DE19835616A1 - Verfahren zur Lokalisierung und Bestimmung der lokalen Dichte von Gateoxid Defekten in MIS-Kondensatoren - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Lokalisierung und Bestimmung der lokalen Dichte von Gateoxid Defekten in MIS Kondensatoren. Es ist dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Spannungsimpulse mit wohldefinierter Impulshöhe und Impulsdauer an den Kondensator gelegt werden und die Oxid Defekte anschließend mit abbildenden Verfahren abgebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem Defekte der Ga­ teoxid-Integrität (sogenannte GOI-Defekte) in MIS-Kondensatoren (Schichtstrukturen aus Metall bzw. Poly-Silicium, Isolator und Halbleiter) sichtbar gemacht und damit lokalisiert, gezahlt und danach weiter untersucht werden können. Das Verfahren gestattet ein Mapping der GOI Defektdichte, wobei die Struktur der Defek­ te nicht zerstört wird.

GOI Defekte sind lokale Durchbruchstellen in Gateoxiden, die die Funktion von MIS-Transistoren in integrierten Schaltkreisen beeinträchtigen. Der Nachweis von GOI Defekten ist eine wesent­ liche Voraussetzung zur Qualifizierung von Halbleiterscheiben aus Silicium (Si-Wafern) für bestimmte Silicium-Technologien zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Das erfindungs­ gemäße Verfahren kann vorzugsweise zur Qualitätskontrolle der Si-Wafer-Fertigung und zur Forschung und Technologiekontrolle in der Halbleiterindustrie wie auch bei der nichtindustriellen technologienahen Halbleiterforschung eingesetzt werden.

Gateoxid-Defekte (GOI-Defekte) gehen nach heutigem Erkenntnis­ stand auf Volumendefekte im Silicium-Halbleitermaterial zurück. Wenn diese Defekte zufällig unmittelbar an oder unter der Halb­ leiteroberfläche zu liegen kommen, auf der integrierte Schalt­ kreise mit MIS-Transistoren aufgebracht werden sollen, hat das Gate-Oxid an dieser Stelle eine verringerte Spannungsfestig­ keit, oder es isoliert von vornherein nicht genügend gut. Ein an dieser Stelle aufgebrachtes MIS-Gate würde dann nicht funk­ tionieren. Die Dichte solcher GOI-Defekte hängt von der Dichte der Volumendefekte im Silicium und auch von der angewandten Technologie ab (Tamatsuka et al., "Impact of Al or Poly-Si Electrodes and Oxide Thickness on Gate Oxide Integrity and Lea­ kage Site Observations", Electrochemical Society Proceedings, Vol. 96-13 (1996) 345-356).

Das Standard-Verfahren zum Nachweis von GOI-Defekten ist die I- U Kennlinien-Messung und, davon abgeleitet, die Konstantstrom­ belastungs-Methode an MIS-Kondensatoren. Bei der Kennlinien- Messung wird die Vorspannung langsam hochgefahren und der Strom gemessen. Wenn der Kondensator durchbricht, steigt der Strom schlagartig an. Liegt kein GOI-Defekt vor, dann erfolgt der Durchbruch erst bei der für das Gateoxid typischen Feldstärke von typischerweise über 10 MV/cm. Erfolgt der Durchbruch bei einer deutlich niedrigeren Feldstärke, dann ist ein GOI Defekt für den Durchbruch verantwortlich. Bei der Konstantstrom- Methode wird die Tatsache ausgenutzt, daß das Gateoxid bei ho­ hen Feldstärken einen Tunnelstrom durchläßt, ohne dabei durch­ zubrechen. Hier wird ein stufenweise ansteigender Konstantstrom an den MIS-Kondensator gelegt und die sich ergebende Vorspan­ nung am Kondensator gemessen. Bei Vorliegen eines GOI Defekts erfolgt dieses Tunneln bevorzugt an diesem Defekt, wodurch der Durchbruch bei einer signifikant kleineren injizierten Ladung passiert. Ein Durchbruch liegt vor, wenn die Vorspannung schlagartig kleiner wird. Der Vorteil der Konstantstrom-Methode liegt darin, daß hier die GOI Defekte nicht nur hinsichtlich ihrer Durchbruchs-Spannung sondern auch hinsichtlich ihrer Durchbruchs-Ladung charakterisiert werden können. Diese elek­ trischen GOI Defektuntersuchungen werden üblicherweise mit au­ tomatischen Wafer-Testern an MIS Testkondensatoren durchge­ führt, wobei pro Wafer etwa 100 Kondensatoren getestet werden. Je nach vorliegender GOI Defektdichte muß eine optimale Konden­ sator-Größe ausgewählt werden. Als Ergebnis erhält man die sta­ tistische Verteilung der Durchbruch-Spannung und der Durch­ bruch-Ladung ("Weibul-plot") sowie eine Topographie der Durch­ bruch-Spannung bzw. Durchbruch-Ladung der getesteten Kondensa­ toren. Die GOI Defektdichte ergibt sich als Mittelwert über den gesamten Wafer.

