリ
ア寿命１０年に対応する点よりも上にある場合、このＭ
ＯＳトランジスタのチャンネル長以上のチャンネル長を
有するＭＯＳトランジスタを回路中で使用し、かつこの
ＭＯＳトランジスタの製造プロセスと同一の製造プロセ
スで製造された製品はホットキャリア効果に対し十分な
信頼性を持つと判断する。この方法による評価が適切で
ある理由を図４，５，６を用いて説明する。

【００２８】図４は本発明のホットキャリア効果に対す
る信頼性の評価方法が適切であることを示す実験に用い
た回路の説明図である。図４において、２４は２０段Ｃ
ＭＯＳインバータチェーン、２５はＮチャンネルＭＯＳ
トランジスタ、２６はＰチャンネルＭＯＳトランジス
タ、２７は入力信号源、２８は出力信号波形測定器であ
る。電源電圧Ｖｃｃは今回５.０Ｖを用いている。この
回路中のＮチャンネルＭＯＳトランジスタ２５にホット
キャリアストレス印加前後のＮチャンネルＭＯＳトラン
ジスタを用いた。そして入力信号源２７からパルス波形
を２０段ＣＭＯＳインバータチェーン２４に入力し、そ
の際の出力パルス波形を出力波形測定器２８により測定
し、信号の遅延時間を求めた。この方法によりホットキ
ャリアストレス印加前後のＮチャンネルＭＯＳトランジ
スタの各評価項目の変化と遅延時間の相関が検討でき
る。

【００２９】図５は本発明のホットキャリア効果に対す
る信頼性の評価方法が適切であることを示す実験での入
力パルス波形と出力パルス波形から遅延時間を求める方
法の説明図である。図５において、２９は入力パルス波
形、３０は出力パルス波形、３１はパルス立ち上がりの
遅延時間、３２はパルス立ち下がりの遅延時間である。

【００３０】２０段インバータチェーンに入力パルス波
形２９を入力すると、ある時間が経過した後に出力パル
ス波形３０が出力されてくる。ここで入力パルス波形２
９の立ち上がりにおいて電圧が電源電圧Ｖｃｃ＝５.０
Ｖの半分２.５Ｖとなった時点から、出力パルス波形３
０の立ち上がりにおいて、電圧が電源電圧Ｖｃｃ＝５.
０Ｖの半分２.５Ｖとなった時点までをパルス立ち上が
りの遅延時間３１とし、その値をｔ_delay１とする。ま
た、入力パルス波形２９の立ち下がりにおいて電圧が電
源電圧Ｖｃｃ＝５.０Ｖの半分２.５Ｖとなった時点か
ら、出力パルス波形３０の立ち下がりにおいて電圧が電
源電圧Ｖｃｃ＝５.０Ｖの半分２.５Ｖとなった時点まで
をパルス立ち下がりの遅延時間３２とし、その値をｔ
_delay２とする。遅延時間ｔ_delayは、パルス立ち上がり
の遅延時間ｔ_delay１とパルス立ち下がりの遅延時間ｔ
_delay２の平均値ｔ_delay＝（ｔ_delay１＋ｔ_delay２）／
２として求めた。

【００３１】表１は、本発明のホットキャリア効果に対
する信頼性の評価方法が適切であることを示す実験の結
果である、劣化したＮチャンネルＭＯＳトランジスタの
特性を表す各評価項目の変化率と、２０段インバータチ
ェーンの遅延時間の変化率のと関係を示す表である。表
１中、（ｇｍ）はドレイン電圧Ｖｄ＝０.１Ｖのときの
相互コンダクタンスＩ_d1はドレイン電圧Ｖｄ＝０.１
Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレイン電流、
Ｉ_d2はドレイン電圧Ｖｄ＝１.０Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝
５.０Ｖのときのドレイン電流Ｉｄ、Ｉ_d3はドレイン電
圧Ｖｄ＝２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのド
レイン電流、Ｉ_d4はドレイン電圧Ｖｄ＝５.０Ｖ、ゲー
ト電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレイン電圧、βはドレ
イン電圧Ｖｄ＝５.０Ｖのときのトランジスタ利得係
数、ｔ_delayは２０段インバータチェーンの遅延時間、
表１中の数値は劣化したＮチャンネルＭＯＳトランジス
タの特性を表す各評価項目の変化率である。

