Разработка измерительного комплекса для контроля и исследования субмикронной КМОП технологии электрофизическими методами

Орешков, Максим Викторович

Разработка измерительного комплекса для контроля и исследования субмикронной КМОП технологии электрофизическими методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Орешков, Максим Викторович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка измерительного комплекса для контроля и исследования субмикронной КМОП технологии электрофизическими методами»

Автореферат диссертации на тему "Разработка измерительного комплекса для контроля и исследования субмикронной КМОП технологии электрофизическими методами"

005042600

С./

На правах рукописи

Орешков Максим Викторович

РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СУБМИКРОНПОЙ КМОП ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность: 01.04.10 - Физика полупроводников

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

|1 0 [.¡¿.г, 2012

Москва 2012

005042600

Работа выполнена в Национальном исследовательском университете «МЭИ».

Научный руководитель -

кандидат технических наук, профессор Солдатов Валерий Сергеевич Официальные оппоненты:

лауреат Ленинской премии, заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор старший научный сотрудник ФГУП «18ЦНИИ» МО РФ Аладинский Владимир Константинович

доктор технических наук, зам. начальника ЦКБ ОАО «МЗ Сапфир» Астахов Владимир Петрович

Ведущая организация:

Научно-Исследовательский Институт Системных Исследований РАН (г. Москва)

Защита диссертации состоится « •м^Л. 2012 г. в ^ б часов на заседании со-

вета по защите докторских и кандидатских диссертаций ■

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

Автореферат разослан «23 » 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.06 Мирошникова И.Н.

д.т.н., профессор

Общая характеристика работы

Актуальность. С момента изобретения первой интегральной схемы прошло уже более 40 лет, и все это время магистральным направлением развития микроэлектроники оставалось и продолжает оставаться повышение степени интеграции в интегральной схеме (ИС), Развитие технологии производства структур типа «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП-структур) к концу 1960-х годов позволило наладить выпуск ИС на их основе и начать активное движение в направлении повышения степени интеграции и снижения стоимости производства ИС.

Переход к новым топологическим нормам (ТН) сопровождается постоянным совершенствованием технологического оборудования, разработкой новых конструктивно-технологических решений, усложнением технологического процесса с целью обеспечения возможности реализации элементов ИС с меньшими размерами. Большое разнообразие вариантов исполнения и методов их реализации приводит к существенному увеличению количества конструктивно-технологических факторов, влияющих на характеристики ИС.

В производственной практике изготовления ИС постоянно приходится решать задачу контроля и оптимизации технологического процесса с целью улучшения его выходных характеристик и повышения выхода годных. Основой для решения данной задачи является создание управляемой технологии, цель которой заключается в целенаправленном воздействии на входные и выходные параметры технологических операций. Информационной основой для решения подобной задачи являются результаты исследования тестовых элементов параметрического монитора (ПМ) ИС или тестового характеристического кристалла технологии в зависимости от этапа производства ИС (серийное производство или разработка) и поставленной задачи. Набор тестовых структур, входящих в состав ПМ, а также система параметров и методики их определения должны обеспечивать в рамках конкретной технологии возможность контроля качества проведения технологических операций и воспроизводимости технологического процесса. На этапе разработки или оптимизации конструкции элементов ИС, а также при углубленном анализе брака требуется выпуск специального кристалла, позволяющего полностью охарактеризовать состояние технологического процесса и локализовать технологическую операцию, приводящую к наблюдаемым изменениям, и применение расширенного углубленного анализа тестовых элементов на этом кристалле. Данный вид анализа занимает в иерархии следующий после операционного контроля уровень и позволяет достаточно оперативно получать информацию нераз-рушающими методами. При этом некоторую важную информацию можно получать только с использованием этого уровня анализа.

Применительно к технологии производства комплементарных ИС на основе структур металл-оксид-полупроводник (КМОП) с субмикронной ТН основным объектом для изучения и контроля технологического процесса становится тестовый транзистор на основе структуры металл-оксид-полупроводник (МОПТ), который, по возможности, должен соответствовать конструктивным и технологическим решениям транзистора в реальной ИС.

В реальной технологической практике осуществляется, как правило, операционный контроль весьма ограниченного набора параметров тестового транзистора, который дает достаточную информацию о стабильности технологического процесса в целом, но является недостаточным для диагностики отдельных блоков технологических операций. В этом случае, важной задачей становится создание системы информационных параметров тестовых структур, анализ которых позволил бы установить их более однозначную связь с технологическим процессом изготовления. Это, в свою очередь, делает необходимым применение наиболее информативных методов исследования электрофизических (ЭФ) параметров таких транзисторов и совместной реализации этих методов для каждого конкретного случая в едином измерительном цикле.

Применительно к субмикронной технологии, ключевой особенностью исследования тестовых структур является необходимость регистрации сверхмалых токов с приемлемой точностью и воспроизводимостью, а также применение и адаптация к конкретной технологии специальных методик исследования ЭФ характеристик.

