特許 7602050 半導体素子監視装置および半導体素子監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】半導体素子監視装置および半導体素子監視方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/26 20200101AFI20241210BHJP

   G01R 31/00 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

G01R31/26 Z

G01R31/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023540718

(86)(22)【出願日】2021-12-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-17

(86)【国際出願番号】 EP2021085451

(87)【国際公開番号】W WO2022144166

(87)【国際公開日】2022-07-07

【審査請求日】2023-07-03

(31)【優先権主張番号】102021200002.9

(32)【優先日】2021-01-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(72)【発明者】

【氏名】モンテイロ・ディニツ・ライス，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】シャッツ，フランク

(72)【発明者】

【氏名】ミューズ，マティアス

(72)【発明者】

【氏名】シャリー，ティモ

【審査官】小川 浩史

(56)【参考文献】

【文献】特開平２－１７４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－６０３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－９８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１９０１１０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第７３８３１０９（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特許第７３８３１１０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特許第７５７９４５４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】MONTEIRO DINIZ REIS, Daniel; RZEPKA, Sven; HILLER, Karla，“Leakage Current in Low-Temperature PVD PZT Films”，2019 IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF)，2019年07月14日，DOI: 10.1109/ISAF43169.2019.9034930

【文献】MONTEIRO DINIZ REIS, Daniel; RZEPKA, Sven; HILLER, Karla，“New Insight Into Defects and Degradation Kinetics in Lead Zirconate Titanate”，2020 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium and International Symposium on Applications of Ferroelectrics (IFCS-ISAF)，2020年07月19日，DOI:10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234941

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／２６

Ｇ０１Ｒ ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子（１００）監視方法であって、前記半導体素子（１００）の動作において、前記半導体素子（１００）の誘電体層（１０６）のそれぞれ反対側に配置されている第１の電極（１０２）および第２の電極（１０４）を流れるリーク電流（Ｉ）が検出され（１６０２）、前記リーク電流（Ｉ）は前記リーク電流（Ｉ）の第１の限界値（７００、８００、１４００）と比較され、前記比較の結果に応じて出力（２２０）が決定され（１６０４）、前記出力は前記半導体素子（１００）の状態を含み、前記出力（２２０）が出力される（１６０６）ことを特徴とする、方法において、
前記第１の限界値（７００、８００、１４００）に応じて、前記半導体素子（１００）の使用寿命の残存値が決定され（１６０４）、前記出力（２２０）は前記残存値を含むことを特徴とする、
方法。

【請求項2】

前記半導体素子（１００）の状態および前記残存値に関する表示を含むテキストが決定され、前記テキストはメッセージで送信されるか、またはマンマシンインターフェースで出力される（１６０６）ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記半導体素子（１００）の動作モードを設定する制御信号が決定され（１６０４）、前記制御信号を出力して（１６０６）、前記半導体素子（１００）を、前記動作モードで動作するように駆動制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

半導体素子（１００）監視装置（２００）であって、前記装置（２００）は、測定装置（２０８）と、演算装置（２１４）と、出力装置（２１８）と、を含み、前記測定装置（２０８）は、前記半導体素子（１００）の動作において、前記半導体素子（１００）の誘電体層（１０６）のそれぞれ反対側に配置されている第１の電極（１０２）および第２の電極（１０４）を流れるリーク電流（Ｉ）を検出するように構成され、前記演算装置（２１４）は、前記リーク電流（Ｉ）を前記リーク電流（Ｉ）の第１の限界値（７００、８００、１４００）と比較し、前記比較の結果に応じて出力（２２０）を決定するように構成され、前記出力は前記半導体素子（１００）の状態を含み、前記出力装置（２１８）は、前記出力（２２０）を出力するように構成されている、装置において、
前記第１の限界値（７００、８００、１４００）に応じて、前記半導体素子（１００）の使用寿命の残存値が決定され（１６０４）、前記出力（２２０）は前記残存値を含むことを特徴とする、
装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体素子監視装置および半導体素子監視方法に基づく。

【背景技術】

【0002】

少なくとも２つの電極と、少なくとも１つの中間誘電体層とで構成され、電圧が印加されると動作する半導体素子において、絶縁破壊は、使用寿命に常に関連する要素である。また、半導体素子の使用寿命を制限する他の要素には、高いリーク電流の発生や、素子の活性領域の破壊による性能の低下がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

独立形式請求項に記載の装置および方法によって、誘電体層を有する半導体素子を動作中に監視することができ、その欠陥を検出できるだけでなく、さらに、残りの使用寿命である「残存使用寿命」の予測を行うこともできる。絶縁破壊までの動特性に加え、絶縁破壊に続く劣化過程についても推論することができる。このようにして、リーク電流レベルおよび／または第１の破壊である「第１のピーク」および／または半導体素子、ここでは分極、の性能に基づく、リーク電流の経過、および性能の経過を含む使用寿命の監視が実現される。

