CC BY
27МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ИЗМЕРЕНИЙ MEASUREMENT METHODS AND TECHNOLOGY
УДК 621.3.049.77
Методика определения дефектности подзатворного диэлектрика с использованием ускоренных испытаний тестовых структур
А.С. Сивченко
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» НПК «Технологический центр» (г. Москва)
Methods of Determination of Defects of Gate Dielectric Using Accelerated Tecting of Test Structures
A.S. Sivchenko
National Research University of Electronic Technology, Moscow SMS «Technology Center», Moscow
Разработаны методика и автоматизированная программа, позволяющие с помощью ускоренных измерений тестовых структур в составе пластин определять дефектность диэлектрика и оценивать его время наработки до отказа. Приведены результаты расчета дефектности диэлектрика с учетом влияния границы изоляции и диффузии. Данная методика может применяться для мониторинга параметров технологических процессов создания подзатворного диэлектрика и прогнозирования долгосрочной надежности МОП-транзисторов.
Ключевые слова: дефектность подзатворного диэлектрика; МОП-транзистор; надежность; контроль параметров технологического процесса.
The methodology and an automated program, which allow using the accelerated measurements of the test structures composed of plates to identify the dielectric defects and to assess its operating time to failure, have been developed. The results of calculation of the dielectric defects with the account of the effect of the isolation and diffusion boundary have been presented. It has been shown that this technique can be used for monitoring the parameters of the manufacturing processes of the gate dielectric and forecasting the long-term reliability of MOS-transistors.
Keywords: gate dielectric defects, MOS-transistor reliability, control of process parameters.
© А.С. Сивченко, 2015
Введение. Одним из способов повышения функциональности ИС является увеличение степени интеграции ИС за счет перехода к меньшим проектным нормам. Уменьшение топологических размеров приводит к возникновению новых механизмов отказов в транзисторах или проявлению уже изученных механизмов в новой форме. Поэтому надежность ИС становится все более актуальной, особенно для микросхем специального назначения и космического применения, где, с одной стороны, необходим переход к более производительным ИС за счет уменьшения проектных норм, а с другой стороны, необходимо обеспечивать высокую степень их надежности в условиях космического пространства-среды с агрессивным радиационным воздействием, способствующей ускоренному проявлению отказов в ИС.
Ключевым элементом, определяющим стабильность характеристик МОП-транзистора, является подзатворный диэлектрик. При масштабировании транзистора толщина подзатворного диэлектрика снижается, а совокупный объем факторов, определяющих его дефектность и диэлектрические свойства, увеличивается. Поэтому введение автоматизированного мониторинга для оценки дефектности подзатворного диэлектрика позволит улучшить его качество и уменьшить число отказов ИС, связанных с дефектностью подзатворного диэлектрика.
Цель настоящей работы - описание методики оценки дефектности подзатворного диэлектрика и разработка на ее основе автоматизированной программы контроля для быстрой оценки дефектности диэлектрика в условиях серийного производства ИС.
За основу разрабатываемой методики взят стандарт [1], который применяется на ведущих фабриках по производству полупроводников для контроля технологических процессов. Данный стандарт лежит в основе автоматизированных программ для контроля дефектности диэлектрика фирм Agilent и Keithley [2, 3]. Эти программы имеют ряд преимуществ, указанных производителями, однако есть и существенные недостатки:
- отсутствие сортировки в определении начальных отказов тестовых структур;
- отсутствие поддержки проведения измерений с одновременной статистической обработкой полученных данных;
- необходимость проведения расчета дефектности в других программах либо в ручную в Exсel.
Данные программы не позволяют в полной мере оперативно контролировать дефектность подзатворного диэлектрика в условиях серийного производства ИС.
Разработанная методика и программа измерений на ее основе лишены этих недостатков, так как расчет дефектности диэлектрика происходит параллельно с измерением значений заряда пробоя в автоматическом режиме. Это позволяет в режиме реального времени получать значение дефектности диэлектрика, не прибегая к ручному анализу результатов измерения.
