IEC 62374:2007

NORME CEI
INTERNATIONALE
IEC
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2007-03
Dispositifs à semiconducteurs –
Essai de rupture diélectrique en fonction du
temps (TDDB) pour films diélectriques de grille

Semiconductor devices –
Time dependent dielectric breakdown
(TDDB) test for gate dielectric films

Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC 62374:2007
Numérotation des publications Publication numbering
Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI As from 1 January 1997 all IEC publications are
sont numérotées à partir de 60000. Ainsi, la CEI 34-1 issued with a designation in the 60000 series. For
devient la CEI 60034-1. example, IEC 34-1 is now referred to as IEC 60034-1.
Editions consolidées Consolidated editions
Les versions consolidées de certaines publications de la The IEC is now publishing consolidated versions of its
CEI incorporant les amendements sont disponibles. Par publications. For example, edition numbers 1.0, 1.1
exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2 indiquent and 1.2 refer, respectively, to the base publication,
respectivement la publication de base, la publication de the base publication incorporating amendment 1 and
base incorporant l’amendement 1, et la publication de the base publication incorporating amendments 1
base incorporant les amendements 1 et 2. and 2.
Informations supplémentaires Further information on IEC publications
sur les publications de la CEI
Le contenu technique des publications de la CEI est The technical content of IEC publications is kept
constamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état under constant review by the IEC, thus ensuring that
actuel de la technique. Des renseignements relatifs à the content reflects current technology. Information
cette publication, y compris sa validité, sont dispo- relating to this publication, including its validity, is
nibles dans le Catalogue des publications de la CEI available in the IEC Catalogue of publications
(voir ci-dessous) en plus des nouvelles éditions, (see below) in addition to new editions, amendments
amendements et corrigenda. Des informations sur les and corrigenda. Information on the subjects under
sujets à l’étude et l’avancement des travaux entrepris consideration and work in progress undertaken by the
par le comité d’études qui a élaboré cette publication, technical committee which has prepared this
ainsi que la liste des publications parues, sont publication, as well as the list of publications issued,
également disponibles par l’intermédiaire de: is also available from the following:
• Site web de la CEI (www.iec.ch) • IEC Web Site (www.iec.ch)
• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
Le catalogue en ligne sur le site web de la CEI The on-line catalogue on the IEC web site
(www.iec.ch/searchpub) vous permet de faire des (www.iec.ch/searchpub) enables you to search by a
recherches en utilisant de nombreux critères, variety of criteria including text searches,
comprenant des recherches textuelles, par comité technical committees and date of publication. On-
d’études ou date de publication. Des informations en line information is also available on recently
ligne sont également disponibles sur les nouvelles issued publications, withdrawn and replaced
publications, les publications remplacées ou retirées, publications, as well as corrigenda.
ainsi que sur les corrigenda.
• IEC Just Published • IEC Just Published
Ce résumé des dernières publications parues This summary of recently issued publications
(www.iec.ch/online_news/justpub) est aussi dispo- (www.iec.ch/online_news/justpub) is also available
nible par courrier électronique. Veuillez prendre by email. Please contact the Customer Service
contact avec le Service client (voir ci-dessous) Centre (see below) for further information.
pour plus d’informations.
• Service clients • Customer Service Centre
Si vous avez des questions au sujet de cette If you have any questions regarding this
publication ou avez besoin de renseignements publication or need further assistance, please
supplémentaires, prenez contact avec le Service contact the Customer Service Centre:
clients:
Email: custserv@iec.ch Email: custserv@iec.ch
Tél: +41 22 919 02 11 Tel: +41 22 919 02 11
Fax: +41 22 919 03 00 Fax: +41 22 919 03 00

.
NORME CEI
INTERNATIONALE
IEC
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2007-03
Dispositifs à semiconducteurs –
Essai de rupture diélectrique en fonction du
temps (TDDB) pour films diélectriques de grille

Semiconductor devices –
Time dependent dielectric breakdown
(TDDB) test for gate dielectric films
© IEC 2007 Droits de reproduction réservés ⎯ Copyright - all rights reserved
Aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni No part of this publication may be reproduced or utilized in any
utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, form or by any means, electronic or mechanical, including
électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les photocopying and microfilm, without permission in writing from
microfilms, sans l'accord écrit de l'éditeur. the publisher.
International Electrotechnical Commission, 3, rue de Varembé, PO Box 131, CH-1211 Geneva 20, Switzerland
Telephone: +41 22 919 02 11 Telefax: +41 22 919 03 00 E-mail: inmail@iec.ch Web: www.iec.ch
CODE PRIX
S
PRICE CODE
Commission Electrotechnique Internationale
International Electrotechnical Commission
МеждународнаяЭлектротехническаяКомиссия
Pour prix, voir catalogue en vigueur
For price, see current catalogue

