Kurzfassung

Bauelement -Degradation und Gateoxid Zuverlässigkeit spielen in der modernen Halbleiterindustrie eine zunehmend wichtige Rolle, da die Anforderungen an die Bauteile mit zunehmender Miniaturisierung, höheren Belastungen in der Schaltung und innovativen Technologieentwicklungen stetig steigen. Neben der Zuverlässigkeit von mechanischen Lötstellen und Verdrahtungen im Produkt, ist es besonders wichtig, den Transistor schon in einem früheren Stadium der Prozessierung gegen Umweltkontaminationen und mechanische Verspannungen zu schützen. Um nebenbei noch die verlustarme Schaltung von hohen Strömen sowie Kurzschlussfestigkeit gewährleisten zu können, werden am Ende der Prozessierung eines Leistungshalbleiters (back-end of line) verschiedene Isolations- und Metallisierungsebenen (layer stacks) in einer gut durchdachten Zusammensetzung und Reihenfolge auf die elektrisch aktiven Bereiche des Transistors aufgebracht. Es ist bekannt, dass sich verschiedene Passivierungskonzepte und Schichtsequenzen auch auf die elektrische Charakteristik und Zuverlässigkeit des Siliziumbauteils auswirken, da im back-end Prozess Wasserstoff in grossen Mengen in das System eingebracht wird. Es wird angenommen, dass hohe Temperaturen, wie sie zum Beispiel bei der Abscheidung und dem thermischen Ausheilen auftreten, den eingebrachten Wasserstoff in Richtung Gateoxid diffundieren lassen, wo er Defekte im Oxid oder an der Grenzfläche absättigen kann. Unter elektrischem und thermischem Stress kann sich dieser Wasserstoff jedoch in weiterer Folge wieder ablösen, wodurch zuvor passivierte Defekte wieder freigelegt werden.

So wie viele Halbleiterhersteller weltweit, hat sich auch Infineon Villach in der Vergangenheit wiederholte Male mit dieser Problematik auseinandergesetzt und obwohl einzelne empirische Lösungsansätze für bestimmte Technologien bereits vorliegen, fehlt noch immer ein globales Verständnis der zugrundeliegenden Physik vom Wechselspiel zwischen Prozessierung und Bauelement-Degradation. Da zu erwarten ist, dass neue Probleme ähnlicher Natur bei zukünftigen Technologien auftreten werden, ist es besonders wichtig, ein physikalisch fundiertes Modell zu entwickeln, dass die Zusammenhänge von Defektgeneration und Passivierung mit einzelnen Prozessschritten in Verbindung bringt.

Neben den oben erwähnten Prozesseinflüssen ist auch die Physik hinter den Schädigungsmechanismen von Gateoxid und Grenzfläche noch lange nicht verstanden. Einer der wichtigsten Degradationsmechanismen ist die sogenannte ‘Negative Bias Temperature Instability’ (NBTI), die bei Belastung des Gateoxid mit hoher Temperatur und Spannung zeitabhängige Einsatzspannungdriften verursacht. NBTI ist in Hinblick auf den back-end Prozess von besonderem Interesse, da angenommen wird, dass die Degradation in unmittelbaren Zusammenhang zur Wasserstoffpassivierung der Si–SiO Grenzfläche steht.

Ein Ziel dieser Dissertation ist es, die Rolle des Wasserstoffs bei der Bauelement-Degradation (NBTI) zu untersuchen und die Erkenntnisse anhand von Prozesssplits zu verifizieren. Ein spezielles Augenmerk liegt dabei auf Hochvolt (HV) MOSFET Bauelementen mit 30 SiO Gateoxiden, wie sie bei Infineon Villach gefertigt werden. Bisweilen konzentrierte sich die Literatur vor allem auf ultradünne (nitridierte oder high–) Oxide, wohingegen Power Technologien bislang kaum untersucht wurden.

Zu Beginn werden grundlegende Signaturen der ‘Bias Temperature Instability’ (BTI) mit herkömmlichen Messmethoden auf 30 SiO Bauelementen zusammengetragen und mit Resultaten neuerer Dünnoxid high– Technologien verglichen. Diese einleitende Studie beinhaltet Überlegungen zur Elektrostatik und Dynamik von Degradation und Recovery und dient dazu, fundamentale elektrische Eigenschaften der auftretenden Defekte zu erfassen. Ein Literaturüberblick über das gegenwärtige mikroskopische Bild verschiedener Arten von Punktdefekten und deren Wechselwirkung mit Wasserstoff soll in weiterer Folge das physikalische Verständnis vertiefen. Die gesammelten Erkenntnisse werden dann benutzt, um neue Messvorschriften und experimentelle Prozeduren zu entwickeln, mit denen man in der Lage ist, Einsatzspannungsdriften auf verschiedene Arten zu charakterisieren und die jeweiligen Anteile bestimmten Defektklassen mit speziellen Eigenschaften zuzuordnen. Anhand der Daten und Schlussfolgerungen wird ein mikroskopisches Degradationsmodell vorgeschlagen, das (zumindest qualitativ) in der Lage ist, das Beobachtete anschaulich zu erklären. Um die Brücke zum Wasserstoff zu schlagen, werden die neuen Messmethoden auf verschiedene Prozesssplits angewandt, welche nachweislich über unterschiedliche Wasserstoffhaushalte im Gateoxid verfügen. Die Resultate werden mit den Vorhersagen des vorgeschlagenen mikroskopischen Degradationsmodells verglichen, Übereinstimmungen werden aufgezeigt und Schlussfolgerungen über den Prozesseinfluss werden gezogen.

Das aktuelle mikroskopische Model beschreibt die Bauelement-Degradation unter NBTI als einen Zweistufenprozess, dessen Ausgangsdefekt eine Sauerstofffehlstelle (oxygen vacancy) im amorphen SiO Gateoxid ist. Unter thermischen und elektrischen Stress (NBTI) kann die verspannte Fehlstelle aufbrechen, wodurch ein positiv geladener Defekt im Oxid entsteht. Dieser Defekt ist unabhängig von der Wasserstoffpassivierung, kann umgeladen werden und wieder ausheilen, vorausgesetzt, er wurde zuvor elektrisch neutralisiert. Die zweite Defektklasse besteht aus Grenzflächenzuständen (dangling bonds), die durch feld- und temperaturunterstützes Ablösen von Wasserstoff erzeugt werden. Untersuchungen deuten darauf hin, dass sich der abgelöste Wasserstoff mit einer aufgebrochenen Sauerstofffehlstelle verbinden kann, wodurch die Ausheilung des Oxiddefekts blockiert wird (locked-in oxide defect). Diese dadurch entstehenden quasi-permanenten Defekte spielen eine wichtige Rolle für die NBTI-Stabilität einer Technologie, da sie nur langsam und nur unter bestimmten Voraussetzungen ausheilen und wegen ihres Wasserstoffbezugs stark vom back-end Prozess abhängen.