【0004】

半導体素子監視方法は、半導体素子の動作において、半導体素子の第１の電極および第２の電極を流れるリーク電流が検出され、リーク電流はリーク電流の第１の限界値と比較され、比較の結果に応じて出力が決定され、および／または、リーク電流の極点、特に最大値が発生する時点が決定され、その時点に応じて出力が決定され、出力は半導体素子の状態を含み、出力が出力されること、が企図される。これにより、半導体素子の内部状態にアクセスし、使用寿命の監視を行うことが可能となる。

【0005】

複数の限界値から、リーク電流が上回る、または下回る第１の限界値が決定され、第１の限界値に応じて、半導体素子の使用寿命の残存値が決定され、出力は残存値を含むことが企図されてもよい。

【0006】

半導体素子の使用寿命の残存値が、リーク電流の極点、特に最大値が発生する時点に応じて決定され、出力は残存値を含むことが企図されてもよい。
第１の動作モードにおける半導体素子の動作においてリーク電流が検出され、リーク電流が第１の限界値を上回る場合、または使用寿命の残存値が第１の閾値より大きい場合、第１の動作モードにおける半導体素子の動作が継続されることが企図されてもよい。

【0007】

複数の限界値から第２の限界値が決定され、リーク電流が第２の限界値を上回る場合、第２の動作モードにおける半導体素子の動作が継続されるか、動作が終了され、または、使用寿命の残存値が第２の閾値より大きい場合、第２の動作モードにおける半導体素子の動作が継続されるか、動作が終了されることが企図されてもよい。

【0008】

基準限界値および基準温度が設定されており、半導体素子または半導体素子周辺の現在の温度が決定され、現在の温度および基準温度に応じて係数が決定され、基準限界値は係数でスケーリングされ、係数でスケーリングされた基準限界値に応じて第１の限界値および／または第２の限界値が決定されることが企図されてもよい。

【0009】

半導体素子の状態および残りの使用寿命に関する表示を含むテキストが決定され、そのテキストはメッセージで送信されるか、またはマンマシンインターフェースで出力されることが企図されてもよい。

【0010】

半導体素子の動作モードを設定する制御信号が決定され、制御信号を出力して、半導体素子または半導体素子を含む装置を動作モードで動作するように駆動制御することが企図されてもよい。

【0011】

半導体素子監視装置は、測定装置と、演算装置と、出力装置と、を含み、測定装置は、半導体素子の動作において、半導体素子の第１の電極および第２の電極を流れるリーク電流を検出するように構成され、演算装置は、リーク電流をリーク電流の第１の限界値と比較し、比較の結果に応じて出力を決定するように構成され、および／または、演算装置は、リーク電流の極点、特に最大値が発生する時点を決定し、時点に応じて出力を決定するように構成され、出力は半導体素子の状態を含み、出力装置は、出力を出力するように構成されている。

【0012】

また、本発明は、半導体素子監視装置と、半導体素子とを含む、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、メモリ、アクチュエータ、マイクロミラー、プリントヘッドまたはスピーカに関する。

【0013】

さらなる有利な実施形態は、以下の説明および図面からわかる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】半導体素子の模式図である。

【図2】欠陥分布に対する第１の状態である。

【図3】第１の欠陥分布に対する第２の状態である。

【図4】第１の欠陥分布に対する第３の状態である。

【図5】第１の欠陥分布に対する第４の状態である。

【図6】第１の欠陥分布に対する第５の状態である。

【図7】第１の分布によるリーク電流レベルの第１の推移である。

【図8】第１の分布によるリーク電流レベルの第２の推移である。

【図9】第２の欠陥分布に対する第１の状態である。

【図10】第２の欠陥分布に対する第２の状態である。

【図11】第２の欠陥分布に対する第３の状態である。

【図12】第２の欠陥分布に対する第４の状態である。

【図13】第２の欠陥分布に対する第５の状態である。

【図14】第２の分布によるリーク電流レベルの推移である。

【図15】半導体素子を監視するための装置である。

【図16】半導体素子を監視するための方法である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下の説明では、誘電体層の故障メカニズムの知識を利用して、１つまたは複数の誘電体層を含む半導体素子の動作中の測定可能な変化から、残存使用寿命の予測を導き出す。これは、安全に関連する用途で、個別の、使用目的ごとのメンテナンス指示や警告を発するために使用することができる。

【0016】

従来の使用寿命表示、メンテナンス間隔、部品のアクティブ監視は、早期交換により重大なエラーを防ぐため、または、既に手遅れであり、部品が故障している場合にエラーを表示するために設計されている。規定されたメンテナンス／交換間隔は統計的に算出され、多くの場合、想定される平均的な負荷プロファイルのもとで、全部品の全体について非常に保守的な限度を反映している。ここで、負荷プロファイルは決定的な意味を持つが、推定することしかできない。

