DE3805800A1

DE3805800A1 - Anordnung zum messen der strombelastung von mis-strukturen bei der herstellung und montage von mis-strukturen enthaltenden bauelementen und messverfahren

Info

Publication number: DE3805800A1
Application number: DE3805800A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Phys Dr Spitzer; Wolfgang Dipl Phys Dr Hoenlein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-09-07
Anticipated expiration: 2008-02-25
Also published as: DE3805800C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Strom belastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung und Montage von MIS-Strukturen enthaltenden Bauelementen sowie ein Meßverfahren.

Im Herstellungsprozeß und bei der Montage unterliegen Bau elemente in MIS-Schaltungen an unterschiedlichen Stellen Strombelastungen. Kritische Schritte sind z. B. die Ionen implantation, das Trockenätzen, Plasmaverfahren und Auf ladungen bei Handling, Montage und Bonden. Die daraus resultierenden elektrischen Belastungen schädigen die Dielektrika irreversibel. Es ist bekannt (siehe z. B. J. J. van der Schott, D. R. Wolters, "Current induced dielectric breakdown" in "Insulating films on semicon ductors", J. F. Verweÿ, D. R. Wolters (editors), Elsevier Science Publishers B. V. (North-Holland), 1983, S. 270-273), daß die Schäden sich kumulieren und bis zur vollständigen Zerstörung führen können. Dielektrische Schichten, die noch nicht durchgebrochen sind, können daher schon eine Reihe von Vorschäden erfahren haben, die nicht nachgewiesen werden und die zum vorzeitigen Ausfall der Bauelemente im Betrieb führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Meßverfahren anzugeben, mit denen schädigende elektrische Belastungen an Dielektrika nachgewiesen werden können.

Die Aufgabe wird mit einer Anordnung zum Messen der Strom belastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung und Montage dadurch gelöst, daß mindestens eine ein Mehrschichtdielektrikum enthaltende MIS-Struktur vorge sehen ist, in der das Mehrschichtdielektrikum drei Schichten enthält, die in Dicke und Zusammensetzung so auf einander abgestimmt sind, daß die mittlere der drei Schichten einen hohen Einfangquerschnitt für Ladungsträger bei einer Strombelastung aufweist und daß dabei die einge fangenen Ladungsträger durch den Stromfluß nicht mehr ent fernt werden. Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zum Messen der Strombelastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung und Montage dadurch gelöst, daß eine ein Mehrschichtdielektrikum enthaltende MIS-Struktur ver wendet wird, in der das Mehrschichtdielektrikum drei Schichten enthält, die in Dicke und Zusammensetzung so aufeinander abgestimmt sind, daß die mittlere der drei Schichten einen hohen Einfangquerschnitt für Ladungsträger bei einer Strombelastung aufweist und daß dabei die einge fangenen Ladungsträger durch den Stromfluß nicht mehr entfernt werden. Es werden dann die charakteristischen elektrischen Meßgrößen der MIS-Struktur gemessen und mit Eichwerten verglichen. Da die charakteristischen elektri schen Meßgrößen von im Mehrschichtdielektrikum einge fangenen Ladungsträger beeinflußt werden, kann aus der Änderung dieser Werte auf eine Strombelastung geschlossen werden.

Ein Zusammenhang zwischen der gemessenen Änderung der charakteristischen elektrischen Größe und der Strombe lastung des Mehrschichtdielektrikums kann durch definierte Ladungsinjektion an Kontrollstrukturen hergestellt werden. Auf diesem Wege steht eine Referenz- oder Umrechnungskurve für das verwendete Mehrschichtdielektrikum zur Verfügung.

Es ist fertigungstechnisch günstig, das Mehrschicht dielektrikum aus SiO₂ und Si₃N₄ aufzubauen, da diese Materialien in den Fertigungsprozessen für MOS-Schaltungen sowieso verwendet werden. Es ist bekannt (siehe z. B. R. Baunach, A. Spitzer, Appl. Surf. Sci. 30 (1987) 180), daß Mehrschichtdielektrika bestehend aus SiO₂, CVD (= chemical vapor deposition)-Si₃N₄ und SiO₂ (sog. ONO- Schicht), wobei die beiden SiO₂-Schichten dicker als 3 nm sind, in der mittleren Si₃N₄-Schicht einen hohen Einfang querschnitt für die Ladungsträger bei der Strombelastung aufweisen. Die Traps in dieser Schichtkombination sind so beschaffen, daß die eingefangenen Ladungsträger durch den Stromfluß nicht mehr entfernt werden. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zunutze.

Das Meßverfahren wird besonders einfach, wenn als MIS-Struktur ein Kondensator, dessen Flachbandspannung gemessen wird, oder ein Transistor, dessen Einsatz spannung gemessen wird, verwendet wird. Es hat sich ge zeigt, daß bei der Verwendung von Kondensatoren mit einem ONO-Dielektrikum die einmal eingefangene Ladung weder durch Temperaturbehandlung noch durch Bestrahlung mit UV-Licht wieder beseitigt werden kann. Bei Lagerung ist die Ladung über Wochen stabil. Es ist bislang kein Verfahren bekannt, mit dem das Gedächtnis einer ONO-Schicht gelöscht werden kann. ONO-Schichten sind daher besonders gut geeignet, als Monitor für Strombelastungen eingesetzt zu werden.