На сегодняшний день в России практически отсутствуют работы, посвященные электрофизическим исследованиям субмикронных КМОП технологий. При этом для повышения выхода годных кристаллов ИС, диагностики отдельных блоков технологических операций и перехода в более глубокий субмикронный диапазон требуется разработка и применение методов углубленного электрофизического контроля и исследований.

Вышесказанное определило цель данной работы — разработка и создание измерительного аппаратпо-методического комплекса для исследования субмикронной технологии производства КМОП ИС электрофизическими методами, позволяющего решать задачи диагностики и совершенствования технологических процессов изготовления субмикронных ИС.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

1) Провести анализ информативности и достаточности существующей системы операционного контроля в части измерений на ПМ ИС ЭФ параметров для определения имеющихся связей с параметрами технологических операций.

2) Расширить состав ЭФ параметров, измеряемых в ходе операционного контроля технологического процесса производства субмикронных КМОП ИС с целью получения более однозначной связи их значений с конструктивно-технологическими параметрами тестовых структур. Провести анализ расширенной системы ЭФ параметров для оценки воспроизводимости и возможностей технологического процесса.

3) Создать комплекс взаимодополняющих электрофизических методов измерения расширенного перечня ЭФ параметров для целей как операционного контроля технологического процесса, так и углубленного исследования физических процессов в подзатворной системе тестовых МОП транзисторов и конденсаторов при различных воздействиях (высокой напряженностью электрического поля, ионизирующим излучением, горячими носителями и др.) и уменьшении ТН в рамках конкретной субмикронной технологии КМОП ИС. Данная задача разбивается на два этапа:

а) Выбор наиболее-информативных методов и их адаптация для имеющегося оборудования и технологии изготовления (конструктивно-технологических особенностей) тестовых элементов.

б) Подготовка и модернизация измерительного оборудования, обеспечивающего необходимую точность, чувствительность, воспроизводимость и автоматизацию измерений.

4) Проследить динамику изменения ЭФ параметров при уменьшении ТН с целью выявления операций технологического процесса, определяющих возможность перехода на новую ТН.

Последняя задача состояла из нескольких взаимодополняющих этапов:

а) Исследование надежности подзатворного диэлектрика при уменьшении толщины от 6 нм до 4.5 нм.

б) Определение лимитирующих конструктивно-технологических параметров МОПТ, препятствующих уменьшению ТН.

в) Исследование особенностей зарядовых явлений в подзатворной системе тестовых МОПТ и МОП-структур при высокополевых воздействиях с целью выявления латентных и других дефектов, определяющих долговременную стабильность параметров ИС при внешних воздействиях, и определения возможности перехода па новую ТН.

Научная новизна работы

1) На основе разработанной структурной схемы взаимосвязей электрических параметров тестовых структур ПМ с их конструктивно-технологическими параметрами и формирующими блоками технологических операций, а также статистического и корреляционного анализа показана необходимость операционного контроля расши-

ренного перечня ЭФ параметров и проведения углубленных исследований для установления более однозначной связи их значений с параметрами технологических операций.

2) Разработан измерительный комплекс, включающий систему дополнительных параметров для тестовых структур ПМ и позволяющий проводить углубленные исследования МОП-транзисторов и структур взаимодополняющими методами при однократном подсоединении (в том числе методами зарядовой накачки и ОЮЬ-характеристик), метрологические характеристики и экспрессного которого позволяют использовать его в субмикронной КМОП технологии.

3) Разработан оригинальный метод экстракции профиля распределения примеси вдоль канала МОПТ из зависимости тока зарядовой накачки от напряжения базового уровня затворных импульсов постоянной амплитуды, учитывающий поверхностный потенциал поликремниевого затвора и заряд ПС. Метод минимизирует воздействие условий измерения на зарядовое состояние подзатворной системы МОПТ.

4) С использованием трех методов исследования - мониторинга тока через диэлектрик в процессе воздействия, метода зарядовой накачки и подпороговых ВАХ МОПТ - выявлены особенности и предложена качественная модель физических явлений при воздействиях поля высокой напряженности в подзатворной системе МОПТ, изготовленных в рамках конкретной субмикронной технологии.

Практическая значимость работы

Созданный измерительный комплекс был применен в рамках технологии экспериментального участка НИИСИ РАН для исследования короткоканальных эффектов, эффектов горячих носителей и зарядовых явлений в подзатворной системе МОПТ.

Разработанная система информационных параметров была использована при расширенном анализе технологического процесса и может быть внедрена в систему операционного контроля без существенной потери его оперативности.

Разработанный комплекс электрофизических методов может быть использован для периодического неразрушающего контроля и исследования электрофизических характеристик тестовых структур в субмикронной КМОП технологии.

Полученные результаты в рамках конкретной технологии могут быть использованы при решении задач, связанных с уменьшением ТН и при расширенном анализе брака с целью выявления ответственных технологических операций.