【0017】

一方で、本発明によれば、このような半導体素子においては、連続的な故障または段階的な挙動が観察される、決定的または予測可能な劣化経過が存在することが確認された。この挙動について知ることで、部品を個別に監視することができる。規定された限界値では、警告または管理された交換を計画することができる。これによって、メンテナンスと交換は、実際の負荷プロファイルに応じて、部品ごとに決定することができる。これは、実際に部品交換が必要となった場合に交換する顧客にとってはメリットとなる。

【0018】

段階的な挙動とは、例えば、リーク電流の段階的な増加や、電力／性能の段階的な減少が考えられる。
２つの電極間に誘電体層が配置された半導体素子では、リーク電流が発生することがある。リーク電流は、例えば、誘電体層の誘電体と、一方の電極との境界層に欠陥が蓄積されることによって変化する。境界層に蓄積された欠陥は、障壁高さに影響を与える。初期障壁高さと、空間電荷制限電流成分を表すパラメータとがわかれば、リーク電流の時間経過をマッピングすることができる。さらに、第１の絶縁破壊の前後でのリーク電流の経過を表すことも可能である。さらに、リーク電流の劣化と性能劣化の相関関係に基づいて、性能低下を表すことも可能である。

【0019】

一態様では、リーク電流が監視される。一態様では、半導体素子の性能が監視される。
監視においてリーク電流レベルを評価し、警告が発生され、かつ使用寿命がまだ所望の残存値を有する第１の限界値を定義することが企図されてもよい。

【0020】

監視において、第１の破壊である第１のピークが発生した時点を決定し、特に定義された製品固有の限界値に応じて、リーク電流レベルまたは性能低下の発生に起因する残存使用寿命の推定値を含む警告を発することが企図されてもよい。

【0021】

第１の限界値に到達した後にも負荷プロファイルが大きな役割を果たすため、複数の限界値を定義し、アクティブ監視を継続することができる。
図１は、半導体素子１００の模式図である。半導体素子１００は、第１の電極１０２と、第２の電極１０４と、誘電体層１０６とを含む。

【0022】

誘電体層１０６は、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間に配置されている。本実施例では、第１の電極１０２と第２の電極１０４は、誘電体層１０６のそれぞれ反対側に配置されている。

【0023】

本実施例では、誘電体層１０６に、第１の欠陥型の欠陥Ｄ１、第２の欠陥型の欠陥Ｄ２、および第３の欠陥型の欠陥Ｄ３が存在する。また、第１の欠陥型の欠陥Ｄ１のみ、または異なる２つの欠陥型の欠陥のみが存在する場合もある。また、３つ以上の欠陥型の欠陥が存在してもよい。本実施例では、これらの欠陥は初期位置に配置されている。初期位置は、本例では誘電体層の製造工程で規定される。本実施例では、欠陥は、第１の電極１０２または第２の電極１０４から異なる距離に配置されている。

【0024】

この欠陥は、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間に電位が印加されると、その電荷に応じて誘電体層１０６と第１の電極１０２または第２の電極１０４のいずれかとの間のそれぞれの境界層へ移動する帯電した欠陥である。以下、境界層を「界面」と呼ぶ。ここで、帯電した欠陥の輸送は、欠陥の性質および「ホッピング機構」によって決定される。

【0025】

この関連でのホッピング機構とは、厚さｄの誘電体層１０６において、それぞれの印加電圧Ｕによって作用する電界Ｅにおいて、欠陥の変位、すなわちホッピングが起こることを意味する。ある欠陥型ｉの欠陥は、局所的な欠陥状態に沿って、平均有効距離

【0026】

【数1】

【0027】

で移動する。これは、欠陥型ｉの欠陥の移動速度

【0028】

【数2】

【0029】

をもたらす。速度

【0030】

【数3】

【0031】

は、可変範囲ホッピングの公知な数式で表される。

【0032】

【数4】

【0033】

ここで、

【0034】

【数5】

【0035】

は、誘電体層１０６における欠陥ｉの特性速度

【0036】

【数6】

【0037】

に局所的な欠陥分布が与える影響を表す関数を表す。この欠陥分布は、誘電体層１０６の特性を表す。この特性は、誘電体層１０６における欠陥型ｉの欠陥の動きを共に決定するものである。減衰長α、平均有効距離