Um die Ursachen der GOI Defekte z. B. mit Transmissions- Elektronenmikroskopie (TEM) untersuchen zu können, muß deren Position ermittelt werden. Dies erfolgt an MIS-Kondensatoren durch abbildende Verfahren, beispielsweise durch Abbilden mit Elekronenstrahl-induzierten Strömen (EBIC) (Tamatsuka et al., "Impact of Al or Poly-Si Electrodes and Oxide Thickness on Gate Oxide Integrity and Leakage Site Observations", Electrochemical Society Proceedings, Vol. 96-13 (1996) 345-356), durch Abbilden mit lichtinduzierten Strömen (OBIC) (Ikeda et al., "Cross- Sectional Transmission Electron Microscopy Studies on Intrinsic Breakdown Spots of Thin Gate Oxides", Jpn. J. Appl. Phys. 36 (1997) 2561-2564), durch eine elektrolytische Kupfer- Dekorationstechnik (Itsumi et al., "The Origin of Defects in SiO2 Thermally Grown on Czochralski Silicon Substrates", J. Appl. Phys. 78 (1995) 1940-1943) oder durch Thermographie (Breitenstein und Langenkamp, "Lock-in Contact Thermography In­ vestigation of Lateral Electronic Inhomogeneities in Semicon­ ductor Devices", Sensors and Actuators (A) Physical, im Druck). In der Regel können mit diesen Methoden nur bereits durchgebro­ chene Defekte nachgewiesen werden, da der Nachweis auf dem durch das durchgebrochene Oxid fließenden Strom beruht. Latent vorhandene Defekte, die jedoch noch nicht durchgebrochen sind, können nicht lokalisiert werden. Die Konstantstrom-Methode führt üblicherweise nur zum Durchbruch eines Defekts pro Kon­ densator, da nach dem Durchbruch die Spannung am Kondensator zusammenbricht. Dadurch kann also auch an größeren Kondensato­ ren durch abbildende Verfahren nicht die Defektdichte direkt bestimmt werden, da diese Verfahren die nicht durchgebrochenen Defekte nicht abbilden können. Wenn man einen genügend hohen Strom bei der Durchbruchsmessung zuläßt, dann bricht bei einem Durchbruch der Strom nicht zusammen, und man kann mehrere De­ fekte pro Kondensator durchbrechen lassen. Dabei werden die dissipierten elektrischen Leistungsdichten an den Defekten je­ doch so groß, daß das Gate schmelzen und das Gateoxid sogar verdampfen kann. Dann können die Defekte nach dieser Prozedur zwar noch gezählt, ihre Struktur kann jedoch nicht mehr genauer untersucht werden. Außerdem kann es zu Selbstheilungsprozessen kommen, die auch zu Fehlern bei der Bestimmung der Defektdichte führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu fin­ den, welches einerseits möglichst alle GOI Defekte in einem MIS Kondensator durchzubrechen gestattet und andererseits die De­ fekte noch nicht durch thermische Überlastung strukturell zer­ stört. Dann kann die GOI Defektdichte bereits in einem genügend großen Kondensator durch abbildende Verfahren gezählt werden, die Defekte können danach noch näher untersucht werden, und durch die Untersuchung mehrerer solcher Kondensatoren auf einem Wafer kann ein Mapping GOI Defektdichte über dem Wafer erfol­ gen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Durchbruch der Oxiddefekte durch einen oder mehrere kurze Span­ nungsimpulse erfolgt. Die für den Durchbruch verwendete Impuls­ höhe und die Impulsdauer müssen so gewählt werden, daß einer­ seits der elektrische Durchbruch möglichst aller GOI Defekte erfolgt und andererseits die an den Defekten deponierte Energie noch nicht ausreicht, um deren Struktur zu zerstören. Bevorzugt sind 1 bis 100 Spannungsimpulse mit einer Spannung des 0,5 bis 2 fachen von V_bd, wobei V_bd die Durchbruchsspannung des defekt­ freien Kondensators ist, und eine Impulsdauer von 0,1 bis 100 µs.

