RU2248067C2 - Method for measuring electrophysical parameters of thin silicon dioxide films of gates - Google Patents

Method for measuring electrophysical parameters of thin silicon dioxide films of gates Download PDF

Info

Publication number
RU2248067C2
RU2248067C2 RU2002132010/28A RU2002132010A RU2248067C2 RU 2248067 C2 RU2248067 C2 RU 2248067C2 RU 2002132010/28 A RU2002132010/28 A RU 2002132010/28A RU 2002132010 A RU2002132010 A RU 2002132010A RU 2248067 C2 RU2248067 C2 RU 2248067C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
breakdown
voltage
mis
gate dielectric
gate
Prior art date
Application number
RU2002132010/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002132010A (en
Inventor
А.Н. Еременко (RU)
А.Н. Еременко
Е.С. Горнев (RU)
Е.С. Горнев
А.С. Дудников (RU)
А.С. Дудников
Н.А. Зайцев (RU)
Н.А. Зайцев
Ю.И. Плотников (RU)
Ю.И. Плотников
В.Д. Михалин (RU)
В.Д. Михалин
Original Assignee
ОАО "НИИ Молекулярной электроники и Завод МИКРОН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ОАО "НИИ Молекулярной электроники и Завод МИКРОН" filed Critical ОАО "НИИ Молекулярной электроники и Завод МИКРОН"
Priority to RU2002132010/28A priority Critical patent/RU2248067C2/en
Publication of RU2002132010A publication Critical patent/RU2002132010A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2248067C2 publication Critical patent/RU2248067C2/en

Links

Landscapes

  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

FIELD: measuring parameters of gate insulator.
SUBSTANCE: proposed method includes evaluation of set of parameters of many MIS structures on entire wafer within its single trace, measurement of pre-breakdown current-voltage characteristic of MIS structure, breakdown voltage of gate insulator and charge injected in gate dielectric before its irreversible breakdown in single measurement process. Thus, electrophysical parameters of MIS structure are determined within singe measurement cycle.
EFFECT: reduced time taken to measure characteristics of gate insulator on wafer.
1 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к электрофизическим методам контроля параметров тонких подзатворных диэлектриков, в частности к методам контроля электрической прочности и долговечности подзатворного оксида МОП-транзистора.The invention relates to electrophysical methods for controlling the parameters of thin gate dielectrics, in particular to methods for controlling the electric strength and durability of the gate oxide of a MOS transistor.

В производстве КМОП СБИС с подзатворным диэлектриком толщиной 500

Figure 00000001
и менее необходимо иметь информативные высокопроизводительные методики контроля качества затворных систем с целью аттестации технологического процесса и оборудования.In the production of CMOS VLSI with a gate insulator thickness of 500
Figure 00000001
and it is less necessary to have informative high-performance methods of quality control of shutter systems in order to certify the technological process and equipment.

Известен способ контроля надежности диэлектрической пленки затвора (Abadeer, Wangli W., International Business Machines Corporation, 324-719, US 9814317, 27.01.1998), основанный на оценке долговечности диэлектрической пленки затвора полупроводникового прибора, в котором на группу тестовых элементов подают группу тестовых напряжений смещения и измеряют соответствующие токи в пленках и определяют соотношение между токами и соответственно долговечность структуры.A known method of controlling the reliability of a dielectric shutter film (Abadeer, Wangli W., International Business Machines Corporation, 324-719, US 9814317, 01/27/1998), based on the assessment of the durability of the dielectric shutter film of a semiconductor device, in which a group of test elements is supplied to a group of test elements bias voltages and measure the corresponding currents in the films and determine the relationship between currents and, accordingly, the durability of the structure.

