DE3805800C2 - Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Belastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung von MIS-Strukturen enthaltenden Bauelementen auf einem Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der elek­ trischen Belastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung von MIS-Strukturen enthaltenden Bauelementen auf einem Substrat.

Im Herstellungsprozeß und bei der Montage unterliegen Bauele­ mente in MIS-Schaltungen an unterschiedlichen Stellen Strom­ belastungen. Kritische Schritte sind zum Beispiel die Ionen­ implantation, das Trockenätzen, Plasmaverfahren und Aufladun­ gen bei Handling, Montage und Bonden. Die daraus resultieren­ den elektrischen Belastungen schädigen die Dielektrika irre­ versibel. Es ist bekannt (siehe zum Beispiel J. J. van der Schoot, D. R. Wolters, "Current induced dielectric breakdown" in "Insulating films on semiconductors", J. F. Verweÿ, D. R. Wolters (editors), Elsevier Science Publishers B. V. (North- Holland), 1983, Seiten 270 bis 273), daß die Schäden sich ku­ mulieren 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, ein Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Belastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung anzugeben, mit dem schädigende elektrische Belastungen an Dielektrika nachgewiesen werden können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.

Ein Zusammenhang zwischen der gemessenen Änderung der charak­ teristischen elektrischen Größe und der Strombelastung des Mehrschichtdielektrikums wird durch definierte Ladungsinjek­ tion an Kontrollstrukturen hergestellt. Auf diesem Wege steht eine Referenz- oder Umrechnungskurve für das verwendete Mehr­ schichtdielektrikum zur Verfügung.

Es ist fertigungstechnisch günstig, das Mehrschichtdielektri­ kum aus SiO₂ und Si₃N₄ aufzubauen, da diese Materialien in den Fertigungsprozessen für MOS-Schaltungen sowieso verwendet werden. Es ist bekannt (siehe zum Beispiel 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 3 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 (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Belastung von MIS-Strukturen bei der Herstellung von MIS-Strukturen enthal­ tenden Bauelementen auf einem Substrat,

• - bei dem auf dem Substrat (1) zusätzlich zu den Bauelementen zu Beginn des Herstellungsprozesses mindestens eine Test­ struktur erzeugt wird, die ein Mehrschichtdielektrikum (2) mit drei Schichten (21, 22, 23) enthält, wobei die beiden äußeren Schichten (21, 23) aus SiO₂ mit einer Dicke von mindestens 3 nm und die mittlere Schicht aus CVD-Si₃N₄ her­ gestellt werden und wobei diese Schichten in Dicke und Zu­ sammensetzung so aufeinander abgestimmt werden, daß die mittlere der drei Schichten einen hohen Einfangquerschnitt für Ladungsträger bei einer Strombelastung aufweist und dabei diese eingefangenen Ladungsträger durch den Stromfluß nicht mehr entfernt werden,
• - bei dem durch definierte Ladungsinjektion in Kontrollstruk­ turen Eichwerte festgelegt werden,
• - bei dem nach Abschluß des Herstellungsprozesses das Mehr­ schichtdielektrikum (2) elektrisch charakterisiert wird und die elektrischen Meßgrößen mit den Eichwerten verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die das Mehrschichtdielektrikum (2) enthaltende MIS- Struktur in einem zu untersuchenden Bauelement erzeugt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Mehrschichtdielektrikum (2) in einem Kondensator erzeugt wird und bei dem die Veränderung der Flachbandspan­ nung des Kondensators gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Mehrschichtdielektrikum (2) in einem Transistor erzeugt wird und bei dem die Veränderung der Einsatzspannung bei dem Transistor gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem ein Mehrschichtdielektrikum (2) verwendet wird, wel­ ches in verschiedenen Bauelementen der gleichen Art eine un­ terschiedliche Dicke aufweist, wodurch die Einsatzspannung des Stromflusses beeinflußt wird, und bei dem aus dieser Ab­ hängigkeit der auftretenden Spannung von der Schichtdicke zwischen einer Belastung mit einer Stromquelle und einer Be­ lastung mit einer bestimmten Spannung unterschieden wird.