Erfindungsgemäß werden nach dem Anlegen der Impulse die Defekte durch abbildende Verfahren, insbesondere durch EBIC, OBIC oder Thermographie lokalisiert und gezählt. Ein Vorteil der Erfin­ dung liegt darin, daß alle Defekte in einem Kondensator sicht­ bar gemacht werden, d. h. die Defektdichte kann bereits durch die Untersuchung eines einzigen genügend großen Kondensators gemessen werden. Dadurch kann durch die Untersuchung mehrerer solcher Kondensatoren in einem Wafer ein Mapping der Defektdich­ te über dem Wafer erfolgen. Ein weiterer Vorteil ist, daß nach dieser Untersuchung die Defekte nicht zerstört sind und dadurch noch zur detaillierten Untersuchung ihrer Struktur z. B. mit dem TEM zur Verfügung stehen.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Defektdichte bereits durch die Untersuchung eines einzigen genügend großen Kondensators gemessen werden kann, und daß nach dieser Untersu­ chung die Defekte nicht zerstört sind und dadurch noch zur de­ taillierten Untersuchung z. B. mit TEM oder EBIC zur Verfügung stehen.

In der Figur ist eine EBIC-Abbildung eines MIS-Kondensators dargestellt, bei dem der Durchbruch der GOI Defekte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch einen einzelnen Spannungsim­ puls von 28 V Höhe und einer Dauer von 10 µs erfolgt ist. Die GOI Defekte erscheinen in der Figur als mehr oder weniger helle Punkte. Die dunklen Punkte sind Staubpartikel. Der Kondensator hat eine Fläche von 8 mm², und das Gateoxid hat eine Dicke von 25 nm. Die elektrisch an diesem Wafer mit der Konstantstrom- Methode bestimmte mittlere GOI Defektdichte betrug 44 cm^-2, d. h. in der Kondensatorfläche von 8 mm² wären im Durchschnitt 3,5 De­ fekte zu erwarten. Da sich in diesem Kondensator bei genauer Zählung sieben Defekte befinden, beträgt die GOI Defektdichte an dieser Stelle 88 cm², d. h. die Defektdichte ist in diesem Wafer offensichtlich inhomogen verteilt. Mittels Sekundärelek­ tronen-Abbildung im Rasterelektronenmikroskop konnten an keiner der Defektpositionen irgendwelche Anzeichen von lokalem Auf­ schmelzen oder lokaler Verdampfung festgestellt werden, d. h. die Struktur der Defekte ist durch das erfindungsgemäße Verfah­ ren offensichtlich nicht zerstört worden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Lokalisierung und Bestimmung der lokalen Dich­ te von Gateoxid Defekten in MIS Kondensatoren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein oder mehrere Spannungsimpulse mit wohldefi­ nierter Impulshöhe und Impulsdauer an den Kondensator gelegt werden und die Oxid Defekte anschließend mit abbildenden Ver­ fahren abgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als abbildendes Verfahren EBIC (Abbildung mit elektronenstrahlindu­ zierten Strömen) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als abbildendes Verfahren OBIC (Abbildung mit lichtstrahlinduzier­ ten Strömen) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als abbildendes Verfahren Thermographie verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als abbildendes Verfahren die Cu-Dekorationstechnik verwendet wird.