– 2 – 62374 © CEI:2007
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.4

1 Domaine d'application .8
2 Termes et définitions .8
3 Matériel d’essai .12
4 Echantillons d’essai.12
4.1 Généralités.12
4.2 Structure d’essai: structure de condensateur.12
4.3 Surface .14
5 Procédures.14
5.1 Généralités.14
5.2 Essai préalable .18
5.3 Conditions d'essai .18
5.4 Critères .18
6 Estimation de durée de vie .24
6.1 Généralités.24
6.2 Modèle d’accélération .24
6.3 Procédure de l’estimation de la durée de vie .28
7 Dépendance de la durée de vie par rapport à la surface de l’oxyde de grille.34

Annex A (informative) Condition d’essai de détermination supplémentaire et analyse
des données .36

Bibliographie.42

Figure 1 – Organigramme d’essai de méthode de contrainte de tension constante.16
Figure 2 – Exemple type d’application de la méthode de variance pour la détection du
claquage.22
Figure 3 – Diagramme de temps représentant la mise en oeuvre de la technique
d'interruption de contrainte pour contrôler la modification de SILC (t doit être <1%
init
de la valeur escomptée de t ) .24
bd
Figure 4 – Ajustement en graphique de la distribution de Weibull/log-normale (Weibull
est recommandée) .30
Figure 5 – Procédure d’estimation du facteur d’accélération électrique .32
Figure 6 – Procédure d’estimation de l’énergie d’activation.32
Figure A.1 – Dépendance en tension de la durée de vie pour le TDDB .36
Figure A.2 – Chaque composant tracé en fonction de V .40
OX
62374 © IEC:2007 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.5

1 Scope.9
2 Terms and definitions .9
3 Test equipment.13
4 Test samples.13
4.1 General .13
4.2 Test structure: capacitor structure .13
4.3 Area .15
5 Procedures.15
5.1 General .15
5.2 Pre-test .19
5.3 Test conditions .19
5.4 Criteria .19
6 Lifetime estimation .25
6.1 General .25
6.2 Acceleration model.25
6.3 A procedure for a lifetime estimation .29
7 Lifetime dependence on gate oxide area .35

Annex A (informative) Supplementary determining test condition and data analysis .37

Bibliography.43

Figure 1 – Test flow diagram of constant voltage stress method .17
Figure 2– Typical example of implementing the variance method for detecting
breakdown .23
Figure 3 – Timing diagram showing the implementation of the stress interruption
technique for monitoring the change in SILC (t shall be <1 % of the anticipated t ) .25
init bd
Figure 4– Graph fitted Weibull/Lognormal distribution (Weibull is recommended).31
Figure 5 – Estimate procedure of electric acceleration factor .33
Figure 6 – Estimation procedure of activation energy.33
Figure A.1 – Voltage dependence of lifetime for TDDB.37
Figure A.2 – Each component plotted as a function of V .41
OX
– 4 – 62374 © CEI:2007
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE
____________
DISPOSITIFS À SEMICONDUCTEURS −