Описание методики. Механизм отказа подзатворного диэлектрика
При приложении электрического поля в подзатворном диэлектрике под действием туннельного тока Фаулера-Нордгейма происходит генерация внутренних дефектов. Достигнув критической плотности в диэлектрике, дефекты приводят к формированию проводящего пути в нем и пробою, который определяется как резкое падение напряжения в структуре (рис.1). Наряду с генерированной дефектностью за счет приложенного поля в диэлектрике могут существовать внешние дефекты, привнесенные в него в процессе производства: металлические и органические загрязнения, механические напряжения, вакансии. При приложении поля к диэлектрику с такими дефектами проводящий путь в нем формируется быстрее и его пробой происходит при более низких значениях напряжения. Большинство ранних отказов транзисторов, связанных с диэлектриком, обусловлено наличием внешних дефектов в диэлектрике, которые значительно ослабляют его диэлектрические свойства. Транзисторы c таким диэлектриком
выходят из строя на начальном этапе эксплуатации ИС или на этапе термоциклиро-вания и электротермотренировки. Плотность внешних дефектов связана с условиями производства и при создании высококачественных диэлектриков должна всегда контролироваться и иметь как можно более низкие значения.
Плотность внешних и внутренних дефектов определяется из накопительного распределения заряда , инжектированного в диэлектрик до момента его пробоя:
*=гь<1
= \ ю, (1)
*=0
где I - стрессовый ток, воздействующий на структуру; ¿ы - время, прошедшее с начала тестирования до пробоя.
Тестовые структуры. Для проведения измерений спроектированы и изготовлены тестовые структуры, представляющие собой МОП-конденсаторы. Данные структуры направлены на один доминирующий механизм физического отказа - пробой подза-творного диэлектрика. Уменьшение последовательного сопротивления и равномерное растекание тока в структуре обеспечивалось за счет набора большого числа распределенных контактов. Для полной и всесторонней оценки качества диэлектрика требуется широкий набор тестовых структур. В состав спроектированного тестового кристалла вошло 12 тестовых структур (4 структуры разной конфигурации с вариацией по 3 площадям диэлектрика). Набор тестовых структур различной площади позволяет проводить контроль дефектности диэлектрика в широком диапазоне значений. Структуры с разным периметром по границе изоляции и диффузии позволяют выявлять источники, привносившие дефектность. Структуры с маленькой площадью диэлектрика служат для оценки времени наработки до отказа подзатворного диэлектрика. Тестовые структуры изготавливались на пластинах КЭФ-4,5 (100). Окисление проводилось в сухом 02 при температуре 950 °С. Толщина диэлектрика составляла 18,0 ± 1,5 нм.
Алгоритм измерения. На рис.2 представлена блок-схема алгоритма тестирования, где сплошной линией показаны блоки, описанные стандартом [1], пунктиром выделены блоки собственной разработки [4].
Начальный тест. В первой части начального теста проводится измерение и анализ сопротивления структуры. К структуре прикладывается напряжение Уа/10 и измеряется ток утечки. Наличие такого теста позволяет выявить грубые дефекты тестовой структуры, которые не имеют отношения к подзатворному диэлектрику. Например, такими дефектами могут быть закоротки металлических шин тестовой структуры. В дальнейшем такие структуры исключаются из расчета дефектности диэлектрика и тем самым повышается точность расчета. Если сопротивление находится ниже контрольного значения, структуре присваивается категория отказа типа Ао.
Если сопротивление структуры находится в пределах нормы, то во второй части теста подается напряжение Ум и измеряется ток утечки /^. Данная часть теста применяется для оценки ранних отказов. Обнаружение высоких токов утечки свидетельствует о наличии проводящих микропутей в диэлектрике, что можно трактовать как потерю диэлектриком своих диэлектрических свойств уже в первые моменты эксплуатации при рабочем напряжении. Такой отказ классифицируется как отказ типа А.
Рис.1. Зависимость измеренного напряжения Утех от времени при приложении ступенчато возрастающего тока к структурам с низкой (-■-) и высокой (-▲-) дефектностью диэлектрика. Толщина диэлектрика 18,5 нм
_I Анализ данных. I _
Переход на новую структуру Р
Рис. 2. Блок-схема алгоритма измерений
Если ток утечки находится в пределах нормы, то в третьей части теста на структуру подается ток и в течение определенного времени измеряется напряжение Утеш. Данная часть теста применяется для выявления потенциально ненадежных структур. Если Утеа!. < Ум, то структуре присваивается категория отказа типа В.
Если структура выдержала испытание во время начального теста, т. е. отказы типа Ло, А и В не были обнаружены, то происходит переход алгоритма тестирования на основной тест.
Основной тест. На данном этапе тестирования возрастающий ток подается ступенчато и на каждой ступеньке тока снимается значение напряжения на затворе Уте!,. После завершения ступенчатой развертки по току из зависимости измеренного напряжения от времени, прошедшего с начала теста Уте!, (), определяется напряжение пробоя диэлектрика У . Далее по известному значению У находится время до момента про-
боя диэлектрика ^ и по формуле (1) определяется заряд его пробоя . Если пробой обнаружен, то определяется тип отказа. Для этого на структуру подается ток и измеряется напряжение Утеш рШ. Если Утеа8 рт{ < Ум, то структуре присваивается категория отказа типа С. В противном случае присваивается категория отказа типа F. Если во время основного теста пробой не обнаружен, происходит переход на завершающий тест.