【0038】

【数7】

【0039】

、活性化エネルギー

【0040】

【数8】

【0041】

、欠陥型ｉの電荷

【0042】

【数9】

【0043】

のパラメータが物理特性である。

【0044】

【数10】

【0045】

は、ボルツマン定数を表す。Ｔは、観察された欠陥周辺の温度、特に誘電体層１０６の温度を表す。
誘電体故障までのリーク電流密度

【0046】

【数11】

【0047】

の時間経過は、ＣｒｏｗｅｌｌとＳｚｅによる熱電子放出拡散理論の式によって決定すること

【0048】

【数12】

【0049】

ここで、ｑは単位電荷、

【0050】

【数13】

【0051】

は伝導帯における有効状態密度、

【0052】

【数14】

【0053】

は有効再結合速度、

【0054】

【数15】

【0055】

は有効拡散速度、

【0056】

【数16】

【0057】

は有効ショットキー障壁、

【0058】

【数17】

【0059】

はボルツマン定数、Ｔは周辺温度、Ｕは誘電体層１０６にかかる電圧を表す。
正の電荷を持つ欠陥ｉは、負の電位を持つ電極に移動し、界面に蓄積される。負の電荷を持つ欠陥ｉは、正の電位を持つ電極に移動し、界面に蓄積される。これにより、有効ショットキー障壁

【0060】

【数18】

【0061】

が変化する。
欠陥ｉによって発生する障壁高さ変化

【0062】

【数19】

【0063】

は、その最大高さ

【0064】

【数20】

【0065】

と、特性時定数

【0066】

【数21】

【0067】

とによって特徴付けられている。特性時定数

【0068】

【数22】

【0069】

は、障壁高さ変化

【0070】

【数23】

【0071】

が時間ｔにわたって最も変化する期間を定義する。

【0072】

【数24】

【0073】

最大高さ

【0074】

【数25】

【0075】

は欠陥ｉの数

【0076】

【数26】

【0077】

の関数であり、界面の種類に依存する。

【0078】

【数27】

【0079】

は、材料中の欠陥ｉの統計的分布の時間による蓄積、特にそれぞれの初期位置の蓄積時点を表す項である。本実施例では、初期位置は分布の重心を表す。欠陥型ｉの欠陥について複数の蓄積がある場合、重心の代わりに初期位置を定義する蓄積の１つを選択してもよい。好ましくは、使用寿命の増加に最も大きな影響を与える蓄積が選択される。

【0080】

誘電体層１０６には、様々な欠陥型の欠陥が存在し得る。電荷により有効ショットキー障壁

【0081】

【数28】

【0082】

を増加させる障壁高さ変化

【0083】

【数29】

【0084】

を引き起こす欠陥が存在し得る。これにより、リーク電流レベルは減少する。ここでは、これらを一例示的に「修復性」欠陥と呼ぶ。電荷により有効ショットキー障壁

【0085】

【数30】

【0086】

を減少させる障壁高さ変化

【0087】

【数31】

【0088】

を引き起こす欠陥が存在し得る。これにより、リーク電流レベルは増加する。ここでは、これらを一例示的に「劣化性」欠陥と呼ぶ。
電圧を印加すると、欠陥が移動する。活性化エネルギーと電荷によって、特定の欠陥はさらに速くなる。

【0089】

欠陥ｉの初期位置は、本実施例では、欠陥ｉが半導体素子１００の意図された動作において進行する、界面までのその分布の重心の距離

【0090】

【数32】

【0091】

によって定義される。
時定数

【0092】

【数33】

【0093】

は、第１の電圧Ｕ１の影響下での移動と、第２の電圧Ｕ２の影響下での移動とで異なっていてもよい。時定数

【0094】

【数34】

【0095】

は、誘電体層１０６における電界Ｅの影響下での欠陥ｉの移動度と、それぞれの界面に到達するまでに誘電体層１０６において進行するべき距離とによって定義され得る。誘電体層１０６の内部で変位する際に、欠陥型ｉは、その分布の重心の距離

【0096】

【数35】

【0097】

を界面まで進行させる必要がある。速度

【0098】

【数36】

【0099】

と合わせて、欠陥ｉの蓄積過程の特性時定数

【0100】

【数37】

【0101】

は、以下のようになる。

【0102】

【数38】

【0103】

リーク電流を経時的に測定し、ＣｒｏｗｅｌｌとＳｚｅによる熱電子放出拡散理論の式と、障壁高さ変化の経時挙動を用いて経時経過を評価すると、時定数

【0104】

【数39】

【0105】

を決定することができる。異なる温度Ｔと電圧Ｕで、

【0106】

【数40】

【0107】

を複数回測定することにより、欠陥型ｉの欠陥の活性化エネルギー

【0108】

【数41】

【0109】

と電荷

【0110】

【数42】

【0111】

を決定することができる。
第１の極性の第１の電圧Ｕ１が印加されると、帯電した欠陥は第１の電極１０２に向かって第１の方向に移動する。第１の電圧Ｕ１と逆の極性の第２の電圧Ｕ２が印加されると、これらの帯電した欠陥は第２の電極１０２に向かって第２の方向に移動する。

【0112】

第１の電極１０２または第２の電極１０４において界面に到達した帯電した欠陥は、界面に蓄積される。
半導体素子１００は、２つ以上の電極を有していてもよい。半導体素子１００は、それぞれ２つの電極の間に位置する１つ以上の誘電体層を有していてもよい。

