DD278704A3 - Verfahren zur messung der minoritaetstraegerlebensdauer von mis-testkondensatoren - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Messung der Minoritaetstraegerlebensdauer an MIS-Kondensatoren ist in der Prozesskontrolle im Zyklus 1 des Fertigungsprozesses von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen und in der Labormesstechnik fuer die Forschung und Entwicklung zur Halbleitertechnologie einsetzbar. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem eine Siliciumscheibe mit Teststrukturen, die aus Metall-Isolator-Silicium-Kondensatoren bestehen, vor der Messung einer Koronaentladung ausgesetzt wird, die eine Polaritaet entgegengesetzt der Polaritaet der Majoritaetsladungstraeger aufweist und in der Umgebung des MIS-Testkondensators eine Isolatorfeldstaerke unterhalb 4 MV/cm erzeugt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren zur Messung der Minoritätsträgerlebensdauer an MIS-Testkondensatoren ist in der Prozeßkuntroile im Zyklus 1 des Fertigungsprozesses von Halbleiterbauelementen sowie integrierten Schaltkreisen und in der Labormeßtechnik für Forschung und Entwicklung zur Halhleitertechnologie einsetzbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Zur Bestimmung des den MIS-Testkondensator charakterisierenden Parametersatzes (Oxidschichtdicke, Halbleiterdotierung, Profil der Dotandenverteilung, feste und bewegliche Oxidladung, umladbare Grenzflächentraps, Oxidtraps, Minoritätsträgerlebensdauer bzw. Generationsrate und deren örtliche Verteilung) hat sich die Hochfrequenz-Kapazitäts-Spannungs-Messung (HF-CV-Messung) in der Prozeßmeßtechnik durchgesetzt.

Aift mehreren Arbeiten wird ersichtlich, daß die Minoritätsträgerlebensdauer sehr starken Schwankungen unterliegt und von der Gestaltung der Teststrukturen selbst beeinflußt wird.

Das Kernproblem liegt darin, den Generationsraum der Minoritätsträger exakt der Geometrie der Metallelektrode des MIS-Testkondensators anzupassen bzw. diesen zu begrenzen.

Geringe Abweichungen des Generationsraumes von der Geometrie der Deckelektrode des MiS-Kondensators führen zu erheblichen Fehlereinflüssen, bis hin zur Verhinderung der Registrierung der Lebensdauer.

Von Small und Pierret (Solid-State-Elecctron. 19 (1976); S.505) wurdo vorgeschlagen, ineinandergeschaltete MIS-Kondensatoren, bestehend aus dem eigentlichen MIS-Kondensator und MIS-Kondensatoren als Meßringe, die den Generationsraum geeignet festlegen sollen, zu benutzen. Durch zeitaufwendige Mehrfachmessung mit verschiedenen Potentialbeaufschlagungen an den Testkondensatoren werden unterschiedliche Generaticnsräume erzeugt. Über ein abgeleitetes Gleichungssystem, das ungesicherte Annahmen enthält, wird eine Minoritätsträgerlebensdauer bestimmt. Um die Flächen zwischen den einzelnen Kondensatorringen ebenfalls gezielt mit Potential zu beaufschlagen, wird als Hilfsmittel eine Befeuchtung der Isolatoroberfläche vorgeschlagen, um die Anschlußbedingungen herzustellen (DD-WP 211462). Diese Verfahrensweise besitzt praktisch erhebliche Nachteile. Bei der Befeuchtung der Isolatoroberfläche in der Umgebung der Teststruktur kann es sehr schnell zu Verunreinigungen mit Alkaliionen Kommen. Werden danach Messungen zur Bestimmung der Alkaliverunreinigung (z. B. TVS-Messungen) durchgeführt, sind die Meßwerte verfälscht. Ebenso besteht bei bestimmten Proben die Gefahr der irreversiblen Erhöhung der Oberf lächenleitfähigkeit, was nachfolgende hochohmige Messungen verhindert. Da jede Teststruktur einzeln vor der Messung durch Beblasen mit Stickstoff stabilisiert werden muß, entsteht ein erheblicher Zeitaufwand pro Meßstruktur, und die statistische Erfassung der Meßdaten für die Siliciumscheibe ist praktisch nicht möglich. Die Durchführung einer ausführlichen Statistik pro Siliciumscheibe ist aber auf Grund der statistisch verteilten Minoritätsträgerlebensdauer notwendig und sichert erst den Aussagewert der Messung. Des weiteren ist die Herstellung von ineinandergeschachtelten MIS-Kondensatoren bei Verwendung von Durchdampfmasken oder Hg-Sonden technologisch schwer bzw. nicht zu realisieren.

