Villach, am 13. August 2010

Acknowledgment

First and foremost I want to thank Prof. Tibor Grasser and Dr. Michael Nelhiebel for supervising and supporting me during the entire three years of my PhD thesis. Thank you for all our fruitful discussions, for paper reviewing and for motivation.

I am also very grateful to my colleagues BSc. Schascha Einspieler, DI Gregor Pobegen and DI Stefan Puchner who supported me with measurements and discussions during their internships, master and PhD thesis at KAI.

I thank Prof. Herbert Grünbacher and Dr. Thomas Detzel for giving me the opportunity to join KAI, for providing me an excellent infrastructure and measurement equipment in the lab, and for the great industrial and academic network represented by KAI, Infineon and the TU Vienna.

Last but not least I want to thank all members of my family for financial and mental support. Many thanks, in particular, to my mother and my girlfriend who have always been taking care for me, provided me love and gave me a home.

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.

Abstract

Device degradation and gate oxide reliability has become more and more important in modern semiconductor industry because the challenges for devices increase with miniaturization, larger stress within the circuit, and due to innovative technologies. Besides the reliability of mechanical soldering and wiring, it is of considerable importance to protect the transistor already in the early stages of processing from environmental impurities and mechanical stress. To furthermore guarantee the switching of high currents with minimum power dissipation as well as short-circuit stability, different isolation and metalization layers are deposited in a specific composition and sequence on the active areas of the transistor at the end of device fabrication (back-end of line). It is an accepted fact that different passivation concepts and layer sequences affect the electric characteristics and the reliability of silicon devices, because a lot of hydrogen is incorporated into the system during the back-end process. It is assumed that high temperatures going along with layer deposition and annealing support hydrogen diffusion toward the gate oxide where it may passivate defects within the oxide and at the interface. When subjecting the device afterwards to electrical and thermal stress, the hydrogen may be released again, thereby re-activating previously passivated defects.

Just like any semiconductor manufacturer worldwide, Infineon Villach has repeatedly encountered the problem in the past, and although particular solutions to some technologies have already been found, a global understanding of the underlying physics behind the interplay of processing and degradation is lacking. Because it is likely that new problems with the same roots may become relevant in future technology development, it is of fundamental importance to develop a physically based model which is able to link defect generation and passivation to single process steps.

Besides the above mentioned process impacts, also the physics behind the degradation mechanisms of gate oxide and interface are far from being understood. One of the most important degradation mechanisms is the so-called ‘Negative Bias Temperature Instability’ (NBTI) which leads to time dependent threshold voltage shifts when the gate oxide of the device is stressed at an elevated temperature and bias. NBTI is particularly interesting for the back-end process since it is assumed that the degradation mechanism is closely connected to hydrogen passivation of the Si–SiO interface.

One aim of this PhD thesis is to investigate the role of hydrogen in NBTI and to verify the results by means of process splits. Specific emphasis is put on high voltage (HV) MOSFET devices having 30 SiO gate oxides, as processed at Infineon Villach. Until now the scientific community has mainly been focusing on ultrathin (nitrided or high–) oxides whereas contributions on thicker oxides relevant for power technologies are hardly found in literature.

At first, basic signatures of the ‘Bias Temperature Instability’ (BTI) of 30 SiO devices are collected using common measurement methods and the results are compared to state-of-the-art thinoxide high– technologies. This preliminary study contains considerations on electrostatics and dynamics of degradation and recovery and helps to collect fundamental electric characteristics of emerging defects. A literature study on the current understanding of different species of point defects and their correlation to hydrogen is presented in order to enhance the physical understanding. The collected results are used to develop new measurements setups and experimental procedures which enable us to characterize threshold voltage shifts in various ways and assign the different contributions to certain defect classes with particular attributes. From the data and conclusions a microscopic degradation model is going to be suggested which is capable of explaining (at least qualitatively) the obtained results. In order to include hydrogen, the new measurement routines are performed on different split wafers which provide demonstrably different hydrogen budgets within the gate oxide. The results are cross-checked with the predictions of the suggested microscopic degradation model, agreements are highlighted and conclusions are drawn on the process impact.

The current microscopic model explains device degradation under NBTI as a two stage process, the precursor being an oxygen vacancy defect in the amorphous SiO gate oxide. By subjecting the device to thermal and electrical stress (NBTI) the bond may be broken, thereby creating a positively charged defect. This defect is independent of hydrogen, rechargeable and can be annealed, provided it has been neutralized in advance. The second defect class consists of interface states (dangling bonds) which are created due to field- and temperature-assisted release of hydrogen. Studies suggest that the released hydrogen may become trapped in the broken oxygen vacancy, thereby blocking the relaxation of the oxide defect. These quasi-permanent defects play an important role for the NBTI-stability of a technology since they recover just slowly and only under certain conditions, and due to their correlation to hydrogen, their concentration depends strongly on the back-end process.

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