Известен способ контроля времени до деградации подзатворного диэлектрика (Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)), основанный на контроле времени, прошедшего с момента приложения к тестовой МДП-структуре напряжения смещения до момента необратимого электрического пробоя (разрушительного пробоя) подзатворного диэлектрика (Time Dependent Breakdown of Ultrathin Gate Oxide, Abdullah M. Yassine, IEEE Transactions On Electron Devices, vol.47, No 7, July 2000). Являясь современным способом контроля качества подзатворного диэлектрика, информативным и достаточно производительным, способ исследования зависимого от времени пробоя диэлектрика, разработанный во второй половине 80-х годов, широко используется рядом зарубежных и отечественных производителей СБИС и позволяет контролировать дефектность подзатворного диэлектрика, аттестовывать технологическое оборудование и процесс создания затворных систем, прогнозировать надежность СБИС при их эксплуатации. Метод основан на контроле интервала времени, проходящего с момента приложения к МДП-структуре напряжения, несколько меньшего пробивного до момента пробоя подзатворного диэлектрика. Контроль проводят на большом количестве МДП-структур (100 и более) по всей площади кремниевой пластины, что позволяет отделить МДП-структуры, содержащие скрытые дефекты в подзатворном диэлектрике от структур с практически бездефектным диэлектриком.There is a method of controlling the time before degradation of a gate dielectric (Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)), based on the control of the time elapsed from the application of a bias voltage to the test MIS structure to the moment of irreversible electrical breakdown (destructive breakdown) of a gate dielectric (Time Dependent Breakdown of Ultrathin Gate Oxide, Abdullah M. Yassine, IEEE Transactions On Electron Devices, vol. 47, No. 7, July 2000). Being a modern way of controlling the quality of a gate dielectric, informative and quite productive, the method of studying time-dependent dielectric breakdown, developed in the second half of the 80s, is widely used by a number of foreign and domestic manufacturers of VLSI and allows you to control the defectiveness of the gate dielectric, to certify technological equipment and process creation of gate systems, to predict the reliability of VLSI during their operation. The method is based on the control of the time interval elapsed from the moment of applying a voltage slightly smaller than the breakdown voltage to the moment of breakdown of the gate insulator to the MIS structure. The control is carried out on a large number of MIS structures (100 or more) over the entire area of the silicon wafer, which makes it possible to separate MIS structures containing latent defects in the gate dielectric from structures with a practically defect-free dielectric.

Известен способ прогнозирования надежности окисла под воздействием отрицательного смещения при напряженности электрического поля 12 MB/см (Yoshiko Yoshida, Mikihiro Kimura, Morihiko Kume, Hidekazu Yamomoto, Test Structure for the Evaluation of Si Substrates, IEICE Trans. Electron., Vol. E79-C, No 2, February 1996).A known method for predicting the reliability of oxide under the influence of negative bias at an electric field strength of 12 MB / cm (Yoshiko Yoshida, Mikihiro Kimura, Morihiko Kume, Hidekazu Yamomoto, Test Structure for the Evaluation of Si Substrates, IEICE Trans. Electron., Vol. E79-C No 2, February 1996).

Известен способ оценки качества тонких термически выращенных пленок SiO2 с помощью контроля вольтфарадных характеристик, вольтамперных характеристик, зависимого от времени электрического пробоя и эллипсометрических измерений толщины диоксида кремния (Chiou-Feng Chen, Ching-Yuan Wu, Ming-Kwang Lee, Chuen-Nam Chem, The Dielectric Reliability of Intrinsic Thin SiO2 Films Thermally Grown on a Heavily Doped Si Substrate-Characterization and Modeling, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. Ed34, No 7, July l987).A known method for assessing the quality of thin thermally grown SiO 2 films by monitoring the voltage-voltage characteristics, current-voltage characteristics, time-dependent electrical breakdown and ellipsometric measurements of the thickness of silicon dioxide (Chiou-Feng Chen, Ching-Yuan Wu, Ming-Kwang Lee, Chuen-Nam Chem , The Dielectric Reliability of Intrinsic Thin SiO 2 Films Thermally Grown on a Heavily Doped Si Substrate-Characterization and Modeling, IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. Ed34, No. 7, July l987).

Основным недостатком существующих способов контроля электрофизических характеристик МДП-структур является значительная длительность процесса измерения, вызванная необходимостью раздельного определения таких характеристик, как напряженность электрического поля пробоя диэлектрика, предпробойная вольт-амперная характеристика, длительность времени до разрушительного пробоя диэлектрика. Вследствие этого невозможно оперативно получать необходимую информацию о свойствах тонкой подзатворной двуокиси кремния, что существенно замедляет обратную связь с технологическим процессом создания затворных систем.The main disadvantage of the existing methods for monitoring the electrophysical characteristics of MIS structures is the significant length of the measurement process, caused by the need to separately determine such characteristics as the electric field strength of the dielectric breakdown, prebreakdown voltage-current characteristic, and the length of time before the destructive breakdown of the dielectric. As a result of this, it is impossible to quickly obtain the necessary information about the properties of the thin gate silicon dioxide, which significantly slows down the feedback from the technological process of creating gate systems.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является определение всей совокупности электрофизических параметров МДП-структур на пластине за один обход пластины и существенного сокращения времени до разрушительного пробоя подзатворной двуокиси кремния. Предлагаемое решение осуществляется в следующей последовательности:A distinctive feature of the proposed technical solution is the determination of the entire set of electrophysical parameters of the MIS structures on the wafer in one round of the wafer and a significant reduction in time to the devastating breakdown of gate silica. The proposed solution is implemented in the following sequence:

