DE10354939A1

DE10354939A1 - Verfahren zur Zuverlässigkeitsprüfung

Info

Publication number: DE10354939A1
Application number: DE10354939A
Authority: DE
Inventors: Rolf-Peter Vollertsen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: DE10354939B4; US20040104731A1; US6806720B2

Abstract

Ein Verfahren zur Zuverlässigkeitsprüfung wird offenbart. Es wird ein kritischer Durchbruchswiderstand eines Bauelements bestimmt. Die Prüfstruktur wird Belastungsbedingungen unterworfen und elektrisch geprüft. Die kritische Durchbruchszeit der Prüfstruktur wird aufgezeichnet, wenn der Arbeitswiderstand der Prüfstruktur kleiner oder gleich dem kritischen Durchbruchswiderstand ist.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterbauelemente. Insbesondere betrifft die Erfindung die Zuverlässigkeitsprüfung von integrierten Halbleiterschaltungen (ICs) und Komponenten davon.

Zuverlässigkeitsprüfungen werden durchgeführt um sicherzustellen, daß Produkte ordnungsgemäß ausgelegt und montiert sind, indem Prüfstrukturen Belastungsbedingungen ausgesetzt werden, die potentielle Ausfallmechanismen beschleunigen. Ein Ausfall kann durch die Verschlechterung einer Dielektrikumsschicht auf einem halbleitenden oder leitenden Substrat bei beispielsweise integrierten Metall-Oxid-Halbleiter-Schaltungen (MOS-ICs) verursacht werden. Die aggressive Skalierung der Dicke der Dielektrikumsschicht hat bewirkt, daß die Zuverlässigkeit von zunehmend dünneren Dielektrika bei Zuverlässigkeitsprüfungen von Halbleiter-ICs immer wichtiger wird.

Die Verschlechterung der Dielektrikumsschicht im Laufe der Zeit bewirkt, daß sie ihre isolierenden Eigenschaften verliert, was zu einem größeren Leckstrom führt, was die Lebensdauer des Bauelements begrenzen kann. Langzeit-Ausfallraten werden oftmals auf der Grundlage der Bestimmung der kritischen Durchbruchszeit der Dielektrikumsschicht vorhergesagt. Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Zuverlässigkeitsprüfung durchgeführt, indem eine Dielektrikumsschicht stark beschleunigten Belastungsbedingungen wie etwa hohen Temperaturen oder Spannungen ausgesetzt wird. Der Leckstrom wird bis zum ersten Stromanstieg beispielsweise nach der Zeit t₀ ständig gemessen. Diese Stromerhöhung kann, wie in 1 gezeigt, relativ gering sein, oder sie könnte eine große Erhöhung sein, die eine Übereinstimmung mit der Stromversorgung erreicht. In dem ersten Fall, der meistens in Dielektrika anzutreffen ist, die dünner sind als 5,5 nm, kann die Dielektrikumsschicht nach t₀ aufeinanderfolgende Durchbrüche erfahren, was zu weiteren Stromanstiegen führt. Das Kriterium für das Bestimmen der kritischen Durchbruchszeit ist das erste Einsetzen eines Stromanstiegs beim Zeitpunkt t₀.

Die so definierte kritische Durchbruchszeit der Dielektrikumsschicht bewirkt jedoch nicht notwendigerwiese, daß die Schaltung oder das Bauelement nicht arbeitsfähig ist oder seine Funktionalität verliert. Es wurde beispielsweise in B. Kaczer et al., „Impact of MOSFET Oxide Breakdown on Digital Circuit Operation and Reliability", IEDM Technical Digest, S. 553–556 (2000), was zu allen Zwecken durch Bezugnahme hier aufgenommen ist, beobachtet, daß eine Ringoszillatorschaltung selbst dann weiterarbeitet, wenn eine Reihe ihrer Transistoren einen schweren Durchbruch des Gateoxids erfahren haben.

Die Größe des Stroms (z.B. I_m) nach dem Dielektrikumsdurchbruch ist möglicherweise nicht so groß, daß ein Ausfall verursacht wird. Die Größe des Leckstroms wird durch die Schaltungsumgebung des Bauelements beeinflußt, die beispielsweise den Ansteuerstrom oder die kapazitive Belastung der Schaltung beinhaltet. Die Toleranz gegenüber Stromerhöhungen variiert bei verschiedenen Schaltungen erheblich, und einige Schaltungen sind gegenüber dem Abbau von Rausch- und Spannungsabständen weniger empfindlich als andere. Die auf diesem Kriterium basierte Hochrechnung der Lebensdauer ist im allgemeinen sehr konservativ, da sie die Schaltungsumgebung des Bauelements in spezifischen Anwendungen nicht berücksichtigt.