Завершающий тест. Этот тест необходим для определения состояния тестовой структуры после воздействия основного теста. Для этого на структуру подается ток
и измеряется напряжение Утеах епа. Если Утеах епа < Ум, то структуре присваивается отказ типа D, в противном случае присваивается отказ типа Е.
Анализ данных. Данные анализируются во время измерений по мере набора необходимого числа категорий отказов. На рис.3 показана блок-схема анализа данных.
Расчет дефектности проводится на основе сортировки категорий отказов, полученных из выборки измеренных структур. Численное значение плотности внешних дефектов можно найти на основе интегральной функции распределения заряда пробоя ¥ (ы) - это вероятность того, что пробой произойдет при достижении значения инжектированного заряда . Для нахождения вида ¥ ) необходимо
провести выборку измерений тестовых структур и на основе значений заряда пробоя построить их накопительное распределение. При построении накопительного распределения количество элементов, формирующих выборку, рассчитывается из суммарного количества отказов типа A, B, С, D, так как считается, что именно отказы данного типа являются достоверными с точки зрения пробоя диэлектрика. Отказы типа Л0, E и F не учитываются при построении, однако они несут в себе важную информацию [4]. На практике установлено, что исключение из расчетов дефектности отказов типа Л0 позволило повысить точность расчета дефектности на 5-10 %.
После набора минимального количества статистических данных N(0) строятся накопительные распределения для ¥((¿м ), ¥(1М), ¥(им ). Рассмотрим построение ¥((м ). Функции ¥(1ъа) и ¥(иы) строятся аналогично.
Вид функции распределения ¥(ы) определяется графическим методом в предположении, что ¥((ь, ) имеет распределение Вейбулла [5]. Интегральная функция распределения Вейбулла
Рис. 3. Блок-схема анализа данных
¥ ((и) = 1 - ехр(-1 (I),
а
(2)
где а - параметр масштаба распределения; р - параметр формы распределения.
в координатах по оси ординат
Рис.4. Накопительное распределение выборки структур из пластины 1 и его аппроксимация двумя прямыми для выявления функций распределения
Преобразуем формулу (2) к виду
Ln{- Ln(1 - F (Qbd ))}= PLn(Qbd ) - Ln(a). (3)
Уравнение (3) линейное (y = kx + b), поэтому для аппроксимации накопительного распределения F (Qbd ) прямой линией его необходимо построить Ln{- Ln(1 - F (Qbd ))}, а по оси абсцисс Ln(Qbd) , где Qbd - карман (интервал) значений заряда пробоя - Qbd; F(Qbd) - количество элементов, попавших в некоторый карман по заряду пробоя (накопленная кумулятивная частота) (рис. 4). В общем случае функция распределения заряда пробоя носит бимодальный характер, т.е. является суперпозиций двух функций распределения, одна из которых связана с наличием внутренних дефектов, а другая -внешних (см. рис.4):
F(Qbd ) total = F(Qbd ) external + F(Qbd )internal , (7)
где F(Qbd )total - результирующая функция распределения; F(Qbd) external - функЦия распреДеленИЯ, обусловленная влиянием внешних дефектов;
F (Qbd )int eranal- функЦия распреДеленИЯ, обусловленная влиянием внутренних дефектов [6, 7]. Из аппроксимации накопительного распределения двумя
прямыми можН° найти точку разделения двух распределений F(Qbd )external
и F(Qbd )int eranal - коэффициент отказа FFaiuurExternal. Аппроксимация проводится по методу наименьших квадратов. Точка FFailurExternal (обозначим ее F) определяет процент дефектных структур по подзатворному диэлектрику в результате внешних воздействий. Данная точка позволяет разделить общую дефектность на внутреннюю и внешнюю.
Рассматривая функцию распределения для внутренних дефектов F(Qbd )int eranal как функцию распределения Вейбулла, получаем параметры распределения:
Р1 = Slope, a1 = exp(-c), (8)
где Slope - наклон аппроксимирующей прямой; с - отрезок, отсекаемый аппроксимирующей прямой на оси ординат.
Среднее значение заряда пробоя Qbdaver равно точке пересечения аппроксимирующей прямой F(Qbd)interanal с осью абсцисс и определяет 63,2 % отказов. Qbdaver характеризует время наработки диэлектрика до отказа: чем больше значение Qbdaver, тем больше время наработки до отказа диэлектрика.