- измеряется высокочастотная вольтфарадная характеристика (ВЧ ВФХ) МДП-структуры и определяются ее электрофизические параметры, в частности толщина подзатворной двуокиси кремния;- the high-frequency capacitance-voltage characteristic (HF VFH) of the MIS structure is measured and its electrophysical parameters are determined, in particular, the thickness of the gate silicon dioxide;

- к МОП-структуре прикладывается линейно возрастающее напряжение и измеряется предпробойная ВАХ МДП-структуры в диапазоне малых плотностей токов (от 1·10-5 А/см2 до 1 А/см2);- a linearly increasing voltage is applied to the MOS structure and the prebreakdown CVC of the MIS structure is measured in the range of low current densities (from 1 · 10 -5 A / cm 2 to 1 A / cm 2 );

- при установленном значении плотности тока через диэлектрик МДП-структуры определяется напряжение пробоя подзатворной SiO2;- at a set value of the current density through the dielectric of the MIS structure, the breakdown voltage of the gate SiO 2 is determined;

- определяется напряжение необратимого (разрушительного) пробоя подзатворного диэлектрика;- the voltage of the irreversible (destructive) breakdown of the gate dielectric is determined;

- постоянно в процессе протекания тока через МДП-структуру подсчитывается суммарный заряд, прошедший через нее до разрушительного пробоя и который фиксируется после разрушительного пробоя.- constantly in the process of current flowing through the MIS structure, the total charge passed through it before the destructive breakdown and which is recorded after the destructive breakdown is calculated.

После деградации подзатворной двуокиси кремния переходят к определению параметров следующей МДП-структуре на пластине.After degradation of the gate silica, they proceed to determine the parameters of the next MIS structure on the plate.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в определении электрофизических параметров МДП-структуры в одном измерительном цикле, позволяющем существенно сократить время определения характеристик подзатворного диэлектрика на пластине. Поставленная задача решена с помощью сочетания современных электрофизических методов контроля параметров МДП-структур.The problem to which this invention is directed, is to achieve a technical result, which consists in determining the electrophysical parameters of the MIS structure in one measuring cycle, which can significantly reduce the time for determining the characteristics of the gate dielectric on the plate. The problem is solved using a combination of modern electrophysical methods for controlling the parameters of MIS structures.

Таким образом, в результате проведения комплекса измерений определяют следующие параметры большого количества МДП-структур на контрольной пластине:Thus, as a result of a complex of measurements, the following parameters are determined for a large number of MIS structures on the control plate:

- емкость МДП-структур в режиме сильного обогащения;- the capacity of the MIS structures in the regime of strong enrichment;

- толщина подзатворного диэлектрика, определенная при заданной диэлектрической проницаемости;- the thickness of the gate dielectric, determined for a given dielectric constant;

- напряжение плоских зон МДП-структур;- stress of the flat zones of the MIS structures;

- эффективная плотность поверхностного заряда на границе кремний-диэлектрик;- effective surface charge density at the silicon-insulator interface;

- концентрация легирующей донорной (акцепторной) примеси в приповерхностном слое кремния;- the concentration of the doping donor (acceptor) impurity in the surface layer of silicon;

- напряжение пробоя подзатворного диэлектрика при заданном значении плотности тока;- breakdown voltage of the gate insulator at a given value of current density;

- напряжение разрушительного пробоя подзатворного диэлектрика;- voltage destructive breakdown of the gate insulator;

- длительность интервала времени до полной деградации подзатворного диэлектрика;- the duration of the time interval until complete degradation of the gate dielectric;

- величина заряда, инжектированного в подзатворный диэлектрик до его разрушающего пробоя.- the magnitude of the charge injected into the gate dielectric before its destructive breakdown.