ESSAI DE RUPTURE DIÉLECTRIQUE EN FONCTION DU TEMPS (TDDB)
POUR FILMS DIÉLECTRIQUES DE GRILLE

AVANT-PROPOS
1) La Commission Electrotechnique Internationale (CEI) est une organisation mondiale de normalisation
composée de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a
pour objet de favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les
domaines de l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI – entre autres activités – publie des Normes
internationales, des Spécifications techniques, des Rapports techniques, des Spécifications accessibles au
public (PAS) et des Guides (ci-après dénommés "Publication(s) de la CEI"). Leur élaboration est confiée à des
comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national intéressé par le sujet traité peut participer. Les
organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec la CEI, participent
également aux travaux. La CEI collabore étroitement avec l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO),
selon des conditions fixées par accord entre les deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux de la CEI
intéressés sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les Publications de la CEI se présentent sous la forme de recommandations internationales et sont agréées
comme telles par les Comités nationaux de la CEI. Tous les efforts raisonnables sont entrepris afin que la CEI
s'assure de l'exactitude du contenu technique de ses publications; la CEI ne peut pas être tenue responsable
de l'éventuelle mauvaise utilisation ou interprétation qui en est faite par un quelconque utilisateur final.
4) Dans le but d'encourager l'uniformité internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent, dans toute la
mesure possible, à appliquer de façon transparente les Publications de la CEI dans leurs publications
nationales et régionales. Toutes divergences entre toutes Publications de la CEI et toutes publications
nationales ou régionales correspondantes doivent être indiquées en termes clairs dans ces dernières.
5) La CEI n’a prévu aucune procédure de marquage valant indication d’approbation et n'engage pas sa
responsabilité pour les équipements déclarés conformes à une de ses Publications.
6) Tous les utilisateurs doivent s'assurer qu'ils sont en possession de la dernière édition de cette publication.
7) Aucune responsabilité ne doit être imputée à la CEI, à ses administrateurs, employés, auxiliaires ou
mandataires, y compris ses experts particuliers et les membres de ses comités d'études et des Comités
nationaux de la CEI, pour tout préjudice causé en cas de dommages corporels et matériels, ou de tout autre
dommage de quelque nature que ce soit, directe ou indirecte, ou pour supporter les coûts (y compris les frais
de justice) et les dépenses découlant de la publication ou de l'utilisation de cette Publication de la CEI ou de
toute autre Publication de la CEI, ou au crédit qui lui est accordé.
8) L'attention est attirée sur les références normatives citées dans cette publication. L'utilisation de publications
référencées est obligatoire pour une application correcte de la présente publication.
9) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Publication de la CEI peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La Norme internationale CEI 62374 a été établie par le comité d'études 47 de la CEI:
Dispositifs à semiconducteurs.
Le texte de cette norme est issu des documents suivants:
FDIS Rapport de vote
47/1894/FDIS 47/1896/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation de cette norme.
Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 2.

62374 © IEC:2007 – 5 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
____________
SEMICONDUCTOR DEVICES −
TIME DEPENDENT DIELECTRIC BREAKDOWN (TDDB) TEST
FOR GATE DIELECTRIC FILMS
FOREWORD
1) The International Electrotechnical Commission (IEC) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, IEC publishes International Standards, Technical Specifications,
Technical Reports, Publicly Available Specifications (PAS) and Guides (hereafter referred to as “IEC
Publication(s)”). Their preparation is entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested
in the subject dealt with may participate in this preparatory work. International, governmental and non-
governmental organizations liaising with the IEC also participate in this preparation. IEC collaborates closely
with the International Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by
agreement between the two organizations.
2) The formal decisions or agreements of IEC on technical matters express, as nearly as possible, an international
consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation from all
interested IEC National Committees.
3) IEC Publications have the form of recommendations for international use and are accepted by IEC National
Committees in that sense. While all reasonable efforts are made to ensure that the technical content of IEC
Publications is accurate, IEC cannot be held responsible for the way in which they are used or for any
misinterpretation by any end user.
4) In order to promote international uniformity, IEC National Committees undertake to apply IEC Publications
transparently to the maximum extent possible in their national and regional publications. Any divergence
between any IEC Publication and the corresponding national or regional publication shall be clearly indicated in
the latter.
5) IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with an IEC Publication.
6) All users should ensure that they have the latest edition of this publication.
7) No liability shall attach to IEC or its directors, employees, servants or agents including individual experts and
members of its technical committees and IEC National Committees for any personal injury, property damage or
other damage of any nature whatsoever, whether direct or indirect, or for costs (including legal fees) and
expenses arising out of the publication, use of, or reliance upon, this IEC Publication or any other IEC
Publications.
8) Attention is drawn to the Normative references cited in this publication. Use of the referenced publications is
indispensable for the correct application of this publication.
9) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this IEC Publication may be the subject of
patent rights. IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard IEC 62374 has been prepared by IEC technical committee 47:
Semiconductor devices.
The text of this standard is based on the following documents:
FDIS Report on voting
47/1894/FDIS 47/1896/RVD
Full information on the voting for the approval of this standard can be found in the report on
voting indicated in the above table.
This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 2.