Выявленные конструктивно-технологические особенности тестовых структур могут быть использованы для улучшения конструкции тестовых элементов, при разработке методов измерения предлагаемых ЭФ параметров на технологическом оборудовании и при интерпретации получаемых результатов.

Достоверность результатов

Все сделанные в работе выводы основываются на хорошо воспроизводимых экспериментальных результатах, полученных на современном оборудовании. Результаты находятся в соответствии с известивши физическими моделями и эффектами.

Положения, выносимые на защиту

1. Измерительный комплекс, включающий систему дополнительных параметров для тестовых структур ПМ и позволяющий проводить углубленные исследования МОП-транзисторов и структур взаимодополняющими методами при однократном подсоединении (в том числе методами зарядовой накачки и (Ж>Х-характеристик), метрологические характеристики и экспрессность которого позволяют использовать его в субмикронной КМОП технологии.

2. Выводы и результаты, полученные с использованием созданного измерительного комплекса при исследовании динамики изменения короткоканальных эффектов и эффектов «горячих носителей» при уменьшении ТН в рамках конкретной технологии.

3. Метод экстракции профиля распределения примеси вдоль канала МОПТ из зависимости тока зарядовой накачки от напряжения базового уровня затворных импульсов постоянной амплитуды, минимизирующий воздействие условий измерения на зарядовое состояние подзатворной системы МОПТ.

4. Качественная модель зарядовых явлений в подзатворной системе и-МОПТ при воздействиях высокой напряженностью электрического поля положительной и отрицательной полярности.

Апробация работы

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на международной научно-технической конференции "Инновационные технологии в науке, технике и образовании" (2009, Египет), ХУП и XVIII Международных конференциях «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (2010, 2011, Москва), семинарах в отделении микротехнологии НИИСИ РАН, а также на XVI и XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2010,2011, Москва).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них - 2 статьи в научно-техническом журнале из перечня ВАК России, 4 статьи в других изданиях, 4 работы в

тезисах докладов Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения, списка литературы, включающего 124 наименования, и двух приложений. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста и содержит 84 рисунка.

Содержание работы

Во «Введении» дано обоснование актуальности обозначенных проблем, их практической значимости и сформулированы цели и задачи работы.

В первой главе «Анализ возможностей технологии на базе электрофизических параметров параметрического монитора» проведен анализ общепринятых приборных характеристик и предлагаемой системы информационных ЭФ параметров технологического процесса. Разработана структурная схема взаимосвязей стандартных и дополнительных ЭФ параметров со структурными параметрами МОПТ и между собой. С помощью статистического и корреляционного анализа на примере пластины, изготовленной в НИИСИ РАН, показано применение информационных параметров при анализе технологических причин возможных изменений приборных характеристик МОПТ и ИС.

При составлении схемы за отправную точку были взяты параметры МОПТ, уже имевшиеся в перечне операционного контроля. Выбор необходимых дополнительных параметров производился согласно рекомендациям стандарта по квалификации технологического процесса производства ИС ГСОЕС/РЗЛ Л>001.01 в части ПМ. Характеристики условно разбиты на несколько уровней в зависимости от количества параметров, которые на них могут влиять, таким образом, что более независимые характеристики располагаются на более низком уровне. В основе схемы лежит обобщенная технологическая цепочка, состоящая из блоков технологических операций, от которой ведутся взаимосвязи к параметрам, по которым можно судить о качестве и воспроизводимости конкретного блока операций. Самый верхний уровень составляют приборные параметры МОПТ, которые уже входили в план операционного контроля. Остальные параметры являются дополнительными и не подлежали операционному контролю, а профили концентрации, - общий профиль Ыв(ху), профиль концентрации в кармане МОПТ Ы^ху) и профиль легирования областей стока и истока включая область ШД - присутствуют на схеме для иллюстрации взаимосвязей и являются сложными характеристиками, которые частично можно получить с помощью специальных методов исследования. В схему включен также параметр ЬШж, который

является топологической длиной затвора МОПТ и определяется с помощью измерительного растрового электронного микроскопа.

В качестве рекомендуемых параметров предлагаются следующие:

1) \ieff~ эффективная подвижность носителей заряда в канале МОПТ;

2) gm - максимальная крутизна передаточной характеристики при малом напряжении на стоке;

3) 5-параметр - крутизна подпороговой передаточной вольтамперной характеристики (ВАХ) МОПТ;

4) эффективная длина канала МОПТ;

5) Кд— эффективная концентрация в канале МОПТ, определяющая эффект подложки, или эффективная концентрация в кармане МОП-конденсатора (отличная от МОПТ, но имеющая близкий смысл), определенная по высокочастотной вольт-фарадной характеристике (ВЧ ВФХ);

6) ¡апт. - токи утечки стокового и истокового р-и-перехода (по-отдельности), индуцированный полем затвора.