Wie aus der vorausgegangenen Erörterung hervorgeht, ist es somit wünschenswert, ein Verfahren zur Zuverlässigkeitsprü fung bereitzustellen, das präziser und relevanter für die IC-Anwendung ist.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zuverlässigkeitsprüfung. Gemäß der Erfindung wird ein kritischer Durchbruchswiderstand eines Bauelements bestimmt, wobei der kritische Durchbruchswiderstand den Ausfall einer Schaltung verursacht. Die Prüfstruktur wird dann Belastungsbedingungen ausgesetzt. Der Arbeitswiderstand der Prüfstruktur wird wiederholt bestimmt. Eine kritische Durchbruchszeit wird aufgezeichnet, wenn der Arbeitswiderstand gleich oder kleiner dem kritischen Durchbruchswiderstand ist. Die Zuverlässigkeit des Bauelements wird aus der kritischen Durchbruchszeit bestimmt.

1 zeigt eine graphische Darstellung, die die zeitliche Änderung des Stroms einer beschleunigten Belastungsbedingungen unterworfenen Dielektrikumsschicht und die herkömmliche Bestimmung der kritischen Durchbruchszeit darstellt;
2 zeigt eine Prüfstruktur, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geprüft wird;
3 zeigt ein Flußdiagramm des Prüfverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
4 zeigt eine graphische Darstellung, die die zeitliche Änderung des Stroms einer beschleunigten Belastungsbedingungen unterworfenen Dielektrikumsschicht und die Bestimmung der kritischen Durchbruchszeit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Zuverlässigkeitsprüfung von Halbleiter-ICs und Komponenten dieser. Gemäß der Erfindung berücksichtigt das Verfahren der Zuverlässigkeitsprüfung das Gesamtdesign der Schaltung, um den Zeitpunkt des Ausfalls vorherzusagen. Der Effekt des durch den Durchbruch in dem Dielektrikum verursachten Stromlecks hängt von dem Schaltungsdesign ab, wie oben erörtert. Das Bauelement kann nach dem ersten Durchbruch des Dielektrikums immer noch einen hohen Widerstandswert aufweisen, was keinen unmittelbaren Ausfall der Schaltung verursacht. Gemäß der Erfindung ist die Zuverlässigkeit des Bauelements durch einen kritischen Durchbruchswiderstand gekennzeichnet, der bewirkt, daß die Schaltung ausfällt oder ihre Funktionalität verliert.
Die Zuverlässigkeit des Bauelements wird bestimmt, indem Prüfstrukturen stark beschleunigten Belastungsbedingungen unterworfen werden. Die Prüfstruktur umfaßt ein halbleitendes oder leitendes Substrat und eine auf dem Substrat ausgebildete Dielektrikumsschicht. Bei einer Ausführungsform umfasst das Substrat Metall oder Silizium. Es eignen sich auch andere Arten von Substraten. Bei einer Ausführungsform umfasst die Dielektrikumsschicht eine Oxidschicht. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Dielektrikumsschicht ein Oxid-Nitrid-Oxid (ONO) oder ein Nitrid-Oxid (NO). Es eignen sich auch andere Arten von Dielektrikumsschichten. Bei einer Ausführungsform enthält die Prüfstruktur das oder die tatsächlichen Bauelemente (z.B. Transistoren oder Kondensatoren). Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Prüfstruktur Kondensatorstrukturen, die etwa die gleiche Dielektrikumsdicke wie das tatsächliche Bauelement aufweisen. Solche Kondensatorstrukturen können verschiedene Formen (z.B. quadratisch, rechteckig, kreisförmig oder kammartig), Kantenarten, Kantenlängen oder Flächen aufweisen. Die vorliegende Erfindung gilt außerdem für andere Arten von Prüfstrukturen. Bei einer Ausführungsform wird die Prüfstruktur neben dem tatsächlichen Bauelement auf dem gleichen Chip ausgebildet.