– 6 – 62374 © CEI:2007
Le comité a décidé que le contenu de cette publication ne sera pas modifié avant la date de
maintenance indiquée sur le site web de la CEI sous "http://webstore.iec.ch" dans les
données relatives à la publication recherchée. A cette date, la publication sera
• reconduite,
• supprimée,
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
62374 © IEC:2007 – 7 –
The committee has decided that the contents of this publication will remain unchanged until
the maintenance result date indicated on the IEC web site under "http://webstore.iec.ch" in
the data related to the specific publication. At this date, the publication will be
• reconfirmed;
• withdrawn;
• replaced by a revised edition, or
• amended.
– 8 – 62374 © CEI:2007
DISPOSITIFS À SEMICONDUCTEURS −

ESSAI DE RUPTURE DIÉLECTRIQUE EN FONCTION DU TEMPS (TDDB)
POUR FILMS DIÉLECTRIQUES DE GRILLE

1 Domaine d'application
Cette norme décrit une méthode d’essai de la rupture diélectrique en fonction du temps
(TDDB) pour films diélectriques de grille des dispositifs à semiconducteurs et une méthode
d’estimation de la durée de vie de produit en présence d’une défaillance de type TDDB.
2 Termes et définitions
Pour les besoins de ce document, les termes et définitions suivants s’appliquent:
2.1
champ électrique d’oxyde (intensité)
E
ox
défini comme la tension d'oxyde divisée par l'épaisseur d'oxyde.
NOTE
E = V /t    (1)
ox ox ox
où
E (MV/cm) est le champ électrique d’oxyde;
ox
V est la tension d’oxyde;
ox
t est l'épaisseur d'oxyde.
ox
Il faut que t soit déterminé par une méthode solidement documentée (méthode de mesure
ox
physique par microscopie électronique à balayage (SEM), microscopie électronique à
transmission (TEM) ou analyse de capacité-tension (CV)). Il est important de noter que la
tension appliquée n'est pas nécessairement la tension traversant l'oxyde. Les oxydes ultra-
minces montrent des effets de confinement quantique et des effets de déplétion de l'électrode
de grille qui diminuent efficacement la tension à travers l'oxyde. Il faut que la méthode pour
déterminer t ou une référence à des normes documentées soit incorporée dans le rapport
ox
des données.
2.2
courant de fuite d’oxyde de grille
I
g
courant de fuite circulant dans la borne de grille d’un transistor à grille isolée à effet de
champ
NOTE Le symbole littéral “I ” est couramment utilisé pour le courant de fuite de grille.
g
2.3
courant de fuite d’oxyde de grille initial
I
g0
courant de fuite circulant dans la borne de grille d'une grille isolée par oxyde lorsqu'une
tension d’utilisation est appliquée avant l’application de la tension de contrainte ou du champ
électrique de contrainte
62374 © IEC:2007 – 9 –
SEMICONDUCTOR DEVICES −
TIME DEPENDENT DIELECTRIC BREAKDOWN (TDDB) TEST
FOR GATE DIELECTRIC FILMS
1 Scope
This International Standard provides a test method of Time Dependent Dielectric Breakdown
(TDDB) for gate dielectric films on semiconductor devices and a product lifetime estimation
method of TDDB failure.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply:
2.1
oxide electric field (strength)
E
ox
defined as oxide voltage divided by oxide thickness.
NOTE
E = V /t (1)
ox ox ox
where
E (MV/cm) is the oxide electric field;
ox
V is the oxide voltage;
ox
t is the oxide thickness.
ox
t must be determined by a consistent, documented method (physical measurement method
ox
by Scanning Electron Microscope (SEM), Transmission Electron Microscope (TEM) or
Capacitance-Voltage (CV) analysis). It is important to point out that the applied voltage is not
necessarily the voltage across the oxide. Ultra-thin oxides exhibit quantum confinement
effects and gate electrode depletion effects effectively reducing the voltage across the oxide.
The method of determining t or a reference to the documented standard must be included in
ox
the data report.
2.2
gate oxide leakage current
I
g
the leakage current flowing in the gate terminal of an insulated-gate field-effect transistor
NOTE The letter symbol “I ” is in common use for the gate leakage current.
g
2.3
initial gate oxide leakage current
I
g0
leakage current flowing in the gate terminal of an oxide insulated-gate when a use voltage is
applied before stress voltage or stress electric field is applied