Параметр р определяет разброс значения заряда пробоя; чем больше р, тем меньше разброс значения заряда и качественней оксид.
Расчет значения плотности для внешних дефектов выражается формулой
1 - F = Y,
где Y - коэффициент выхода годных структур, зависящий от применяемой статистики и определяющий дефектность по пластине; F - процент дефектных структур по подзатворному диэлектрику, полученный из накопительного распределения F(Qbd).
В предположении, что внешние дефекты по пластине имеют распределение Пуассона, рассчитанная плотность дефектов будет определяться как
D =
- Ln(1 - F)
S :
где S - площадь диэлектрика тестовой структуры.
Чем меньше рассчитанная плотность дефектов ^, тем качественнее оксид и выше
его долгосрочная надежность.
В случае разделения дефектов и выявления границы, привносящей наибольшую дефектность, необходимо составить систему из трех уравнений с тремя неизвестными:
'1 - ¥ = е-^ е-°'рч в'°л 1,
DsS1 e-Dp 2 e-DdPd. - DsS, - DtPt 3 - DdPd 3
1 - F2 = e-DsSl e~DP 2 e" ^% (4)
1 - ¥ = в-^ в'и'р'з в
где ¥ , ¥ , ¥ - процент дефектных структур для каждого типа структур; р - периметр по границе изоляции, х = 1,2,3 - номер структуры; Рйх - периметр по границе диффузии.
Для решения системы уравнений (4) необходимо провести выборку измерений для трех типов структур одной площади, но с разным соотношением периметров по изоляции и диффузии.
Нижнюю границу времени наработки до отказа диэлектрика в транзисторе можно оценить по формуле
Qbdavвr
t'.
1gleak
где Qbdaver - среднее значение заряда пробоя, определенное из накопительного распределения F(Qbd); Igieak - ток утечки через затвор транзистора в рабочем режиме.
Описание программы измерений. Для реализации методики на языке VEE Pro 9.0 написана программа тестирования, позволяющая проводить контроль дефектности под-затворного диэлектрика в автоматическом режиме. Программа имеет свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ [8].
Программа предназначена для проведения автоматизированных измерений тестовых структур в составе пластин с помощью параметрического измерителя Agilent B 1500 и полуавтоматической зондовой станции SUSS PA 300. Программа измеряет заряд пробоя подзатворного диэлектрика и позволяет на основе измеренных данных проводить расчет его дефектности. Ее отличительной особенностью является последовательное автоматизированное проведение измерений и обработка полученных данных. Это позволяет в режиме реального времени получать статистическое распределение и на его основе, по мере набора необходимого числа измерений, рассчитывать дефектность диэлектрика. Также в программе реализованы отдельные модули подпрограмм, позволяющие проводить перерасчет дефектности по разным разработанным алгоритмам, рассчитывать дефектность как по площади, так и по границам изоляции и диффузии, осуществлять связь с программным обеспечением зондовой станции и проводить картирование пластины. После завершения измерений программа формирует Excel-файл отчета для экспорта результатов измерений в базу данных производства.
Апробация методики и программы измерений. Для апробации методики и программы измерений проведено исследование дефектности подзатворного диэлектрика. В разное время с использованием одного и того же технологического процесса изготовлены две пластины с тестовыми структурами. В качестве образцов для измерения использовались структуры с толщиной окисла tox = 18,5 нм и равным периметром по границе изоляции и диффузии P = Pd = 0,16 см. Количество структур, формирующих
<
выборку измерений, составляло 134 штук для каждой пластины. Такое количество структур обеспечивает доверительную вероятностью к числу измерений У0 = 0,99 при желаемом выходу годных ИС с пластины У = 0,9. На рис.5 представлено накопительное распределение заряда пробоя ¥ «ы )Ыа ¿для выборки структур из пластины 1 и выборки структур из пластины 2. В соответствии с описанной методикой из накопительного распределения ¥(<Ъй)Ша1 (см. рис.4) определены ¥(<ы)Ыегап1 и ¥(<ы)ех(егпа1. Оценка качества диэлектрика проводилась по распределению ¥«Ьс1 )Ь1егаи/, из которого
рассчитывались основные параметры распределения (табл.1). Анализ результатов измерений показывает ухудшение качества подзатворного диэлектрика в тестовых структурах на пластине 2, что может являться индикатором, свидетельствующим об уходе параметров технологического процесса и снижении долгосрочной надежности МОП-транзисторов с таким диэлектриком.