7) Д, - средняя плотность поверхностных состояний (ПС) в МОПТ, определенная по методу зарядовой накачки [2];

8) Ди> - последовательное (остаточное) сопротивление областей стока и истока, определенное либо попутно с эффективной длиной канала, либо по крутизне выходной ВАХ в линейной части при малом напряжении на стоке и номинальном напряжении на затворе\УС\ = 3.3 В.

9) ЕОТ - эффективная толщина подзатворного диэлектрика, определенная на МОП-конденсаторе по ВЧ ВФХ для каждого конструктивно-технологического решения (т. е. на п-подложке с затвором и на р-подложке с л^* затвором).

10) эффективный заряд в полупроводнике в режиме плоских зон, определенный по ВЧ ВФХ на МОП-конденсаторе и несущий интегральную информацию о разности работ выхода Ф^ и зарядах <20( (захваченный заряд), (фиксированный заряд) и (заряд ПС при нулевом значении поверхностного потенциала).

На основе разработанной структурной схемы взаимосвязей электрических параметров тестовых структур ПМ с их конструктивно-технологическими параметрами и формирующими блоками технологических операций, а также статистического и корреляционного анализа результатов измерения дополнительных параметров было показано, что предложенная система параметров позволяет более однозначно выделить блок технологических операций, определяющих приборные параметры тестового МОПТ и функционирования ИС, и определить дальнейшее направление исследований. Уже на этой стадии операционного контроля выявлена проблема плохой воспро-

изводимости эффективной длины, которая может помешать дальнейшему уменьшению ТН без внесения изменений в технологический процесс.

Во второй главе «Исследование характеристик диэлектрика и возможности его утонения» в первой половине главы дается описание физики работы МДП-структур, краткий обзор методов их исследования и механизмов пробоя диэлектриков. Во второй половине главы дается описание измерительного комплекса для исследования МДП-структур, и проводится сравнительное исследование характеристик мгновенного и времязависимого пробоя МОП-структур с толщиной диэлектрика 6 и 4.5 нм, соответствующих технологическим процессам с ТН 0.35 и 0.25 мкм соответственно.

На основе хорошего совпадения ВАХ в осях Фаулера-Нордгейма для структур различной площади (274, 1238.6 и 13565 мкм2) делается вывод об однородное™ распределения тока по площади каждой структуры, протекании тока по механизму Фаулера-Нордгейма и высокой воспроизводимости измерений. Распределения в осях Вейбулла кумулятивной вероятности напряжения пробоя имеющихся тестовых структур с толщиной диэлектрика 6 нм показали, что собственный пробой основной

структуры происходит в основном только на структуре самой большой площади при напряжении выше 11.2 В. Для всех остальных структур пробой возникает в локализованной области структуры и не отражает характеристику собственного пробоя основной структуры. При этом характеристическое напряжение пробоя распределения Вейбулла (напря-мг^и/в хм- жение, при котором вероятность

Рис. 1. ВАХ в осях Фаулера-Нордгейма для пробоя равна 63.2%) составило и-МОП структур с толщиной диэлектрика 9.62 В для структур малой площади 4 5 нм и 9.08 В - для средней площади, что

существенно ниже по сравнению с большой площадью.

На ВАХ тонкого диэлектрика (рис. 1) в области малой напряженности (до 107 В/см) появляется ветвь тока, обусловленного отличным от механизма Фаулера-Нордгейма механизмом протекания тока. Данный характер тока явно проявляется только на «-МОП-структурах, при этом графики в области высокой напряженности хорошо совпадают с р-МОП-структурой. Механизмом протекания тока, по всей видимости, служит прыжковый механизм через локальные уровни дефектов в объеме Si02, который обусловливает протекание SILC-тока (stress induced leakage current) [1].

Присутствие данного тока только у и-МОП-структур, скорее всего, вызвано проникновением бора в объем диэлектрика из р+-81-затвора. Кроме того, величина этого тока для исходных образцов неодинакова по площади пластины. Как видно на рис. 1, имелись такие исходные образцы, у которых данный ток вовсе отсутствовал, а ВАХ практически совпадала с ВЛХ ¿>-МОП-струк'гур. Дополнительно был проведен эксперимент, подтверждающий появление и изменение этого тока в зависимости от величины протекшего заряда. Данное обстоятельство свидетельствует о неоднородном заряжении поверхности пластины при проведении плазмохимических процессов, а проявление 57ХС-тока только на л-МОП-структурах связано с их большей чувствительностью к воздействию поля высокой напряженности.

По-видимому, та же причина (проникновение бора) ответственна за снижение качества диэлектрика у «-МОП-структур с толщиной диэлектрика 4.5 нм, которое выражается в уменьшении параметра |3 на распределениях кумулятивной вероятности в осях Вейбулла для напряжения пробоя и заряда до пробоя (рис. 2 а, б).