2 zeigt eine Prüfstruktur, die bei einer Ausführungsform der Erfindung geprüft wird. Die Prüfstruktur ist an eine Spannungsquelle 201 gekoppelt, die die Belastungsspannung liefert, die den Durchbruch der Prüfstruktur beschleunigt. Die Prüfstruktur umfasst eine auf einem Substrat 204 aufgewachsene Dielektrikumsschicht 202. Die Prüfstruktur umfasst beispielsweise eine auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsene Oxidschicht (z.B. Siliziumoxid). Bei einer Ausführungsform ist auf der Oxidschicht eine Gateelektrode 206 ausgebildet. Die Dicke der Dielektrikumsschicht beträgt beispielsweise weniger als 3,4 nm. Die Fläche der Prüfstruktur (z.B. Kondensator) ist in der Regel kleiner als etwa 0,01 mm². Es eignen sich auch andere Arten von Prüfstrukturen mit anderen Flächen. Bei einer Ausführungsform wird der Strom durch die Prüfstruktur während des Prüfens überwacht, um einen signifikanten Anstieg des Stroms zu erfassen, der auf einen Dielektrikumsdurchbruch hinweisen kann.
3 zeigt ein Flußdiagramm des Prüfverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Zuverlässigkeit des Bauelements wird durch seinen kritischen Durchbruchswiderstand R_c gekennzeichnet, der bewirkt, daß die Schaltung ausfällt oder ihre Funktionalität verliert. Bei einer Ausführungsform wird der kritische Durchbruchswiderstand R_c des Bauelements bestimmt, indem der Widerstand des Bauelements in der tatsächlichen Schaltungsumgebung unter normalen Arbeitsbedingungen variiert wird, bis die Schaltung ausfällt. Bei einer Ausführungsform erhält man den kritischen Durchbruchswiderstand durch eine Schaltungssimulation der tatsächlichen Anwendung. Werkzeuge zur Schaltungssimulation wie etwa HSPICE können zum Simulieren der Schaltung verwendet werden. Der kritische Durchbruchswiderstand fällt mit dem kleinsten Parallelwiderstand zusammen, der erforderlich ist, ehe sich die Leistung der Schaltung über ihre Spezifikationen hinaus verschlechtert. Je nach der Schaltungsumgebung kann der kritische Durchbruchswiderstand, der den Ausfall der Schaltung verursacht, beispielsweise im Bereich zwischen 1 kΩ und 100 kΩ liegen. Gemäß anderen Designanforderungen können sich auch andere kritische Durchbruchswiderstandswerte eignen.
Die Schaltungsumgebung umfaßt beispielsweise eine Schaltung zur Ansteuerung der Wortleitung, mit der intern Wortleitungen in Speicher-ICs angesteuert werden. Die vorliegende Erfindung läßt sich auch auf andere Arten der Schaltungsumgebung anwenden. Wenn die Bauelemente (z.B. Transistoren) in der Schaltung Durchbrüche erfahren, weichen die Spannung und der Strom auf der Wortleitung während des Betriebs von ihren normalen Werten ab. Die Widerstände der Bauelemente sind jedoch möglicherweise so hoch, daß eine erhebliche Abweichung des Stroms oder der Spannung verhindert wird, und die Schaltung funktioniert möglicherweise nach dem ersten Durchbruch oder nachfolgenden mehreren Durchbrüchen immer noch. Die Toleranz für die Abweichung hängt von der Empfindlichkeit der Schaltung ab und kann im Bereich zwischen 5% und 30% liegen. Je nach verschiedenen Designanforderungen können sich auch andere Toleranzwerte eignen. Die Schaltung verliert ihre Funktionalität, wenn der Parallelwiderstand unter einen kritischen Durchbruchswiderstand abfällt. Bei einer Ausführungsform werden die kritischen Durchbruchswiderstände aller kritischen Bauelemente in der unter normalen Bedingungen arbeitenden Schaltung unter Verwendung einer Schaltungssimulation bestimmt.
Bei einer Ausführungsform wird der Arbeitswiderstand R der n-ten Probe der Prüfstruktur (Probe_n) unter normalen Arbeitsbedingungen bestimmt, wobei n eine ganze Zahl unter einer vordefinierten Anzahl von Proben N ist. Falls der Arbeitswiderstand R kleiner oder gleich dem kritischen Durchbruchswiderstand R_c ist, wird die Prüfung beendet. Wenn der Arbeitswiderstand über dem kritischen Widerstand liegt, wird die Prüfstruktur stark beschleunigten Belastungsbedingungen un terworfen. Bei einer Ausführungsform umfassen die Belastungsbedingungen höhrere Spannungen, Ströme oder Temperaturen oder eine Kombination daraus. Es eignen sich auch andere Arten von Belastungsbedingungen. Bei einer Ausführungsform umfassen die Belastungsbedingungen erhöhte Spannungen, die etwa das Doppelte der Arbeitsspannung betragen. Die Prüfstruktur wird während einer Dauer von beispielsweise 50 bis 10000 Sekunden einer Belastung unterzogen. Die Prüfstruktur über andere Zeiträume hinweg einer Belastung auszusetzen, ist ebenfalls geeignet.