Von Eades, Shottund Swanson (IEEE Electron. Dev. 30 (19831; S. 1274) wird die Verwendung von mehreren MIS-Kondensatoren mit unterschiedlichem Fläche/Rand-Verhältnis vorgeschlagen. Nach Messung der Lebensdauer an den einzelnen MIS-Testkondensatoren wird durch Einrechnung der Geometrie der Kondensatoren eine geeignete Korrektur der Lebensdauer auf rechnerischem Wege durchgeführt. Dieses Verfahren ist ebenfalls durch Mehrfachmessung gekennzeichnet und für bestimmte Kontrollabläufe, wie z.B. bei Verwendung von Hg-Sonden, schwer einsetzbar. Als sehr kritisch muß auch die mögliche Verfälschung der Ergebnisse durch örtlich schwankende Lebensdauern angesehen werden, was durch die Verknüpfung unterschiedlich gelegener MIS-Testkondensatoren zustande kommt.

Einige Autoren gehen von MIS-Testkondensatoren aus, die durch überlappende Schutzringe gekennzeichnet sind. Zur Herstellung der Schutzringe, die die MIS-Testkondensatoren überlappen, ist eine Mehrebenenmetallisierung mit geeigneten Zwischenebenenisolatoren notwendig. Durch Anlegen entsprechender Potentiale an die überlappenden Elektroden werden die Generationsräume festgelegt. Diese Mehrebenenmetallisierung ist durch einen für Prozeßkontrolltechnologien untragbaren technologischen Aufwand gekennzeichnet. Die erforderlichen nachträglichen Herstellungsschritte können darüber hinaus zur Verfälschung der gesuchten Parameter führen.

In der Halbleitertechnik ist die Anwendung von Koronaentiadungen vereinzelt vorgeschlagen worden.

In der DE-AS 1589901 wird die Koronaentladung zur Begünstigung der Herstellung von Transistoren mit hoher Durchbruchspannung und großem Stromverstärkungsfaktor vorgeschlagen. Diese Koronaaufladung bezweckt starke Korrekturen der Transistorparameter während der Herstellung, um diese in einen für die Funktionsfähigkeit notwendigen Bereich zu bringen.

Dieser Aufladevorgang (A jfladehöhe 300V) führt an den Isolatorschichten zu erheblichen Degenerationserscheinungen.

Deshalb wurden Mehrfachaufladungen angewandt, um Potentialdriften zu überwinden und einen Sättigungszustand zu erreichen. Dieser Zustand entspricht dem Sättigungszustand der Degeneration (Alkaliionendrift und Generation von Trapzuständen). Auf Grund dieser Probleme wurde dieses Verfahren in der Halbleitertechnik nicht angewandt und auch nicht weiterentwickelt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, im Rahmen der Kontrolltechnologie und der Prozeßkontrolle der Mikroelektronikfertigung eine fehlerfreie Bestimmung der Minoritätsträgerlebensdauer an MIS-Testkondensatoren mit geringem technologischen- und Zeitaufwand zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für die fehlerfreie Bestimmung der Minoritätsträgerlebensdauer notwendige exakte Begrenzung des Generationsraumes auf die Geometrie der Deckelektrode mit geringem technologischem- und Zeitaufwand zu ermöglichen, ohne dabei die restlichen Parameter des MIS-Kondensators zu verfälschen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Siliciumscheibe mit Teststrukturen, die aus Metall-Isolator-Silicium-Kondensatoren bestehen, vor der Messung einer Koronaentladung ausgesetzt wird, die eine Polarität entgegengesetzt der Polarität der Majoritätsladungsträger der Siliciumscheibe aufweist.

In der Umgebung der Teststruktur wird eine Isolatorfeldstärke unterhalb 4 MV/cm erzeugt. Danach kann die Messung der Minoritätsträgerlebensdauer an allen MIS-Testkondensatoren ungestört durchgeführt werden, ohne daß die Koronaentladung wiederholt werden muß.

Zur Erzeugung der Koronaentladung befindet sich gegenüber der Oberfläche der Siliciumscheibe mit MIS-Testkondensatoren eine Koronaelektrode, während die Siliciumscheibe, auf einem metallischen Tisch liegend, die Gegenelektrode bildet. Die Koronaentladung kann in einer Entladevorrichtung oder direkt in der abgeschirmten Meßzelle realisiert werden.