Для разделения дефектов с точки зрения их расположения и оценки вклада в общую дефектность подзатворного диэлектрика границы изоляции и границы области диффузии проведено измерение трех типов структур с одной площадью подзатворного диэлектрика толщиной ¿ох = 18,5 нм, но разным соотношением периметров по границе области изоляции и диффузии.
Таблица 1
Параметры распределения для пластин 1 и 2
Номер Площадь Периметр Рассчитанные значения
пластины диэлектрика по изоляции по диффу- Ds, см Р Qbdaver, Кл/см2
S, см2 Pi, см зии Pd, см
1 0,0064 0,16 0,16 82,19 4,32 5,36
2 0,0064 0,16 0,16 205,41 2,51 6,53
Количество измеренных структур, формирующих выборку, составило 134 измерения для каждого типа структур, что обеспечивало доверительную вероятностью к числу измерений У0 = 0,99 при желаемом выходу годных ИС с пластины У = 0,9. На рис.6 представлено накопительное распределение заряда пробоя Е^^ысЛ. для каждого типа структур, в табл.2 приведены их основные параметры и рассчитанные значения параметров распределения. Анализ результатов показывает, что граница по периметру диффузии вносит больший вклад в общую дефектность диэлектрика по сравнению с границей изоляции.
Рис.5. Накопительное распределение заряда пробоя Е^ъ^оы для выборки структур из пластины 1 (-■-) и 2 (-▲-)
Рис.6. Накопительное распределение заряда пробоя F(Qbd)totai для структур TDO (-■-), TDD (-*-), TDI (-▲-)
Таблица 2
Параметры распределения для структур TDO,TDD,TDI
Струк- Площадь Периметр Рассчитанные значения
тура диэлектрика S, см2 по изоляции Pi, см по диффузии Pd, см Р Qbdaver, Кл/см2 Ds, -2 см Di, 10-3 см-1 Dd, 10-3 см-1
TDO 0,0064 0,16 0,16 4,32 5,36
TDI 0,0064 8 1,28 3,79 3,02 81,45 1,69 28,47
TDD 0,0064 1,28 8 2,55 3,12
Заключение. Описанная методика контроля дефектности подзатворного диэлектрика позволяет осуществлять мониторинг параметров технологического процесса производства ИС. Алгоритм измерения и обработки результатов, специальные тестовые структуры, а также автоматизированная программа измерений позволяют проводить контроль дефектности в автоматическом режиме в условиях серийного производства ИС. С помощью разработанной методики можно отслеживать динамику качества под-затворного диэлектрика, его время наработки до отказа, а также вовремя выявлять отклонения в процессах производства и принимать меры по их оптимизации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы»» (ГК № 14.574.21.0115). Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0115.
Литература
1. Jedec Standard JESD 35-A «Procedure for the Wafer-Level Testing of Thin Dielectrics», April 2001.
2. EasyEXPERT & Desktop EasyEXPERT - Technical Overview. -
URL: http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-4178EN.pdf (дата обращения: 03.09.2014).
3. Wafer level reliability testing with the keithley model 4200-SCS parameter analyzer. -URL:http://www.keithley.com/products/semiconductor/parametricanalyzer/characterizationsolutions/?path=420 0-SCS/Documents#1 (дата обращения: 03.09.2014).
4. Сивченко А.С. Разработка методов мониторинга параметров технологических процессов и анализ отказов с помощью ускоренных методов измерений тестовых структур в составе пластин // 15-я Российская науч.-техн. конф. «Электроника, микро - и наноэлектроника». - М.: МИФИ, 2013. - C. 64-67.
5. Wu E.Y., Abadeer W.W., Hueckel G.R. Challenges for accurate reliability projections in the ultrathin oxide regime // International Reliability Physics Symposium. - 1999. - Р. 57-65.
6. Тьюки Д.В. Анализ результатов наблюдений, разведочный анализ: пер.с англ. / Под ред. В.Ф. Пи-саренко. - М.: Мир, 1981. - C. 124-126.
7. Зи С.М. Технология СБИС: в 2-х кн. Кн. 2: пер.с англ. / Под ред. Ю.Д. Чистякова. - М.: Мир, 1986. - C. 397-403.
8. Сивченко А.С. Программа для измерения заряда пробоя подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах и определения дефектности диэлектрика с помощью измеренных данных на тестовых структурах в составе пластин // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014610450 - 2014.
Статья поступила 21 ноября 2014 г.
Сивченко Александр Сергеевич - аспирант факультета электроники компьютерных технологий МИЭТ, младший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: технология микро- и наноэлектроники, параметрические измерения тестовых структур. E-mail: asivchenko@yandex.ru