– 10 – 62374 © CEI:2007
2.4
courant de conformité
I
comp
courant maximal de l’équipement qui force la tension
NOTE Une limite d'accord peut être spécifiée pour un essai particulier.
2.5
courant de fuite d’oxyde de grille mesuré
I
meas
courant de fuite de grille mesuré dans un essai préalable ou un essai constant de contrainte
de tension (CVS)
2.6
courant d'oxyde de fuite de contrainte induite
I
SILC
courant de fuite de contrainte induite mesuré à V
SILC
NOTE Cette valeur est mesurée et comparée pendant l'essai à tension constante si la méthode d'interruption de
contrainte est utilisée pour détecter le claquage.
2.7
courant de fuite d'oxyde de grille d'utilisation
I
use
courant typique mesuré à travers l'oxyde à la tension normale d'utilisation
2.8
courant de fuite d'oxyde de grille de contrainte
I
stress
courant d'oxyde de grille mesuré pendant l'essai CVS
2.9
courant de fuite d'oxyde de grille précédemment mesuré
I
previous
courant d’oxyde précédemment mesuré en condition d’essai CVS
2.10
temps de claquage
t
bd
sommation de temps auquel la tension de contrainte est appliquée à l'oxyde de grille jusqu'à
la défaillance de l'oxyde
NOTE Dans l’essai CVS, la tension de contrainte appliquée est interrompue par des mesures et jugements
répétés. (Voir la Figure 1)
2.11
intervalle de temps
t
int
intervalle de temps où la contrainte est appliquée avant son interruption et I est mesuré
SILC
au cours de la technique d’interruption de contrainte pour détecter le claquage
NOTE Voir la Figure 3.
2.12
épaisseur d'oxyde de grille
t
ox
épaisseur physique de l'oxyde de grille

62374 © IEC:2007 – 11 –
2.4
compliance current
I
comp
maximum current of the voltage-forcing equipment
NOTE A compliance limit can be specified for a particular test.
2.5
measured gate oxide leakage current
I
meas
gate leakage current measured in the pre-test or Constant Voltage Stress (CVS) test
2.6
stress-induced leakage oxide current
I
SILC
stress-induced leakage current measured at V
SILC
NOTE This value is measured and compared during the constant voltage test if the stress interruption method is
used to detect breakdown.
2.7
use gate oxide leakage current
I
use
typical measured current through the oxide at the normal use voltage
2.8
stress gate oxide leakage current
I
stress
oxide gate current measured during the CVS test
2.9
previously measured gate oxide leakage current
I
previous
previously measured oxide current in CVS test condition
2.10
breakdown time
t
bd
summation of time at which stress voltage is applied to gate oxide until oxide failure
NOTE In the CVS test, the applied stress voltage is interrupted by measuring and judging repeatedly. (See Figure
1)
2.11
interval time
t
int
time that stress is applied before the stress is interrupted and I is measured during the
SILC
stress interruption technique for detecting breakdown
NOTE  See Figure 3
2.12
gate oxide thickness
t
ox
physical thickness of gate oxide

– 12 – 62374 © CEI:2007
2.13
temps d'attente
t
wait
temps avant la mesure de I après l'interruption de la contrainte pendant la technique
SILC
d’interruption de la contrainte destinée à détecter le claquage (voir la Figure 3)
2.14
tension SILC
V
SILC
tension à laquelle le courant de fuite de contrainte induite (I ) est mesuré
SILC
2.15
tension de contrainte
V
stress
tension appliquée pendant un essai constant de contrainte de tension
2.16
tension d’utilisation
V
use
tension qui est appliquée pendant l'essai préalable pour déterminer la validité du composant
NOTE Cette tension est habituellement la tension d’alimentation ou la tension d’utilisation de la technologie.
3 Matériel d’essai
L’essai TDDB peut être appliqué tant à l’essai au niveau du boîtier qu’aux essais au niveau
de la plaquette. Une étuve à haute température est utilisée pour l’essai au niveau du boîtier.
Dans le cas des essais au niveau de la plaquette, une machine d’essai sous pointes équipée
d’une plaque chaude ou d’un plateau chaud est nécessaire. De plus, des instruments de
mesure sont nécessaires pour détecter le critère de défaut (qui dépend de t , de la structure
ox
et de la surface du dispositif).
4 Echantillons d’essai
4.1 Généralités
Il convient que les échantillons d’essai pour l’essai TDDB comportent la structure et la
surface d’essai suivantes.
4.2 Structure d’essai: structure de condensateur
L’échantillon d’essai comporte une structure de condensateur qui est constituée du film
diélectrique de grille et d’une électrode de grille formée sur un substrat de silicium.
Un condensateur ou une structure de transistor à effet de champ (TEC) peut être choisi pour
les besoins de l’essai. La surface et la géométrie peuvent être modifiées.
Les structures TEC sont à privilégier par rapport aux condensateurs, car il convient de
réaliser la contrainte en mode opératoire, qui est le cas d’inversion. Des structures multiples
avec variation dans la zone active et périmètre de bord de grille et de bord d'isolation sont
recommandées pour mesurer la mise à l'échelle de la surface et pour identifier la surface en
fonction du périmètre.
Il convient de concevoir les broches de structure d’essai pour minimiser la résistance et
prévenir les chutes de tension.