Для аттестационного контроля технологических процессов, создания затворных систем, в частности, окисления под затвор, должны использоваться пластины-спутники с МДП-структурами с площадью полевого электрода от 1·10-5 см2 до 1·10-2 см2. МДП-структура должна имитировать структуру реального МДП-транзистора, то есть тонкий подзатворный диэлектрик должен создаваться в окнах в достаточно толстом локальном диоксиде кремния. Полевой электрод должен частично выходить на толстый диэлектрик, что позволит уменьшить влияние краевых эффектов, а в некоторых случаях исследовать влияние заряда в окисле по краям подзатворной области на надежностные характеристики затворных систем. В качестве материала полевого электрода желательно использовать материал затворов МДП-транзисторов, в частности поликристаллический кремний.For certification control of technological processes, the creation of gate systems, in particular, oxidation under the gate, satellite plates with MIS structures with a field electrode area from 1 · 10 -5 cm 2 to 1 · 10 -2 cm 2 should be used . The MIS structure should imitate the structure of a real MIS transistor, that is, a thin gate gate dielectric should be created in the windows in a sufficiently thick local silicon dioxide. The field electrode should partially go to the thick dielectric, which will reduce the influence of edge effects, and in some cases, investigate the effect of the charge in the oxide at the edges of the gate region on the reliability characteristics of the gate systems. As the material of the field electrode, it is desirable to use the gate material of the MOS transistors, in particular polycrystalline silicon.

ПРИМЕР 1. 8 пластин (кремниевые подложки марки КЭФ-4,5, кристаллографической ориентации (100) диаметром 150 мм) с МДП-структурами на основе тонкой подзатворной SiO2 толщиной около 250

Figure 00000002
(пластины 1-4) и 200
Figure 00000003
(пластины 5-8), выращенной в окнах в полевом окисле. Площадь полевых электродов из n+Si* над тонким окислом в окнах в толстом полевом окисле составляла 4е-4 см2.EXAMPLE 1. 8 wafers (silicon substrates of the KEF-4.5 grade, crystallographic orientation (100) with a diameter of 150 mm) with MIS structures based on a thin SiO 2 gate with a thickness of about 250
Figure 00000002
(plates 1-4) and 200
Figure 00000003
(plates 5-8) grown in windows in field oxide. The area of n + Si * field electrodes above the thin oxide in the windows in the thick field oxide was 4–4 cm 2 .

Конкретные результаты измерений суммированы в таблице 1, где приведены средние значения напряжений пробоя (по 69-ти МДП-структурам при токе 0.01 мА) и напряженностей электрического поля пробоя подзатворной SiO2, среднеквадратичные отклонения от средних значений и количество МДП-структур на пластине, напряженность поля пробоя которых выше 8·106 В/см и ниже 2·106 В/см. Значения dox получены из измерений ВЧ ВФХ МДП-структур, усредненных по пяти областям. В таблице 2 приведены времена до полной деградации 50% и 90% всех проконтролированных МДП-структур на пластинах (F=N/69 и соответствует отношению деградировавших МДП-структур ко всем МДП-структурам).The specific measurement results are summarized in Table 1, which shows the average values of the breakdown voltages (for 69 MIS structures at a current of 0.01 mA) and the electric field strengths of the breakdown of the gate SiO 2 , standard deviations from the average values and the number of MIS structures on the plate, and the voltage breakdown fields of which are higher than 8 · 10 6 V / cm and below 2 · 10 6 V / cm. The values of d ox are obtained from measurements of the HF CV characteristic of MIS structures averaged over five regions. Table 2 shows the times to complete degradation of 50% and 90% of all controlled MIS structures on the plates (F = N / 69 and corresponds to the ratio of degraded MIS structures to all MIS structures).

Figure 00000004
Figure 00000005
Figure 00000004
Figure 00000005

Claims (1)