л-МОП, 4.5 им -Р =38.7, Увз=7.63

р-МОП, 4.5 нм -Р = 72.9, Р -7.66

а)

ф -0.5

" + р-МОП, 4.5 нм б) /У-

---р - 3.49, Оа= 17.8

о п-МОП, 4.5 нм

.--р = 2.26,18.2 У" //

о> /

/о /

/ ° V V +

.Напряжение пробоя V . В

Протекший зарян до пробоя О Кул/см*

Рис. 2. Кумулятивная вероятность в осях Вейбулла для напряжения пробоя (а) и протекшего заряда (б) для МОП-структур с толщиной диэлектрика 4.5 нм.

Распределения в осях Вейбулла кумулятивной вероятности заряда до пробоя для структур с толщиной диэлектрика 6 нм показали отсутствие масштабируемости по площади подзатворного диэлектрика, что подтверждает локализацию пробоя и неприменимость данных структур, в частности, для вычисления параметра распределения р и оценки срока службы.

В третьей главе «Комплекс электрофизических методов для исследования субмикронной КМОП технологии» приводится описание принципа работы МОПТ, его основных параметров, особенностей субмикронных МОПТ, проводится обзор ключевых методов исследования субмикронных МОПТ, включая методы зарядовой накачки [2-4], метод с использованием характеристики ОД)£-тока [5] (ток утечки стокового р-и-перехода, индуцированный полем затвора), метод подпороговых ВАХ [6], а также

обзор по особенностям деградации п- и р-канальных МОПТ. Вторая половина главы посвящена описанию разработанного комплекса электрофизических методов для контроля и исследования субмикронных МОПТ и его апробации для исследования эффектов короткого канала и горячих носителей в субмикронной технологии с ТН 0.25 мкм.

Основные требования, предъявляемые к оборудованию при реализации вышеперечисленных методов, которые были сформулированы и удовлетворены в созданном измерительном комплексе, следующие:

1. Чувствительность по постоянному току - 10"14 А.

2. Измерение тока зарядовой накачки от 10"13 А при частоте импульсов в диапазоне от 50 кГц (или ниже) до 1 МГц.

3. Амплитуда низкочастотного шума по току не более 10"14 А.

4. Абсолютная погрешность измерения тока не более 2-10" А.

5. Регулируемое высокостабильное напряжение с точностью до 0.1 мВ.

6. Стабильность метрологических характеристик.

7. По возможности автоматизация регистрации измерений.

Высокая чувствительность по току достигнута модификацией пикоамперметра КеШеу-480. Частичная автоматизация измерений была осуществлена с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Ь-САКО Е-154.

Перечисленные метрологические характеристики комплекса позволяют использовать его для исследования субмикронных МОПТ методами зарядовой накачки с возможностью регистрации одного поверхностного состояния (при частоте импульсов 1 МГц), что дает возможность осуществлять профилирование числа состояний и встроенного заряда в диэлектрике по длине канала МОПТ [3, 4], а также получать профиль распределения примеси вдоль канала с помощью разработанного метода. Кроме того, комплекс позволяет проводить исследования МОПТ с применением характеристики вЮЬ-тока и других ВАХ. Созданный блок коммутаций позволяет реализовать перечисленные методы без потери чувствительности при однократном подсоединении тестового МОПТ. Это обеспечивает, наряду с использованием АЦП,

напряжение на стоке В

Рис. 3. Зависимость V, от Уп для МОПТ с разной проектной длиной затвора.

базовый уровень Уь, В

Рис. 4. Зависимости тока 1ср от напряжения Уь для п- и р-МОПТ с разной длиной затвора.

требуемую для периодического контроля технологии оперативность проведения исследований и получение воспроизводимых результатов.

Исследование короткоканальных эффектов при уменьшении ТН.

Результаты по исследованию зависимости порогового напряжения V, от напряжения на стоке Ув по под-пороговым ВАХ (рис. 3), характера зависимости тока зарядовой накачки 1С!> от напряжения базового уровня затворных импульсов Уь и величины максимума тока 1ср при уменьшении длины затвора (рис. 4) в субмикронной технологии с ТН 0.25 мкм обнаруживают сильную (гораздо более ожидаемой в пределах изменения длины затвора) зависимость от проектной длины затвора. Это однозначно указывает на сильное отличие эффективной и топологической длины канала от проектной длины затвора МОГ1Т. Данное заключение подтверждено прямой оценкой эффективной длины канала по методу [7], уменьшающему влияние слаболегированных ¿ДО-областей. Значение величины перекрытия затвором областей стока и истока составило -0.16 мкм для и-МОПТ и 0.15 мкм для р-МОПТ при предполагаемых топологических длинах затвора 0.18, 0.23 и 0.26 мкм для я-МОПТ и 0.19, 0.23 и 0.26 мкм для р-МОПТ В дополнение к этому, с помощью разработанного метода, описанного далее, были получены профили концентрации примеси вдоль канала п- и р-МОПТ (рис. 5), наглядно демонстрирующие характер про-

о.ог 0.03 0.04 0.05 0.06 Расстояние от края затвора, мкм

Рис. 5. Зависимость концентрации примеси от расстояния от края затвора для п- и р-МОПТ.