【0113】

このような半導体素子は、電圧を印加して動作させると絶縁破壊を起こす可能性がある。絶縁破壊が発生すると、界面の一部または全部が破壊される。絶縁破壊が発生すると、半導体素子１００の使用寿命が短くなる。絶縁破壊は、例えば、界面に蓄積された帯電した欠陥の数が、電圧に応じた閾値を上回る場合に発生する。

【0114】

誘電体層１０６の製造時のプロセス条件および／またはプロセス管理を最適化することにより、物理的特性およびこれらの物理的特性に対する製造固有の影響を左右することができる。これにより、使用寿命を延長することができる。

【0115】

プロセス条件および／またはプロセス管理は、例えば、成長、成長条件、材料組成に影響を与える。プロセス条件および／またはプロセス管理により、例えば、成長プロセスやその後続プロセスにおいて、意図的または非意図的に、ドーピングおよび／または不純物が発生する。

【0116】

図２には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第１の分布ρについての第１の状態が示されている。本実施例では、第１の状態が初期状態である。図２以下の図では、第１の欠陥型の欠陥Ｄ１の分布が、三角形の記号で示されている。図２以下の図では、第２の欠陥型の欠陥Ｄ２の分布が、星形の記号で示されている。図２以下の図では、第３の欠陥型の欠陥Ｄ３の分布が、菱形の記号で示されている。

【0117】

図３には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第１の分布ρについての第２の状態が示されている。本実施例では、第２の状態は、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の初期状態に続く、第１の破壊前の動作状態であり、第１の電極１０２の界面に第２の欠陥型の欠陥Ｄ２が既に蓄積している状態である。

【0118】

図４には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第１の分布ρについての第３の状態が示されている。本実施例では、第３の状態は、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の第２の状態に続く、第１の破壊前の動作状態であり、第１の電極１０２の界面に第２の欠陥型の欠陥Ｄ２および第３の欠陥型の欠陥Ｄ３が既に蓄積している状態である。このような状況でも、欠陥を界面から遠ざける対応によって、半導体素子の使用寿命を延長させることが可能である。

【0119】

図５には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第１の分布ρについての第４の状態が示されている。本実施例では、第４の状態は、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の第３の状態に続く、第１の破壊前の動作状態であり、第１の電極１０２の界面に第２の欠陥型の欠陥Ｄ２および第３の欠陥型の欠陥Ｄ３が既に蓄積され、かつ第１の欠陥型の欠陥Ｄ１が界面に到達している状態である。このような状況でも、本実施例では,
性能低下前に警告を発することが可能である。

【0120】

図６には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第１の分布ρについての第５の状態が示されている。本実施例では、第５の状態は、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の第４の状態に続く動作状態であり、第１の欠陥型の欠陥Ｄ１、第２の欠陥型の欠陥Ｄ２および第３の欠陥型の欠陥Ｄ３が、第１の電極１０２の界面に蓄積して性能低下が発生した状態である。

【0121】

図７は、残存使用寿命を早期検知するための、リーク電流レベルＩの時間ｔにわたった経過である。図７に示された例では、初期状態を起点とした性能の低下が、第１の電圧Ｕ１での約１０^６秒間動作させた後に生じている。

【0122】

図７では、図２～図６で説明した状態のリーク電流レベルＩを例示的に表記している。第１の状態は０、第２の状態は１、第３の状態は２、第４の状態は３、第５の状態は４と表示されている。

【0123】

残存使用寿命を早期検知するために、例示的なリーク電流レベル７００が設けられており、このレベルに達すると、例えば警告が発せられる。
図８には、第２の電圧Ｕ２による電気負荷の開始時間ｔにわたる、欠陥蓄積を反転させるためのリーク電流レベルＩの経過が示されている。図８に示す例では、初期状態を起点とした性能の低下が、第１の電圧Ｕ１で約１０^６秒間動作させた後に生じている。

【0124】

図８では、図２～図６で説明した状態のリーク電流レベルＩを例示的に表記している。第１の状態は０、第２の状態は１、第３の状態は２、第４の状態は３、第５の状態は４と表示されている。

【0125】

第２の電圧Ｕ２による電気負荷に対して、欠陥蓄積を反転させるための例示的なリーク電流レベル８００が設けられており、このレベルに達すると欠陥蓄積の反転が開始される。

【0126】

図９には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第２の分布ρについての第１の状態が示されている。本実施例では、第１の状態が初期状態である。図９以下の図では、第１の欠陥型の欠陥Ｄ１の分布が、三角形の記号で示されている。図９以下の図では、第２の欠陥型の欠陥Ｄ２の分布が、星形の記号で示されている。図９以下の図では、第３の欠陥型の欠陥Ｄ３の分布が、菱形の記号で示されている。