Der Arbeitswiderstand der Prüfstruktur unter normalen Arbeitsbedingungen wird wiederholt bestimt, nachdem die Prüfstruktur einer Belastung unterzogen worden ist. Bei einer Ausführungsform wird der Arbeitswiderstand bestimmt, nachdem bei mindestens einer elektrischen Eigenschaft der Prüfstruktur eine signifikante Änderung erfaßt worden ist. Bei einer Ausführungsform umfaßt die elektrische Eigenschaft den Strom oder die Spannung. Es können auch andere elektrische Eigenschaften überwacht werden. Wenn beispielsweise eine Belastungsspannung angelegt wird, wird der Strom I_a solange überwacht, bis er größer als X(I_{a – 1}) ist, wobei I_a die Strommessung zum Zeitpunkt a, I_{a – 1} die vorausgegangene Strommessung zum Zeitpunkt (a – 1) und X den Empfindlichkeitsfaktor, X ≥ 1, darstellt. Der Empfindlichkeitsfaktor X wird bevorzugt im voraus gemäß dem Schaltungsdesign definiert.
Alternativ wird der nicht gezeigte Arbeitswiderstand nach einem Zeitintervall (z.B. 100 Sekunden) bestimmt. Es eignet sich auch die Bereitstellung von Zeitintervallen mit anderer Dauer. Das Zeitintervall kann gemäß der Belastungsdauer im voraus definiert werden. Das Zeitintervall ist bevorzugt relativ zur Durchbruchszeit klein, damit ein signifikanter Fehler vermieden wird. Bei einer Ausführungsform ändert sich das Zeitintervall mit der Belastungsdauer. Beispielsweise kann das Zeitintervall als ein Bruchteil (z.B. 1/100) der erwarteten Belastungsdauer definiert werden. Bei einer Aus führungsform wird ein Zeitintervall oder eine Änderung von elektrischen Eigenschaften dazu verwendet, die Bestimmung des Arbeitswiderstands auszulösen.
Wenn der Arbeitswiderstand R kleiner oder gleich dem kritischen Widerstand R_c ist, wird die kritische Durchbruchszeit t_n aufgezeichnet. Bei einer Ausführungsform wird der Prüfvorgang solange wiederholt, bis eine vorbestimmte Anzahl N von Prüfstrukturproben der gleichen Belastung unterzogen und geprüft worden ist. Die Zuverlässigkeit des Bauelements wird dann anhand der kritischen Durchbruchszeiten der Prüfproben berechnet.
Bei einer Ausführungsform werden der maximale Strom I_c, der nach dem Durchbruch zur Verfügung steht, und die Fläche der Prüfstruktur bereitgestellt. Unter Annahme eines Ohmschen Verhaltens kann der maximale Strom über das Ohmsche Gesetz geschätzt werden, wobei die Belastungsspannung und der kritische Durchbruchswiderstand R_c verwendet werden. Bei einer Ausführungsform gleicht die Fläche der Dielektriumsschicht in der Prüfstruktur etwa der der Dielektrikumsschicht in dem tatsächlichen Bauelement. Es eignen sich auch Dielektrikumsschichten mit Flächen, die sich von der tatsächlichen Dielektrikumsschicht unterscheiden. Eine Dielektrikumsschicht mit einer kleineren Fläche weist allgemein eine längere Lebensdauer auf. Es kann eine Korrektur der Lebensdauer von der Prüffläche zur eigentlichen Fläche der dielektrischen Schicht im Bauelement vorgenommen werden, wobei beispielsweise die Poissonsche Flächenskalierung verwendet wird.
Wie in 4 gezeigt, tritt die kritische Durchbruchszeit T_c möglicherweise erst nach einer Reihe von behebbaren Durchbrüchen nach dem Anfangsdurchbruch zum Zeitpunkt t₀ auf. Die so definierte Durchbruchszeit ist damit für die Anwendung relevanter und gestattet eine präzisere Hochrechnung der Lebensdauer.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen eingehend gezeigt und beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, daß an der vorliegenden Erfindung Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von ihrem Gedanken und Schutzunmfang abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung sollte deshalb nicht unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit ihrem vollen Unfang an Äquivalenten.