Die Koronaentladung muß eine Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Majoritätsladungsträger aufweisen. Die entstehende Anreicherung beseitigt Inversionsladungsträger in der Umgebung der MIS-Testkondensatoren, die mit dem MIS-Testkondensator wechselwirken könnten, d.h., der Generationsraum wird exakt auf die Geometrie der Deckelektrode begrenzt.

Die Polarität dei Ladungen, die auf der Isolatoroberfläche angelagert werden, stimmt mit der Polarität der Koronaelektrode überein und wird als Polarität der Koronaentladung bezeichnet. Strom und Dauer der Entladung sind so begrenzt, daß die gleichzeitig aufgeladenen MIS-Testkondensatoren nicht durch die Entladungsinstabilitäten und lokale Überladungen geschädigt werden. Die richtig bemessene Koronaentladung führt weder zu Alkaliverunreinigungen noch zu Veränderungen der Oxid- und Grenzflächeneigenschaften, die die Messung der Minoritätsträgerlebensdauer unmöglich machen können.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel weiter erläutert

Es zeigt

Fig. 1: einen MIS-Testkondensator nach der Aufladung für eine Hochfrequenzkapazitätsmessung.

Zur Messung liegt eine oxidierte p-Typ-Siliciumscheibe 1 (SiO₂-Dicke 70nm) vor, die unter Verwendung einer Maske mit einer Deckelektrode 3 (Durchmesser 300Mm) aus Aluminium bedampft wurde. Durch Hochfrequenz (HF)-Kapazitäts-Spannungs(C/V)-Messung sind Dotierung, Flachbandspannung, Midgapspannung und die zugehörigen Ladungen zu bestimmen. Mittels Kapazitäts-Zeit(C/t)-Messung soll die Volumengenerationsrate bzw. die Minoritätsträgerlebensdauer ermittelt werden.

Zur Messung wird die Siliciumscheibe 1 auf einen metallischen Probentisch in einer Koronavorrichtung gebracht. An die 2cm über der Siliciumscheibe 1 befindlichen Koronaspitze wird für 10s eine gegenüber dem Probentisch negative Hochspannung gelegt, wobei der Entladestrom auf 0,3 μΑ eingestellt wird, was einer Spannung von etwa 4 kV entspricht. Dabei erreicht die Oberfläche der SiO₂-Schicht 2 durch die Oberfläche.!ladung 4 ein Potential von - 10V gegenüber dem Silicium. Durch die von den Oberflächenladungen ausgehenden Feldlinien wird der Generationsraum exakt auf die Geometrie der Deckelektrode 3 des Testkondensators begrenzt. Bei normaler Oxidqualität und gewöhnlicher Laborluft hält dieser Zustand mindestens einige Tage

Die jetzt durchgeführten Hochfrequenz (HFl-Kapazitäts-SpannungslC/Vl-Messungen zeigen, daß solche Parameter des Testkondensators, wie Oxid- und Grenzflächeneigenschaften, durch diese Koronaaufladung unbeeinflußt bleiben. Auch TVS-Messungen weisen keine erhöhten Alkaliionenpegel nach.

Die nun durchgeführten Kapazitäts-Zeit(C/t)-Messungen ergeben eine Minoritätsträgerlebensdauer von 95 ps. Die Messung ohne Koronaentladung ergab eine Minoritätsträgerlebensdauer von 1 \is.

Weitere Messungen an benachbarten Testkondensatoren zeigen, daß auch hier keine Degeneration der MOS-Parameter vorliegt.

Die an diesen Testkondensatoren durchgeführten C/t-Messungen zeigen, daß auch hier die parasitären Generationsräume durch diese Koronaaufladung beseitigt werden.

Damit ist die Anwendung eines automatischen Meßsystems in Verbindung mit einem „wafer prober" für eine statistisch relevante Zahl von Testelementen zeiteffektiv möglich.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Messung der Minoritätsträgerlebensdauer an MIS-Testkondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siliciumscheibe mit Testkondensatoren vor der Messung einer Koronaentladung ausgesetzt wird, die eine Polarität entgegengesetzt der Polarität der Majoritätsladungsträger aufweist und in der Umgebung des MIS-Testkondensators eine Isolatorfeldstärke unterhalb 4MV/cm erzeugt.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung