Способ контроля электрофизических параметров тонких подзатворных пленок диоксида кремния

Использование: для определения параметров слоев подзатворного диэлектрика. Сущность изобретения: в способе контроля качества тонких слоев подзатворного диэлектрика, позволяющем определять совокупность электрофизических параметров большого количества МДП-структур по всей пластине за один ее обход, измерения предпробойной ВАХ МДП-структуры, напряжения пробоя подзатворного диэлектрика и заряда, инжектированного в подзатворный диэлектрик до его необратимого пробоя, определяют в едином процессе измерения. Техническим результатом изобретения является определение электрофизических параметров МДП-структуры в одном измерительном цикле, позволяющем сократить время определения характеристик подзатворного диэлектрика на пластине. 2 табл.

 

Изобретение относится к электрофизическим методам контроля параметров тонких подзатворных диэлектриков, в частности к методам контроля электрической прочности и долговечности подзатворного оксида МОП-транзистора.

В производстве КМОП СБИС с подзатворным диэлектриком толщиной 500 и менее необходимо иметь информативные высокопроизводительные методики контроля качества затворных систем с целью аттестации технологического процесса и оборудования.

Известен способ контроля надежности диэлектрической пленки затвора (Abadeer, Wangli W., International Business Machines Corporation, 324-719, US 9814317, 27.01.1998), основанный на оценке долговечности диэлектрической пленки затвора полупроводникового прибора, в котором на группу тестовых элементов подают группу тестовых напряжений смещения и измеряют соответствующие токи в пленках и определяют соотношение между токами и соответственно долговечность структуры.

Известен способ контроля времени до деградации подзатворного диэлектрика (Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)), основанный на контроле времени, прошедшего с момента приложения к тестовой МДП-структуре напряжения смещения до момента необратимого электрического пробоя (разрушительного пробоя) подзатворного диэлектрика (Time Dependent Breakdown of Ultrathin Gate Oxide, Abdullah M. Yassine, IEEE Transactions On Electron Devices, vol.47, No 7, July 2000). Являясь современным способом контроля качества подзатворного диэлектрика, информативным и достаточно производительным, способ исследования зависимого от времени пробоя диэлектрика, разработанный во второй половине 80-х годов, широко используется рядом зарубежных и отечественных производителей СБИС и позволяет контролировать дефектность подзатворного диэлектрика, аттестовывать технологическое оборудование и процесс создания затворных систем, прогнозировать надежность СБИС при их эксплуатации. Метод основан на контроле интервала времени, проходящего с момента приложения к МДП-структуре напряжения, несколько меньшего пробивного до момента пробоя подзатворного диэлектрика. Контроль проводят на большом количестве МДП-структур (100 и более) по всей площади кремниевой пластины, что позволяет отделить МДП-структуры, содержащие скрытые дефекты в подзатворном диэлектрике от структур с практически бездефектным диэлектриком.

Известен способ прогнозирования надежности окисла под воздействием отрицательного смещения при напряженности электрического поля 12 MB/см (Yoshiko Yoshida, Mikihiro Kimura, Morihiko Kume, Hidekazu Yamomoto, Test Structure for the Evaluation of Si Substrates, IEICE Trans. Electron., Vol. E79-C, No 2, February 1996).

Известен способ оценки качества тонких термически выращенных пленок SiO₂ с помощью контроля вольтфарадных характеристик, вольтамперных характеристик, зависимого от времени электрического пробоя и эллипсометрических измерений толщины диоксида кремния (Chiou-Feng Chen, Ching-Yuan Wu, Ming-Kwang Lee, Chuen-Nam Chem, The Dielectric Reliability of Intrinsic Thin SiO₂ Films Thermally Grown on a Heavily Doped Si Substrate-Characterization and Modeling, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. Ed34, No 7, July l987).

Основным недостатком существующих способов контроля электрофизических характеристик МДП-структур является значительная длительность процесса измерения, вызванная необходимостью раздельного определения таких характеристик, как напряженность электрического поля пробоя диэлектрика, предпробойная вольт-амперная характеристика, длительность времени до разрушительного пробоя диэлектрика. Вследствие этого невозможно оперативно получать необходимую информацию о свойствах тонкой подзатворной двуокиси кремния, что существенно замедляет обратную связь с технологическим процессом создания затворных систем.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является определение всей совокупности электрофизических параметров МДП-структур на пластине за один обход пластины и существенного сокращения времени до разрушительного пробоя подзатворной двуокиси кремния. Предлагаемое решение осуществляется в следующей последовательности:

- измеряется высокочастотная вольтфарадная характеристика (ВЧ ВФХ) МДП-структуры и определяются ее электрофизические параметры, в частности толщина подзатворной двуокиси кремния;

- к МОП-структуре прикладывается линейно возрастающее напряжение и измеряется предпробойная ВАХ МДП-структуры в диапазоне малых плотностей токов (от 1·10^-5 А/см² до 1 А/см²);

- при установленном значении плотности тока через диэлектрик МДП-структуры определяется напряжение пробоя подзатворной SiO₂;

- определяется напряжение необратимого (разрушительного) пробоя подзатворного диэлектрика;

- постоянно в процессе протекания тока через МДП-структуру подсчитывается суммарный заряд, прошедший через нее до разрушительного пробоя и который фиксируется после разрушительного пробоя.

После деградации подзатворной двуокиси кремния переходят к определению параметров следующей МДП-структуре на пластине.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в определении электрофизических параметров МДП-структуры в одном измерительном цикле, позволяющем существенно сократить время определения характеристик подзатворного диэлектрика на пластине. Поставленная задача решена с помощью сочетания современных электрофизических методов контроля параметров МДП-структур.

Таким образом, в результате проведения комплекса измерений определяют следующие параметры большого количества МДП-структур на контрольной пластине:

- емкость МДП-структур в режиме сильного обогащения;

- толщина подзатворного диэлектрика, определенная при заданной диэлектрической проницаемости;

- напряжение плоских зон МДП-структур;

- эффективная плотность поверхностного заряда на границе кремний-диэлектрик;

- концентрация легирующей донорной (акцепторной) примеси в приповерхностном слое кремния;

- напряжение пробоя подзатворного диэлектрика при заданном значении плотности тока;

- напряжение разрушительного пробоя подзатворного диэлектрика;

- длительность интервала времени до полной деградации подзатворного диэлектрика;

- величина заряда, инжектированного в подзатворный диэлектрик до его разрушающего пробоя.

Для аттестационного контроля технологических процессов, создания затворных систем, в частности, окисления под затвор, должны использоваться пластины-спутники с МДП-структурами с площадью полевого электрода от 1·10^-5 см² до 1·10^-2 см². МДП-структура должна имитировать структуру реального МДП-транзистора, то есть тонкий подзатворный диэлектрик должен создаваться в окнах в достаточно толстом локальном диоксиде кремния. Полевой электрод должен частично выходить на толстый диэлектрик, что позволит уменьшить влияние краевых эффектов, а в некоторых случаях исследовать влияние заряда в окисле по краям подзатворной области на надежностные характеристики затворных систем. В качестве материала полевого электрода желательно использовать материал затворов МДП-транзисторов, в частности поликристаллический кремний.

ПРИМЕР 1. 8 пластин (кремниевые подложки марки КЭФ-4,5, кристаллографической ориентации (100) диаметром 150 мм) с МДП-структурами на основе тонкой подзатворной SiO₂ толщиной около 250 (пластины 1-4) и 200 (пластины 5-8), выращенной в окнах в полевом окисле. Площадь полевых электродов из n+Si* над тонким окислом в окнах в толстом полевом окисле составляла 4е-4 см².

Конкретные результаты измерений суммированы в таблице 1, где приведены средние значения напряжений пробоя (по 69-ти МДП-структурам при токе 0.01 мА) и напряженностей электрического поля пробоя подзатворной SiO₂, среднеквадратичные отклонения от средних значений и количество МДП-структур на пластине, напряженность поля пробоя которых выше 8·10⁶ В/см и ниже 2·10⁶ В/см. Значения d_ox получены из измерений ВЧ ВФХ МДП-структур, усредненных по пяти областям. В таблице 2 приведены времена до полной деградации 50% и 90% всех проконтролированных МДП-структур на пластинах (F=N/69 и соответствует отношению деградировавших МДП-структур ко всем МДП-структурам).

Способ контроля качества тонких слоев подзатворного диэлектрика, позволяющий определять совокупность электрофизических параметров большого количества МДП-структур по всей пластине, причем сначала измеряют высокочастотную вольтфарадную характеристику (ВЧ ВФХ) МДП-структуры и определяют ее электрофизические параметры, в частности, толщину подзатворного диэлектрика, затем определяют плотность заряда (Q) как интеграл тока по времени , измеряют предпробойную вольтамперную характеристику (ВАХ) МДП-структуры в диапазоне малых плотностей токов (от 10^-5 А/см² до 1 А/см²) прикладывая к МДП-структуре линейно-возрастающее напряжение, определяют напряжение обратимого пробоя подзатворного диэлектрика, при назначенном значении плотности тока через диэлектрик МДП-структуры, определяют напряжение необратимого (разрушительного) пробоя подзатворного диэлектрика, подсчитывают заряд, прошедший через структуру, отличающийся тем, что предпробойную вольтамперную характеристику (ВАХ) МДП-структуры, напряжение пробоя подзатворного диэлектрика и заряд, инжектированный в подзатворный диэлектрик до его необратимого пробоя, измеряют в едином процессе.