Claims

Verfahren zur Zuverlässigkeitsprüfung, das folgendes umfaßt: Bereitstellen einer Prüfstruktur; Bestimmen eines kritischen Durchbruchswiderstands der Prüfstruktur, wobei der kritische Durchbruchswiderstand der Prüfstruktur das Ausfallen einer Schaltung bewirkt; die Prüfstruktur Belastungsbedingungen unterwerfen; wiederholtes Bestimmen eines Arbeitswiderstands der Prüfstruktur und Aufzeichnen einer kritischen Durchbruchszeit, wenn der Arbeitswiderstand der Prüfstruktur kleiner oder gleich dem kritischen Durchbruchswiderstand ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Teststruktur ein Substrat und eine darauf ausgebildete Dielektrikumsschicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Dielektrikumsschicht eine Oxidschicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Prüfstruktur das eigentliche Bauelement umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Prüfstruktur einen Transistor oder Kondensator umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Prüfstruktur eine Kondensatorstruktur umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Belastungsbedingungen erhöhte Spannungen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine erhöhte Spannung etwa das Doppelte einer Arbeitsspannung beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Belastungsbedingungen erhöhte Temperaturen oder Ströme umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schritt des Bestimmens des kritischen Durchbruchswiderstands das Bestimmen des kritischen Durchbruchswiderstands in einer Schaltungsumgebung unter normalen Arbeitsbedingungen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Bestimmens des kritischen Durchbruchswiderstands der Prüfstruktur eine Schaltungssimulation umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens des kritischen Durchbruchswiderstands der Prüfstruktur eine Schaltungssimulation umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schritt des wiederholten Bestimmens des Arbeitswiderstands das Bestimmen des Arbeitswiderstands nach dem Erfassen einer signifikanten Änderung von mindestens einer elektrischen Eigenschaft umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die elektrische Eigenschaft der Strom oder die Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, weiterhin mit dem wiederholten Bestimmen des Arbeitswiderstands nach einem Zeitintervall.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Zeitintervall gemäß einer Belastungsdauer im voraus definiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, weiterhin mit dem Bestimmen eines maximalen Stroms nach dem Durchbruch.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schritt des wiederholten Bestimmens des Arbeitswiderstands das wiederholte Bestimmen des Arbeitswiderstands nach dem Erfassen einer signifikanten Änderung von mindestens einer elektrischen Eigenschaft umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die elektrische Eigenschaft der Strom oder die Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, weiterhin mit dem wiederholten Bestimmen des Arbeitswiderstands nach einem Zeitintervall.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schritt des wiederholten Bestimmens des Arbeitswiderstands das wiederholte Bestimmen des Arbeitswiderstands nach einem Zeitintervall umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Zeitintervall gemäß einer Belastungsdauer im voraus definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, weiterhin mit dem Bestimmen eines maximalen Stroms nach dem Durchbruch.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Bestimmen eines maximalen Stroms nach dem Durchbruch.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin mit dem Berechnen einer Zuverlässigkeit der Prüfstruktur anhand der kritischen Durchbruchszeit.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Schritt des Bestimmens des kritischen Durchbruchswiderstands das Bestimmen des kritischen Durchbruchswiderstands in einer Schaltungsumgebung unter normalen Arbeitsbedingungen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei der Schritt des Bestimmens des kritischen Durchbruchswiderstands der Prüfstruktur eine Schaltungssimulation umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei der Schritt des wiederholten Bestimmens des Arbeitswiderstands das wiederholte Bestimmen des Arbeitswiderstands nach dem Erfassen einer signifikanten Änderung von mindestens einer elektrischen Eigenschaft umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die elektrische Eigenschaft der Strom oder die Spannung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, weiterhin mit dem wiederholten Bestimmen des Arbeitswiderstands nach einem Zeitintervall.