62374 © IEC:2007 – 13 –
2.13
wait time
t
wait
time before I is measured after a stress is interrupted during the stress interruption
SILC
technique for detecting breakdown (see Figure 3)
2.14
SILC voltage
V
SILC
voltage at which the stress-induced leakage current (I ) is measured
SILC
2.15
stress voltage
V
stress
voltage applied during CVS test
2.16
use voltage
V
use
voltage that is applied during the pre-test to determine device validity
NOTE This voltage is usually the power supply voltage or use voltage of the technology.
3 Test equipment
TDDB test can be applied for both package level test and wafer level tests. A high
temperature oven is used for the package level test. In the case of the wafer level tests, a
wafer prober with a hot plate or a hot chuck is necessary. Additionally, measurement
instruments are necessary that can detect failure criterion (that depends on t , device
ox
structure and area).
4 Test samples
4.1 General
The test samples for TDDB test should have the following test structure and area.
4.2 Test structure: capacitor structure
The test sample has a capacitor structure that consists of the gate dielectric film and gate
electrode formed on a silicon substrate.
A capacitor or a field effect transistor (FET)-structure can be selected for the purpose of the
test. The area and geometry can be varied.
FET-structures are preferred over capacitors, because stress should be performed in use
mode, which is the inversion case. Multiple structures with variation in active area, isolation
edge and gate edge perimeter are recommended in order to measure area scaling and to
identify area vs. perimeter effects.
Test structure leads should be designed to minimize resistance to prevent voltage drops.

– 14 – 62374 © CEI:2007
Il est recommandé qu’au moins trois zones de dispositif soient utilisées de sorte que l’on
puisse obtenir une mise à l’échelle appropriée de la surface. La plage de la zone peut couvrir
deux ordres de grandeur.
Il est important d’obtenir le paramètre de forme de la loi de Weibull.
4.3 Surface
Dans le cas d’oxydes de grille minces (t < 5 nm) avec grande surface diélectrique, le
ox
rapport I devient trop grand par effets de courant tunnel, les claquages deviennent plus
g
“mous” et bruyants, de sorte que la rupture diélectrique ne peut pas être mesurée de manière
précise. En conséquence, la surface doit être suffisamment petite de sorte que le rapport I
g
après claquage par rapport à avant claquage soit mesurable.
La surface typique pour l’oxyde de grille mince se situe dans la gamme comprise entre
-11 2 -3 2
1 x 10 cm à 1 x 10 cm . Il existe des cas où le critère "bruit de courant“ est efficace.
Un condensateur de petite surface peut être nécessaire pour détecter un claquage mou
lorsqu’un grand courant tunnel existe.
Pour les oxydes de grille épais (t > 5 nm) le courant tunnel a un effet négligeable, de sorte
ox
-3 2 -1 2
que la limite supérieure de la surface peut s’étendre de 1 x 10 cm à 1 x 10 cm .
5 Procédures
5.1 Généralités
Cette section explique la procédure d’essai.
La Figure 1 illustre une procédure de contrainte par la méthode de tension constante.