【００３２】

【表１】

【００３３】ここでは８０個のＮチャンネルＭＯＳトラ
ンジスタをそれぞれ２０個の４グループに分け、これら
４グループについてそれぞれ異なるホットキャリアスト
レスを印加し、ホットキャリアストレス印加前後の各評
価項目の変化率を測定した結果を記してある。それとと
もに、前記各グループのＮチャンネルＭＯＳトランジス
タを用いて、図４に示した２０段インバータチェーンを
構成し、図５で説明した方法によりホットキャリアスト
レス印加前後の２０段インバータチェーンの遅延時間ｔ
_delayの変化率を測定した結果を記してある。表１の１
列目は前記各グループのトランジスタを表している。ト
ランジスタＡ，Ｂ，Ｃはホットキャリアストレス印加後
順方向特性を測定し、２０段インバータチェーン中でも
順方向で使用したものである。そしてトランジスタＡ，
Ｂ，Ｃの順で劣化が大きくなっている。トランジスタＤ
はホットキャリアストレス印加後逆方向特性を測定し、
２０段インバータチェーン中でも逆方向で使用したもの
である。トランジスタＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの特性を表す各評
価項目の変化率を２列目から７列目に示してあり、２０
段インバータチェーンの遅延時間ｔ_delayの変化率を８
列目に示してある。各トランジスタに対して各評価項目
の変化率と遅延時間の変化率を比較すると、ドレイン電
圧Ｖｄ＝０.１Ｖのときの相互コンダクタンスｇｍは遅
延時間の変化率と相関を持たないこと、その一方でドレ
イン電圧Ｖｄ＝２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのと
きのドレイン電流Ｉｄの変化率と遅延時間の変化率がほ
ぼ１対１に対応し、遅延時間の変化率はドレイン電圧Ｖ
ｄ＝２.５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝５.０Ｖのときのドレイ
ン電流の変化率の約半分であることが判明した。

【００３４】本実施例により、一般的にＭＯＳトランジ
スタに対して電源電圧に等しいゲート電圧、電源電圧の
半分のドレイン電圧の下でのドレイン電流を測定するこ
とにより回路の遅延時間をモニタすることが可能であ
る。これから本発明の構成によるホットキャリア効果に
対する評価方法により、ＣＭＯＳインバータ回路を用い
た製品に対し、ＣＭＯＳインバータの遅延時間を正しく
反映した姿で製品の信頼性評価が実現できる。なお電源
電圧は標準値に対し通常上下１０％の許容範囲を設ける
ため、本発明における評価項目であるドレイン電流の測
定ゲート電圧、ドレイン電圧も標準値に対し、それぞれ
上下１０％の許容範囲を設けることが妥当である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、遅延時間の点から見た
製品の回路特性が、ＭＯＳトランジスタの電源電圧に等
しいゲート電圧、電源電圧の半分のドレイン電圧の下で
のドレイン電流によりモニタできる。このため製品のホ
ットキャリア効果に対する信頼性をＭＯＳトランジスタ
に対する測定により正しく評価することが可能となる。
このため、製品を用いた信頼性評価を軽減することがで
き、その結果として開発コストの削減、開発期間の短縮
が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるＭＯＳトランジスタの
電気特性のホットキャリアストレス時間に対する変化の
測定方法の説明図

【図２】本発明の一実施例によるホットキャリア寿命の
定義の説明図

【図３】本発明の一実施例によるホットキャリア効果に
対する信頼性の評価方法の説明図

【図４】本発明のホットキャリア効果に対する信頼性の
評価方法が適切であることを示す実験に用いた回路の説
明図

【図５】本発明のホットキャリア効果に対する信頼性の
評価方法が適切であることを示す実験での入力パルス波
形と出力パルス波形から遅延時間を求める方法の説明図

【図６】従来のＭＯＳトランジスタの電気特性のホット
キャリアストレス時間に対する変化の測定方法の説明図

【図７】従来のホットキャリア寿命の定義の説明図

【図８】従来のホットキャリア効果に対する信頼性の評
価方法の説明図

【符号の説明】

１ドレイン電流Ｉｄの初期値２ドレイン電流Ｉｄのホットキャリアストレス印加後
の値３初期特性４ホットキャリアストレス印加後の特性５，１５，１６ＭＯＳトランジスタ６ゲート電圧源７ドレイン電圧源８，１２変化率９点１０，１１ホットキャリア寿命１３ドレイン電圧１４ＣＭＯＳインバータチェーン１７入力信号源１８出力信号波形測定器１９入力パルス波形２０出力パルス波形２１遅延時間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＭＯＳトランジスタと、前記ＭＯＳトラ
ンジスタを駆動する電源電圧の±１０％のゲート電圧
と、前記電源電圧の半分の電圧の±１０％内のドレイン
電圧とを印加したときのドレイン電流をホットキャリア
ストレス印加前後に測定し、前記ドレイン電流のホット
キャリアストレス印加前の値に対するホットキャリアス
トレス印加後の値の変化あるいは変化率が一定値に達し
た時間をホットキャリア寿命とすることを特徴とする半
導体素子の信頼性試験方法。