Способ контроля качества тонких слоев подзатворного диэлектрика, позволяющий определять совокупность электрофизических параметров большого количества МДП-структур по всей пластине, причем сначала измеряют высокочастотную вольтфарадную характеристику (ВЧ ВФХ) МДП-структуры и определяют ее электрофизические параметры, в частности, толщину подзатворного диэлектрика, затем определяют плотность заряда (Q) как интеграл тока по времени
Figure 00000006
, измеряют предпробойную вольтамперную характеристику (ВАХ) МДП-структуры в диапазоне малых плотностей токов (от 10-5 А/см2 до 1 А/см2) прикладывая к МДП-структуре линейно-возрастающее напряжение, определяют напряжение обратимого пробоя подзатворного диэлектрика, при назначенном значении плотности тока через диэлектрик МДП-структуры, определяют напряжение необратимого (разрушительного) пробоя подзатворного диэлектрика, подсчитывают заряд, прошедший через структуру, отличающийся тем, что предпробойную вольтамперную характеристику (ВАХ) МДП-структуры, напряжение пробоя подзатворного диэлектрика и заряд, инжектированный в подзатворный диэлектрик до его необратимого пробоя, измеряют в едином процессе.
A method for controlling the quality of thin layers of a gate dielectric, which allows one to determine the set of electrophysical parameters of a large number of MIS structures throughout the wafer, whereby the high-frequency voltage-voltage characteristic (HF VF) of the MOS structure is first measured and its electrophysical parameters are determined, in particular, the thickness of the gate dielectric, then charge density (Q) as the current integral over time
Figure 00000006
the pre-breakdown current-voltage characteristic (CVC) of the MIS structure is measured in the range of low current densities (from 10 -5 A / cm 2 to 1 A / cm 2 ) by applying a linearly increasing voltage to the MIS structure, the reversible breakdown voltage of the gate dielectric is determined, at the assigned value of the current density through the dielectric of the MIS structure, determine the voltage of the irreversible (destructive) breakdown of the gate dielectric, calculate the charge passing through the structure, characterized in that the pre-breakdown current-voltage characteristic (CVC) MIS structures, the breakdown voltage of the gate dielectric and the charge injected into the gate dielectric before its irreversible breakdown are measured in a single process.
RU2002132010/28A 2002-11-28 2002-11-28 Method for measuring electrophysical parameters of thin silicon dioxide films of gates RU2248067C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002132010/28A RU2248067C2 (en) 2002-11-28 2002-11-28 Method for measuring electrophysical parameters of thin silicon dioxide films of gates

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002132010/28A RU2248067C2 (en) 2002-11-28 2002-11-28 Method for measuring electrophysical parameters of thin silicon dioxide films of gates

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002132010A RU2002132010A (en) 2004-05-27
RU2248067C2 true RU2248067C2 (en) 2005-03-10

Family

ID=35365035

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002132010/28A RU2248067C2 (en) 2002-11-28 2002-11-28 Method for measuring electrophysical parameters of thin silicon dioxide films of gates

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2248067C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Reisinger et al. A comparison of very fast to very slow components in degradation and recovery due to NBTI and bulk hole trapping to existing physical models
Ricco et al. Modeling and simulation of stress-induced leakage current in ultrathin SiO/sub 2/films
Olivo et al. High-field-induced degradation in ultra-thin SiO/sub 2/films
Wu et al. On the Weibull shape factor of intrinsic breakdown of dielectric films and its accurate experimental determination. Part II: experimental results and the effects of stress conditions
Boyko et al. Time dependent dielectric breakdown at 210 Å oxides
Young et al. Electron trap generation in high-/spl kappa/gate stacks by constant voltage stress
US5798649A (en) Method for detecting defects in semiconductor insulators
US8552754B2 (en) Method of testing reliability of semiconductor device
US4978915A (en) Method of manufacturing semiconductor devices involving the detection of impurities
Wilson et al. The present status and recent advancements in corona-Kelvin non-contact electrical metrology of dielectrics for IC-manufacturing
US5648275A (en) Method for detecting defects in semiconductor insulators
US7019545B2 (en) Method for monitoring quality of an insulation layer
Olivo et al. Influence of localized latent defects on electrical breakdown of thin insulators
US6525544B1 (en) Method for predicting lifetime of insulating film and method for reliability testing of semiconductor device
RU2248067C2 (en) Method for measuring electrophysical parameters of thin silicon dioxide films of gates
US6524872B1 (en) Using fast hot-carrier aging method for measuring plasma charging damage
v. Sichart et al. Bimodal lifetime distributions of dielectrics for integrated circuits
Ji et al. Interface states beyond band gap and their impact on charge carrier mobility in MOSFETs
US20060115910A1 (en) Method for predicting lifetime of insulating film
US7106087B2 (en) Method and apparatus for evaluating semiconductor device
Rathaur et al. Time-dependent multiple gate voltage reliability of hybrid ferroelectric charge trap gate stack (FEG) GaN HEMT for power device applications
Ryan et al. On the contribution of bulk defects on charge pumping current
Maslougkas Gate oxide characterization of 4H-SiC MOS capacitors: A study of the effects of electrical stress on the flat-band voltage of n-type substrate 4H-SiC MOS capacitors
JP2584093B2 (en) Insulation film reliability evaluation method
JP2004191272A (en) Evaluation method of mis semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20130801