Es ist besonders günstig, die als Monitor verwendete MIS-Struktur direkt im Bauelement, dessen Schädigung unter sucht werden soll, zu realisieren. Das vermeidet Probleme durch unterschiedliche Geometrien oder ähnliche Effekte, da das zu untersuchende Bauelement direkt als Meßgerät ver wendet wird. Das Verfahren stellt eine "in situ-Methode" dar zur Erfassung aller am Bauelement auftretenden Strombe lastungen. Es liefert eine quantitative Aussage über die Größe der Strombelastung und kann auch kleine Strombe lastungen (Werte im Bereich ab etwa 10^-8 C cm^-2) sicher nachweisen. Die Herstellung von ONO-Schichten lassen sich in die Herstellprozesse von VLSI-Schaltkreisen einfach einfügen.

Da die Dicke des Mehrschichtdielektrikums die Einsatz spannung des Stromflußes beeinflußt (siehe z. B. R. Baunach, A. Spitzer, Appl. Surf. Sci. 30 (1987) 180), kann über die Variation der Gesamtdicke des Mehrschichtdielek trikums zwischen einer Belastung mit einer Stromquelle und einer Belastung mit einer bestimmten Spannung unterschieden werden. So kann z.B. bei einer Spannungsbelastung über eine Versuchsreihe mit unterschiedlich dicken Mehrschicht dielektrika die auftretende Spannung ermittelt werden.

In der FIG ist eine ONO-Schicht, wie sie gemäß der Erfin dung verwendet wird, dargestellt.

Dabei ist ein Substrat 1 dargestellt, das z. B. aus Silizium besteht. Auf dem Substrat 1 ist ein Mehrschicht dielektrikum 2 angeordnet. Das Mehrschichtdielektrikum 2 enthält eine erste SiO₂-Schicht 21. Die erste SiO₂-Schicht 21 hat eine Dicke von mehr als etwa 3 nm. Auf die erste SiO₂-Schicht 21 ist durch CVD (=chemical vapor deposition) eine Siliziumnitridschicht (Si₃N₄-Schicht) 22 abgeschieden, die eine Dicke von etwa 10 nm aufweist. Auf die Si₃N₄- Schicht 22 folgt eine zweite SiO₂-Schicht 23, die eine Dicke größer als etwa 2 nm aufweist. Diese drei Schichten bilden gemeinsam das Mehrschichtdielektrikum 2. Das Mehr schichtdielektrikum 2 wird mit einer leitenden Schicht 3 belegt, welche bei der Messung als Elektrode dient. Die leitende Schicht 3 besteht z. B. aus Aluminium oder dotiertem Polysilizium und hat eine Dicke von etwa 0,2-1 µm.

Claims

1. Anordnung zum Messen der Strombelastung von MIS-Struk turen bei der Herstellung und Montage von MIS-Strukturen enthaltenden Bauelementen, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens eine ein Mehrschicht dielektrikum (2) enthaltende MIS-Struktur vorgesehen ist, in der das Mehrschichtdielektrikum (2) drei Schichten (21, 22, 23) enthält, die in Dicke und Zusammensetzung so aufeinander abgestimmt sind, daß die mittlere (22) der drei Schichten einen hohen Einfangquerschnitt für Ladungsträger bei einer Strombelastung aufweist und daß dabei die einge fangenen Ladungsträger durch den Stromfluß nicht mehr entfernt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden äußeren (21, 23) der drei Schichten aus SiO₂ bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die mittlere Schicht (22) aus CVD-Si₃N₄ besteht und die beiden äußeren Schichten (21, 23) mindestens 3 nm dick sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Mehrschicht dielektrikum (2) enthaltende MIS-Struktur in einem zu untersuchenden Bauelement enthalten ist.

5. Verfahren zum Messen der Strombelastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung und Montage von MIS- Strukturen enthaltenden Bauelementen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) es wird eine ein Mehrschichtdielektrikum (2) enthal tende MIS-Struktur auf ein Substrat (1) aufgebracht, wobei das Mehrschichtdielektrikum (2) drei Schichten (21, 22, 23) enthält, die in Dicke und Zusammensetzung so aufeinander abgestimmt sind, daß die mittlere (22) der drei Schichten einen hohen Einfangquerschnitt für Ladungsträger bei einer Strombelastung aufweist,
b) es werden charakteristische elektrische Meßgrößen der MIS-Struktur registriert und mit Eichwerten verglichen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß zwei äußere (21, 23) Schichten verwendet werden, die aus SiO₂ bestehen und mindestens 3 nm dick sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß eine mittlere Schicht (22) ver wendet wird, die aus CVD-Si₃N₄ besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrschicht dielektrikum (2) als Kondensator verwendet wird und daß die Veränderung der Flachbandspannung des Kondensators ge messen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrschicht dielektrikum (2) als Transistor verwendet wird und daß die Veränderung der Einsatzspannung bei dem Transistor gemessen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch definierte Ladungsinjektion an Kontrollstrukturen Eichwerte festge legt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrschicht dielektrikum (2) verwendet wird, welches in verschiedenen Bauelementen eine unterschiedliche Dicke aufweist, wodurch die Einsatzspannung des Stromflusses beeinflußt wird, und daß aus dieser Abhängigkeit der auftretenden Spannung von der Schichtdicke zwischen einer Belastung mit einer Strom quelle und einer Belastung mit einer bestimmten Spannung unterschieden wird.