【0127】

図１０には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第２の分布ρについての第２の状態が示されている。本実施例では、第２の状態は、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の初期状態に続く、第１の破壊前の動作状態であり、第１の電極１０２の界面に第２の欠陥型の欠陥Ｄ２が既に蓄積している状態である。

【0128】

図１１には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第２の分布ρについての第３の状態が示されている。本実施例では、第３の状態は、性能低下の早い時点で、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の第２の状態に続く動作状態であり、第１の電極１０２の界面に第２の欠陥型の欠陥Ｄ２および第３の欠陥型の欠陥Ｄ３が既に蓄積している状態である。このような状況において、本実施例では、早期警告を発し、それに基づいて半導体素子１００のメンテナンスを行うことが可能である。例えば、初期状態を起点として、半導体素子１００の使用寿命の約１０％が経過したときに警告が発せられるように、早期警告の限界値が選択される。本実施例では、通常、個々の破壊は非常に小さな領域しか破壊しないため、この時点ではまだ性能の低下は顕著ではない。これは、電流では検出可能であるが、半導体素子１００を含む製品、例えばアクチュエータ製品の機能に関しては顕著ではない。

【0129】

図１２には、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第２の分布ρについての第４の状態が示されている。本実施例では、第４の状態は、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の第３の状態に続く、第１の破壊前の動作状態であり、第１の電極１０２の界面に第２の欠陥型の欠陥Ｄ２および第３の欠陥型の欠陥Ｄ３が既に蓄積され、第１の欠陥型の欠陥Ｄ１が界面に到達している状態である。このような状況において、本実施例では、重大警告を発し、それに基づいて半導体素子１００のメンテナンスを行うことが可能である。例えば、初期状態を起点として、半導体素子１００の使用寿命の約５０％が経過したときに警告が発せられるように、早期警告の限界値が選択される。本実施例では、この状態で既に複数の局所的な破壊が起こっている。すると、リーク電流レベルが著しく高くなり、検出が可能になる。多くの局所的な破壊によって破壊された総面積は、今や製品の機能の％範囲において顕著である。したがって、例えば警告が発せられる。半導体素子１００または製品は、故障前の実施例ではまだ明確にこの状態である。

【0130】

図１３では、第２の電極１０４からの距離ｘにわたる、欠陥の第２の分布ρについての第５の状態が示されている。本実施例では、第５の状態は、第１の電圧Ｕ１で半導体素子１００が動作した際の第４の状態に続く動作状態であり、第１の電極１０２の界面に第１の欠陥型の欠陥Ｄ１、第２の欠陥型の欠陥Ｄ２および第３の欠陥型の欠陥Ｄ３が蓄積され、性能が大きく低下している状態である。これは、本実施例では、半導体素子１００の使用寿命が終了する時点である。

【0131】

ここで、使用寿命とは、半導体素子１００が意図されたとおりに使用できなくなる時期のことである。この限界値は、様々な用途によって異なる場合がある。
図１４では、リーク電流レベルＩの時間ｔにわたった経過が示されている。図１４の例では、初期状態を起点として性能低下が進み、第１の電圧Ｕ１で約９＊１０^４秒間動作させた後に使用寿命の終わりに到達する。使用寿命の終わりは、素材や条件に依存する。本実施例では、使用寿命の終わりは第４の状態より後であるが、第５の状態に到達した後でも、わずかな性能の低下が見られる。

【0132】

図１４では、図９～図１３で説明した状態のリーク電流レベルＩが例示的に示されている。第１の状態は０、第２の状態は１、第３の状態は２、第４の状態は３、第５の状態は４と表示されている。

【0133】

重大警告については、例示的なリーク電流レベル１４００が設けられており、このレベルに達すると、例えば、重大警告が発せられる。
図１５では、第１の実施形態に係る半導体素子１００を製造するための装置２００が模式的に示されている。

【0134】

装置２００は、半導体素子１００を監視するための後述する方法におけるステップを実行するように構成されている、調整装置および／または制御装置２０２を含む。装置２００は、第１の導電体２０４を介して半導体素子１００の第１の電極１０２に少なくとも一時的に接続可能である。装置２００は、第２の導電体２０６を介して半導体素子１００の第２の電極１０４に少なくとも一時的に接続可能である。

【0135】

調整装置および／または制御装置２０２は、本実施例において、第１の極性を有する第１の電圧Ｕ１を出力するように構成されている。本実施例では、第１の電極１０２と第２の電極１０４とがそれぞれの導体によって装置２００に接続されているときに、第１の電圧Ｕ１が第１の電極１０２と第２の電極１０４との間で印加され、調整装置および／または制御装置２０２は第１の電圧Ｕ１を出力する。