филя, а также возможности метода зарядовой накачки, разработанного метода и метрологических возможностей разработанного комплекса.

В разделе 3.6 приводятся результаты использования измерительного комплекса для исследования воздействия горячих носителей в режиме максимума тока подложки в субмикронной технологии с ТН 0.25 мкм. На рис. 6 представлены зависимости изменения порогового напряжения АУ, от времени воздействия для МОПТ с разной длиной затвора в прямом и обратном включении (сток меняется на исток). Резкое усиление степени деградации (по изменению порогового напряжения и плотности ПС) и снижение асимметрии величины АГ, при различных включениях с уменьшением топологической длины затвора от 0.24 мкм до 0.2 мкм свидетельствует о существенном усилении эффектов горячих носителей. В конкретной технологии (совместно с вышеизложенными данными по исследованию короткоканальных эффектов) это связано с проблемой сток-истоковой инженерии: малой (по сравнению с топологической) эффективной длиной канала, обусловленной «размытыми» профилями легирования сток-истоковых областей, низкой подвижностью носителей в канале, высоким последовательным сопротивлением.

Метод экстракции профиля распределения примеси вдоль канала МОПТ.

Ввиду важности контроля профиля легирования областей стока и истока в рамках сток-истоковой инженерии был разработан метод, позволяющий проводить экстракцию этого профиля из зависимости тока зарядовой накачки от напряжения базового уровня затворных импульсов постоянной амплитуды (т. е. используя стандартный метод зарядовой накачки [2]). Реализация данного метода стала возможной благодаря достигнутой точности и чувствительности измерительного комплекса по току зарядовой накачки. В разделе 3.7 последовательно приводятся все этапы метода и основные закономерности, используемые при численном нахождении концентрации в каждой точке вдоль канала МОПТ. Метод оформлен в виде программы на языке

Исследование эффектов горячих носителей.

Рис. 6. Зависимость Д V, от времени стресса для п- и ¿»-МОПТ в прямом (символы с заливкой) и обратном (без заливки) с длиной затвора: квадрат - 0.2 мкм; треугольник - 0.22 мкм, круг —0.24 мкм.

МАТЬАВ, которая приводится в приложении 2 диссертации. На примере МОПТ с длиной затвора 0.35 мкм и шириной 20 мкм проводится исследование влияния основных входных параметров на результат вычисления профиля концентрации, а именно:

а) толщина подзатворного оксида ¡ох',

б) геометрические размеры затвора транзистора - длина Ьа и ширина

в) значение эффективного сдвига подпороговой ВАХ У0, за счет влияния встроенного заряда в диэлектрике;

г) амплитуда затворных импульсов УА',

д) плотность ПС Д, и степень легирования поликремниевого затвора

Было обнаружено, что наибольшее влияние на результат экстракции профиля оказывает точность определения величины У01.

Достоинство метода заключается в том, что он позволяет избежать необходимости приложения высокой напряженности электрического поля к подзатворному диэлектрику в процессе измерения тока зарядовой накачки, способной привести к изменению зарядового состояния подзатворной системы МОПТ. Метод прост в реализации и может быть использован для оперативного контроля при решении задач, связанных со сток-истоковой инженерией.

В четвертой главе «Зарядовые явления в подзатворной системе и-МОПТ при высокополевых воздействиях» проводится комплексное исследование особенностей зарядовых явлений в подзатворной системе «-канальных МОПТ, изготовленных в рамках технологического процесса с ТН 0.35 мкм, но имеющих длину затвора 2.0 мкм. Воздействие осуществлялось высокой напряженностью электрического поля при положительной и отрицательной полярности напряжения на затворе и двух значениях напряжения - |Ке| = 7и8В-в несколько этапов. В процессе воздействия регистрировался ток через затвор МОПТ. По окончании каждого этапа воздействия проводилось измерение подпороговых ВАХ и тока зарядовой накачки.

При положительной полярности (инжекции из подложки) имеет место быстрая фаза встраивания положительного заряда и роста плотности ПС в течение первых 60 секунд воздействия при Уа = 8 В, которая эффективно «растягивается» во времени при Ко = 7 В, а результат зависит от величины протекшего заряда. Далее следует постепенное встраивание отрицательного заряда с эффективным сечением захвата ~10"19 см2. При отрицательной полярности также происходит относительно быстрый рост плотности ПС, однако встраивание положительного заряда происходит на каждом этапе воздействия, причем ток через диэлектрик в начале каждого этапа не совпадает с током в конце предыдущего этапа, в отличие от воздействия при положительной полярности. При длительных временах воздействия наблюдается встраивание отрицательного заряда с эффективным сечением захвата 7,5- Ю"20 см2.