62374 © IEC:2007 – 15 –
It is recommended that at least three device areas be used so proper area scaling can be
achieved. The area range can span over two orders of magnitude.
It is important to get the Weibull Shape parameter.
4.3 Area
In the case of thin gate oxides (t < 5 nm) with a large dielectric area, the I ratio becomes
ox g
too large by tunnel current effects, the breakdowns become “softer” and noisy, so that the
dielectric breakdown cannot be accurately measured. As a result the area shall be small
enough so that the I ratio after breakdown to before breakdown is measurable.
g
-11 2 -3 2
A typical area for thin gate oxide is in the range of 1 x 10 cm to 1 x 10 cm . There are
cases where the "current noise“ criterion is effective.
A small area capacitor may be necessary to detect soft breakdown when large tunneling
current exists.
For thick gate oxides (t > 5 nm) the tunnelling current has a negligible effect, so the area
ox
-3 2 -1 2
upper limit can be extended from 1 x 10 cm to 1 x 10 cm .
5 Procedures
5.1 General
In this section the test procedure is explained.
Figure 1 shows a procedure for the constant voltage stress method.

– 16 – 62374 © CEI:2007
ESSAI PRÉALABLE
Appliquer la tension
de fonctionnement
Mesure du courant de grille (I )
meas
Oui
I > critère défini
meas
Rejeter la valeur initiale
Non
t = 0
Appliquer la tension
de containte (V )
stress
Mesure du courant de grille (I )
meas
Enregistrer le temps
Oui
I > critère défini
meas
de claquage (t )
bd
Non
Oui
t > t ?
max Arrêter l’essai
Non
t = t + t
inter
IEC  114/07
Figure 1 – Organigramme d’essai de méthode de contrainte de tension constante

62374 © IEC:2007 – 17 –
Pre-TEST
Apply operating voltage
Gate current measurement (I )
meas
Yes
I > defined criterion
meas Reject initial failure
No
t = 0
Apply stress voltage (V )
stress
Gate current measurement (I )
meas
Yes
I > defined criterion
meas
Record breakdown time (t )
bd
No
Yes
t > t ?
max Stop test
No
t = t + t
inter
IEC  114/07
Figure 1 – Test flow diagram of constant voltage stress method

– 18 – 62374 © CEI:2007
5.2 Essai préalable
L’essai préalable est réalisé pour l’identification des échantillons défectueux initiaux. Le
courant de grille est mesuré à la tension d’utilisation appliquée. Si le courant mesuré est plus
grand que le critère défini, alors cet échantillon est rejeté en tant qu’échantillon défectueux
initial. Si la répartition des défauts est nécessaire, l’essai CVS sans essai préalable peut être
efficace. Dans ce cas, l’essai préalable peut être ignoré.
5.3 Conditions d'essai
5.3.1 Généralités
Les conditions d’essai suivantes sont recommandées pour l’essai TDDB. Il convient de choisir
le nombre d’échantillons pour fournir le niveau de confiance nécessaire pour l’application.
5.3.2 Champ électrique
V doit être décidé par un essai expérimental pour obtenir les données de durée de vie
stress
TDDB en un temps raisonnable. Il est préférable de choisir au moins 3 champs électriques
pour l’estimation du facteur d’accélération du champ.
5.3.3 Température
Il est préférable de choisir au moins 3 températures. Il convient que la température de
jonction d’utilisation se situe dans la plage de température d’essai pour l’estimation du facteur
d’accélération de température (énergie d’activation).
5.4 Critères
Choisir l’un des critères de défaillance suivants pour indiquer la défaillance du dispositif:
a) I dépasse la valeur de défaillance.
g
b) Si spécifié ΔI dépasse la valeur de défaillance.
g
c) Si spécifié ΔI /I dépasse la valeur de défaillance.
g g0
Valeur de défaillance: valeur I ou ΔI , ΔI /I qui provoque la défaillance du circuit cible.
g g g g0
Il convient que les conditions de mesure (température, champ électrique) pour le jugement
d’acceptation soient établies aux conditions d’utilisation ou aux conditions de contrainte.
Il convient d’établir le courant de grille ou le décalage du courant de grille pour défaillance
en prenant en considération le courant initial, la résolution de mesure et les spécifications
de produits.
Si la valeur de défaillance n'est pas spécifiée, utiliser les méthodes d) à f) ci-dessous.
d) Augmentation du courant d’oxyde de fuite de grille mesuré
Pour des oxydes plus épais (t ≥ 5nm ) ou pour des structures d’essai de petite surface,
ox
l’oxyde connaît souvent une défaillance par une augmentation soudaine (>10X) du courant
de contrainte d’oxyde mesuré.
> 10 X I .
I
meas previous
Si cette condition est remplie l’essai est terminé.
Cette valeur d’augmentation de 10X est une valeur recommandée. Cette valeur pourrait
varier entre 2-10X car les événements de claquages durs réels dépendent de la surface
du condensateur, de son épaisseur, de sa structure ou du processus.
e) Augmentation en bruit en courant
Lors d’un événement de claquage mou, le bruit de mesure augmente. Cette augmentation
de bruit peut être détectée en analysant les données de mesure du courant en utilisant les
techniques de variance. Cette description d’essai part de l’hypothèse que le bruit du
système d’essai a déjà été déterminé.