【0136】

調整装置および／または制御装置２０２は、任意選択的に、第１の極性とは反対の極性を有する第２の電圧Ｕ２を出力するように構成されている。本実施例では、第１の電極１０２と第２の電極１０４とがそれぞれの導体によって装置２００に接続されているときに、第２の電圧Ｕ２が第１の電極１０２と第２の電極１０４との間で印加され、調整装置および／または制御装置２０２は第２の電圧Ｕ２を出力する。

【0137】

制御装置は、第１の電圧Ｕ１および／または第２の電圧Ｕ２について、交流電圧または略一定の値を出力するように構成されてもよい。この値は、例えば、１ボルトから８０ボルトの範囲であり、好ましくは、１ボルト、２ボルトまたは５ボルトまたは１０ボルトまたは２０ボルトまたは４０ボルトまたは８０ボルトである。

【0138】

好ましくは、誘電体層１０６は、多結晶酸化物高誘電率誘電体として構成されている。
特に、誘電体層１０６は、ＰＺＴ層として構成されている。ＰＺＴはここではＰｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１－ｘ）Ｏ_３を表す。

【0139】

誘電体層１０６は、特に、ＫＮＮ層として構成されている。ＫＮＮはここでは（Ｋ_ｘＮａ_１－ｘ）ＮｂＯ_３を表す。
誘電体層１０６は、特に、ＨｆＯ_２、ＨｆＺｒＯ_２、ＺｒＯ_２、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３または（Ｂａ_ｘＳｒ_１－ｘ）ＴｉＯ_３層として構成されてもよい。

【0140】

好ましくは、誘電体層１０６はドープされている。例えば、誘電体層１０６は、ニッケルをドープしたＰＺＴ層である。

【0141】

【数43】

【0142】

ＰＺＴ層とＫＮＮ層の両方が、ニッケル以外のドーパント、例えば、Ｎｂ、Ｌａ、Ｍｎ、Ｍｇを有していてもよい。
好ましくは、誘電体層は、スパッタリングされたＰＺＴ層として構成されている。ここでは、いわゆるターゲット材料がプラズマで基板上に成膜される。例えば、ターゲット材料としてＰＺＴが使用される。好ましくは、この文脈においてスパッタリングされたＰＺＴ層は、５００℃より低い成膜温度を有する。

【0143】

好ましくは、誘電体層の厚さは、５００ｎｍ～４μｍの範囲である。これは、アクチュエータに対して有益な範囲である。好ましくは、層厚は１μｍ、または４μｍである。また、より大きい層厚も可能である。説明する手順は、全ての層厚に対して実施することができる。

【0144】

また、より小さい層厚も可能である。好ましくは、誘電体層の厚さは、例えばアクチュエータ以外の用途では５００ｎｍより小さい範囲である。その例として、高誘電率誘電体の用途、例えばメモリなどが挙げられる。メモリは、抵抗変化型ランダムアクセスメモリ（ＲｅＲＡＭ）、または強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）が考えられる。これらの他の用途では、用途に応じて１５ｎｍ～２００ｎｍの厚さが有益である。

【0145】

さらに、ゲート酸化物などの層を有する非常に薄い高誘電率誘電体は、非常に多くの用途で使用することができる。誘電体層１０６として、例えば、５０ｎｍ以下の層厚を有するＨｆＯ２またはＳｉＯ２を設けてもよい。

【0146】

調整装置は、第１の電圧Ｕ１の閾値を調整するように構成することができる。この閾値は、例えば１ボルトから８０ボルトの範囲にあり、好ましくは１ボルト、２ボルトまたは５ボルトまたは１０ボルトまたは２０ボルトまたは４０ボルトまたは８０ボルトである。

【0147】

調整装置は、第２の電圧Ｕ２の閾値を調整するように構成することができる。この閾値は、例えば１ボルトから８０ボルトの範囲にあり、好ましくは１ボルト、２ボルトまたは５ボルトまたは１０ボルトまたは２０ボルトまたは４０ボルトまたは８０ボルトである。

【0148】

この場合、第１の電極１０２と第２の電極１０４との間の電圧を検出するように構成されている電圧測定装置を設けてもよい。この場合、調整装置は、この検出された電圧の閾値との差に応じて決定される調整偏差を減少させるように構成されている。

【0149】

本実施例では、装置２００は、任意選択的に測定装置２０８を含む。本実施例では、測定装置２０８は、第１の電極１０２および第２の電極１０４を流れる電流を測定するように構成されている。

【0150】

本実施例では、測定装置２０８は、第１の導体２０４内に配置されている。また、別の場所で対応して配置することも可能である。
本実施例では、測定装置２０８は、測定された電流を伝送するために、信号線２１０を介して調整装置および／または制御装置２０２に接続されている。

【0151】

リーク電流は、温度に強く依存する。測定装置２０８が、現在の温度Ｔを決定するための装置を含むことが企図されてもよい。半導体素子１００またはそのすぐ周辺の温度測定が行われる。本態様では、温度Ｔにおける限界値Ｇは、基準温度Ｔ０における基準限界値Ｇ０に応じて、以下の指数関係にしたがって決定される。