Имея в виду прямую зависимость роста плотности ПС от величины протекшего заряда и ее корреляции с величиной положительного заряда, был сделан вывод, что при положительной полярности первая фаза представляет собой Интенсивную депас-сивацию технологически обусловленных БШ связей, инициируемую движением И1" к границе раздела Б^-БЮг при данной полярности напряжения на затворе [8], который также выступает ограниченным источником положительного заряда. При отрицательной полярности на затворе, учитывая практически идентичный рост плотности ПС в зависимости от протекшего заряда, но постоянное встраивание положительного заряда в начале каждого этапа воздействия, сделан вывод, что происходит непосредственная генерация ПС на внутренней границе вь-БЮг за счет разрыва БьН-связей либо через воздействие энергетичных электронов [9], либо по механизму инжекции горячих дырок (АН1— модель) [10]. При этом положительный заряд обусловлен состояниями в объеме 8102, обменивающимися зарядом по механизму медленного захвата.

Основпые выводы и результаты, полученные в диссертационной работе:

1) Разработана структурная схема взаимосвязей приборных ЭФ характеристик тестовых МОПТ с формирующими блоками технологических операций через предлагаемую систему дополнительных информационных параметров. С помощью статистического и корреляционного анализа показано, что для установления более достоверных взаимосвязей с параметрами технологических операций необходим операционный контроль дополнительных информационных ЭФ параметров и проведение углубленных исследований.

2) С использованием части комплекса для исследования МОП-структур показано, что уменьшение толщины диэлектрика от 6 нм до 4.5 им на исследованных образцах приводит к следующим ключевым результатам:

а) Из сравнения ВАХ и статистики Вейбула по напряжению пробоя и заряду до пробоя для р- и гс-МОП-структур следует, что усиливается влияние проникновения бора из материала затвора для и-МОП-структур с толщиной диэлектрика 4.5 нм: при малой напряженности (до ~7.6106В/см) появляется ток, индуцированный стрессом; снижается воспроизводимость по напряжению мгновенного пробоя Ум и заряда до пробоя Данное обстоятельство может послужить дополнительным фактором снижения надежности диэлектрика у и-МОП-структур.

б) Имеет место различный характер заряжения МОП-структур перед катастрофическим пробоем: для структур с толщиной диэлектрика 6 нм характерно встраивание отрицательного заряда вблизи инжектирующей границы, а для структур с толщиной 4.5 нм — положительного. Это обстоятельство может повлиять на долговременную стабильность параметров приборов на основе исследованных МОП-структур.

3) Из разброса SttC-тока на исходных структурах и динамики его изменения при стрессе был сделан вывод, что при проведении плазмохимических процессов на исследованной пластине имело место неоднородное заряжение поверхности, приводящее к эквиваленту различного значения начальной величины протекшего заряда у исходных структур, т. е. к накоплению заряда уже в процессе изготовления структур. Это может приводить к случайному и неконтролируемому снижению срока службы ИС. Данный эффект можно использовать для контроля качества проведения обозначенных процессов.

4) Разработан измерительный комплекс, включающий систему дополнительных параметров для тестовых структур ПМ и позволяющий проводить углубленные исследования МОП-транзисторов и структур взаимодополняющими методами при однократном подсоединении (в том числе методами зарядовой накачки и GIDL-характеристик), метрологические характеристики и экспрессность которого позволяют использовать его для контроля и исследования субмикронной КМОП технологии.

5) В рамках решения задачи уменьшения ТН до 0.25 мкм в конкретной технологии исследованы эффекты короткого канала и горячих носителей на МОПТ с разной длиной канала. Взаимодополняющими методами показано, что динамика изменения параметров при уменьшении длины канала свидетельствует о малой величине эффективной длины канала МОПТ по отношению к топологическим размерам, обусловленной «размытием» фронтов профилей легирования р-я-переходов стока и истока.

6) Разработан оперативный метод экстракции профиля распределения примеси вдоль канала МОПТ из зависимости тока зарядовой накачки от напряжения базового уровня затворных импульсов постоянной амплитуды. Проведен анализ влияния основных входных параметров, в том числе концентрации примеси поликремниевого затвора и заряда ПС, на результат экстракции профиля. Показано, что наибольшая погрешность в определении профиля концентрации будет связана с неточностью определения величины эффективного заряда, приведенного к границе раздела «канал МОПТ—диэлектрик», наведенного захваченным в объеме диэлектрика зарядом.

7) С использованием трех методов исследования — мониторинга тока через диэлектрик в процессе воздействия, метода зарядовой накачки и подпороговых ВАХ МОПТ - выявлены особенности и предложена качественная модель физических явлений при воздействиях поля высокой напряженности в подзатвориой системе МОПТ, изготовленных в рамках конкретной субмикронной технологии.