62374 © IEC:2007 – 19 –
5.2 Pre-test
The pre-test is performed for identifying initial failed samples. The gate current is measured at
the applied use voltage. If the measured current is larger than the defined criterion, then that
sample is rejected as an initial failed sample. When obtaining the defective distribution is
necessary, the CVS test without pre-test may be effective. In this case the pre-test can be
omitted.
5.3 Test conditions
5.3.1 General
The following test condition is recommended for the TDDB test. The sample size should be
selected to provide the necessary confidence level for the application.
5.3.2 Electric field
V shall be decided by a trial test to get the TDDB lifetime data in a reasonable time. It is
stress
preferable to select at least 3 electric fields for estimating the field acceleration factor.
5.3.3 Temperature
It is preferable to select at least 3 temperatures. The use-junction temperature should be in
the test temperature range for estimating the temperature acceleration factor (activation
energy).
5.4 Criteria
Select one of the following failure criteria to indicate device failure:
a) I exceeds the failure value.
g
b) If specified ΔI exceeds the failure value.
g
c) If specified ΔI /I exceeds the failure value.
g g0
Failure value : I or ΔI , ΔI /I value that makes the target circuit fail.
g g g g0
The measurement condition (temperature, electric field) for the pass judgment should be
set up at use conditions or stress conditions.
The gate current or the gate current shift for failure should be established in consideration
of the initial current, the measurement resolution, and the products specifications.
If the failure value is not specified, use the methods d) to f) below.
d) Increase in measured gate leakage oxide current
For thicker oxides (t ≥ 5 nm ) or for small area test structures the oxide often fails by a
ox
sudden increase (>10X) in measured oxide stress current.
I > 10 X I .
meas previous
If this condition is met the test is terminated.
The value of 10X increase is a recommended value. This value could range between 2-
10X for actual hard breakdown events depend on the capacitor area, thickness, structure,
or process.
e) Increase in current noise
At a soft-breakdown event the measurement noise increases. This increase in noise can
be detected by analysing the current measurement data using variance techniques. This
test description assumes that the test system noise has already been determined.

– 20 – 62374 © CEI:2007
Dans cet essai, six valeurs de courant consécutives de I (i) à I (i+5) sont
meas meas
enregistrées et le bruit en courant (δI ) est calculé à partir de ces valeurs comme
meas
suit:
i=5
⎡ ⎤
⎢ I (i)⎥
∑ meas
i=5
⎢ ⎥
2 ⎣i=1 ⎦
{}I (i) −
meas
∑
2 i=1
(δ I ) = (2)
meas
La valeur finale (δI ) est essentiellement l’estimateur de la variance d’échantillon de
meas
cinq valeurs I .
meas
Le bruit en courant est calculé en continu en ajoutant une nouvelle valeur de courant et en
supprimant la première valeur du jeu de six points (c'est-à-dire un jeu d'échantillons
glissants: I (i+1) à I (i+5). Si le bruit en courant augmente de 500X sur la valeur de
meas meas
la ligne de base pour cinq calculs supplémentaires au moins, alors le dispositif est défini
comme ayant une défaillance. Les calculs supplémentaires effectués après la détection du
claquage assurent que l'augmentation du bruit est maintenue et non le résultat d'une
fluctuation aléatoire ou d'une augmentation du bruit transitoire. L’essai est alors terminé.
Cette valeur d’augmentation de 500X est une valeur recommandée. Cette valeur pourrait
varier entre 200X et 500X pour les événements de claquages mous réels dépendant de la
surface du condensateur, de son épaisseur, de sa structure ou du processus.
Il peut être souhaitable de compenser le ralentissement des valeurs d’augmentation de
I pendant la contrainte en raison du courant de piégeage ou du courant de fuite de
meas
contrainte induite. Dans ce cas, la valeur de (δI ) peut être calculée par la variance
meas
de cinq valeurs de la différence entre les points de données I (i+1) - I (i) dans
meas meas
l’échantillon de six points comm
...