【0152】

【数44】

【0153】

ここで、ｋは定数である。定数は、その時点での有効障壁高さを表す。
本実施例では、装置２００は、電圧を出力するための電圧源および／または電流源２１２を含む。本実施例では、装置２００は、以下に説明する方法を実行するように構成されている演算装置２１４、特にマイクロプロセッサを含む。本実施例では、装置２００は、限界値や、限界値から決定できる特性曲線を記憶するように構成されているメモリ２１６を含む。本実施例では、装置２００は、出力２２０を出力するように構成されている出力装置２１８を含む。

【0154】

メモリ、アクチュエータ、ＭＥＭＳ、マイクロミラー、プリントヘッド、またはスピーカが、半導体素子１００の監視装置および半導体素子１００を含んでもよい。半導体素子１００が監視される、メモリ、アクチュエータ、ＭＥＭＳ、マイクロミラー、プリントヘッド、またはスピーカの使用寿命の監視を行うことが企図されてもよい。

【0155】

以下に、図１６を参照して、半導体素子１００の監視方法について説明する。
ステップ１６００において、半導体素子１００は、第１の電圧Ｕ１が印加される第１動作モードで動作する。

【0156】

ステップ１６０２において、半導体素子１００の動作中に、半導体素子１００の第１の電極１０２および第２の電極１０４を流れるリーク電流Ｉが検出される。
一態様では、ステップ１６０４において、リーク電流Ｉは、リーク電流Ｉについての第１の限界値、例えばリーク電流レベル７００、８００、１４００のうちの１つと比較される。ステップ１６０４において、比較の結果に応じて、出力２２０が決定される。第１の限界値は、リーク電流Ｉが上回る、または下回る複数の限界値から決定されることが企図されてもよい。

【0157】

リーク電流Ｉの電圧依存性および／または温度依存性を考慮することが企図されてもよい。例えば、限界値は、基準限界値Ｇ０と基準温度Ｔ０に応じて、特に上述した指数関係で決定される。

【0158】

ステップ１６０４において、一態様では、リーク電流Ｉの極点、特に最大値が発生する時刻が決定されてもよい。本態様では、出力２２０は、時点に応じて決定されてもよい。
出力２２０は、半導体素子１００の状態を含む。

【0159】

第１の限界値に応じて、半導体素子１００の使用寿命の残存値が決定されることが企図されてもよい。この場合、出力２２０は、この残存値を含んでもよい。
リーク電流Ｉの極点、特に最大値が発生する時点に応じて、半導体素子１００の使用寿命の残存値が決定されることが企図されてもよい。この場合、出力２２０は、この残存値を含んでもよい。

【0160】

例えば、半導体素子１００の状態と、残りの使用寿命、例えば残存値に関する表示とを含むテキストが決定される。本実施例では、残存値は、リーク電流Ｉが検出される時点から、半導体素子１００の使用寿命が終了する時点が発生する時点までの間、半導体素子１００を第１の電圧Ｕ１でまだ動作させることができる期間である。期間は、例えば、先に述べた第１の電圧Ｕ１の影響下での欠陥の移動に関連してリーク電流Ｉが検出される時刻から、それぞれの用途について有益な使用寿命の終了時刻まで算出される

【0161】

一態様では、半導体素子１００の動作モードを設定する制御信号が決定される。
ステップ１６０６において、出力２２０が出力される。
例えば、メッセージで送信したり、ヒューマンマシンインターフェースに出力したりするものである。

【0162】

例えば、半導体素子１００または半導体素子１００を含む装置が動作モードで動作するように駆動制御するための制御信号が出力される。
続いて、ステップ１６００は、特にそのために設定された動作モードで実行される。以下に説明されるいずれかの理由から、本方法を終了することが企図されてもよい。

【0163】

第１の動作モードにおける半導体素子１００の動作においてリーク電流Ｉが検出され、ステップ１６０２において、リーク電流Ｉが第１の限界値を上回る場合、または使用寿命の残存値が第１の閾値より大きい場合に、第１の動作モードで半導体素子１００の動作が継続されることが企図されてもよい。

【0164】

この場合、続いて複数の限界値から第２の限界値が決定され、リーク電流Ｉが第２の限界値を上回る場合に、第２の動作モードで半導体素子１００の動作が継続されるか、または動作が終了されることが企図されてもよい。このように、リーク電流レベルが上がるにつれて、様々な対応が取られる。

【0165】

代替的に、半導体素子１００の動作が第２の動作モードで継続されるか、または終了されることが企図されてもよい。使用寿命の残存値が第２の閾値より小さい場合、動作は第２の動作モードで継続されてもよい。使用寿命の残存値が第２の閾値より大きい場合、動作を終了してもよい。残存値が減少するにつれて、様々な対応を取ることが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】