Список цитируемой литературы

1. Stathis J.H. Percolation models for gate oxide breakdown // J. Appl. Phys. 1999. Vol. 86.

P. 5757-5766.

2. Groeseneken G., Maes H.E., Beltran N., de Keersmaecker R.F. A reliable approach to charge-pumping measurements in MOS transistors // ШЕЕ Trans. ED. 1984. Vol. 31. No 1. P. 42-53.

3. Chen С., Ma T.-P. Direct Lateral Profiling of Hot-Carrier-Induced Oxide Charge and Interface Traps in Thin Gate MOSFET's // IEEE Trans. ED. Vol. 45. No 2. 1998. P. 512520.

4. Mahapatra S., Parikh C.D., Vasi J., Ramgopal Rao V., Viswanathan C.R. A direct charge pumping technique for spatial profiling of hot-carrier induced interface and oxide traps in MOSFET's // Solid-State Electronics. Vol. 43. 1999. P. 915-922.

5. Hon T. Drain-structure design for reduced band-to-band and band-to-defect tunneling leakage // IEEE Symp. VLSI Technology. Digest. 1990. P. 69.

6. McWhorter P.J., Winokur P.S. Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped-oxide charge in metal-oxide-semiconductor transistors // Applied Physics Letters. 1986. Vol. 48. No. 2. P. 133-135.

7. Sun J.Y.-C., Wordeman M.R., Laux S.E. On the accuracy of channel length characterization of LDD MOSFET's // IEEE Trans. ED. 1986. Vol. 33 P. 1556.

8. Rashkeev S.N., Fleetwood D.M., Schrimpf R.D., Pantelides S.T. Effects of Hydrogen Motion on Interface Trap Formation and Annealing // IEEE Trans. NS-51, №6, 2004. P. 3158-3165.

9. DiMaria D.J., Arnold D., Cartier E. Impact ionization and positive charge formation in

' silicon dioxide films on silicon //Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 60. P. 2118-2120.

10. Bude J.D., Weir B.E., Silverman P.J. Explanation of stress-induced damage in thin oxides И in IEDM Tech. Dig. 1998. P. 179-182.

Публикации по теме диссертации

Статьи, входящие в перечень гаданий, рекомендованных ВАК России:

1. Солдатов B.C., Орешков М.В., Драчков А.А. Диагностика механизмов установления зарядового состояния в подзатворной системе и-МОП транзисторов при высокополевых воздействиях // Вестник МЭИ. 2011. № 6. с. 180-184.

2. Орешков М.В., Солдатов B.C. Измерительный комплекс электрофизических методов для углубленного анализа субмикронной КМОП технологии // Вестник МЭИ. 2012. № I.e. 102-107.

Другие статьи и публикации в материалах и трудах конференций:

1. МДП-электроника: от микро- до наноэлектроники / B.C. Кондратенко, B.C. Солдатов, И.В. Рыжиков, A.M. Гуляев, М.В. Орешков // Труды международной научно-технической конференции "Инновационные технологии в науке, технике и образовании", Египет, 2009. T.l, М.: 2009 - с. 22-33.

2. Орешков М.В., Солдатов B.C. Измерительный комплекс для контроля технологии субмикронных КМОП ИС // XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. Докл. В 3-х Т. — М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т.1 - с. 286-287.

3. Орешков М.В., Солдатов B.C. Деградация электрофизических параметров транзисторов субмикронной КМОП ИС под воздействием горячих носителей // XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. Докл. В 3-х Т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 1 - с. 288-289.

4. Орешков М.В., Солдатов B.C. Измерительный комплекс для исследования и контроля субмикронной КМОП технологии // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс): Материалы докладов науч.-техн. семинара 23-25 ноября 2009 г. М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2010. - с. 183-189.

5. Орешков М.В., Солдатов B.C. Короткоканальные эффекты в субмикронной КМОП технологии с 4-нм подзатворным диэлектриком // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс): Материалы докладов науч.-техн. семинара 23-25 ноября 2009 г. М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2010. - с. 190-196.

6. Орешков М.В., Коновалов A.C., Солдатов B.C. Исследование мгновенного и время зависимого пробоя в тонких (45-68Ä) слоях диоксида кремния // XVII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. Докл. В 3-х Т. -М.: Издательский дом МЭИ, 2011. Т.1 -с. 283.

7. Орешков М.В., Драчков A.A., Солдатов B.C. Зарядовые явления в подзатворной системе NMOS-транзисторов с толщиной диэлектрика 7 нм при высокополевом воздействии // XVII Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. Докл. В 3-х Т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. Т.1-с. 284.

8. Солдатов B.C., Орешков М.В. Зарядовые явления в тонком (6,3 нм) подзатворном диэлектрике n-канальных МОП-транзисторов при высокополевом воздействии // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс): Мат. докл. науч.-техн. сем. (Москва 29.11 - 01.12 2010 г.). М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, МЭИ, 2011. с. 71-77.

Подписано в печать М.ОЦ, Aßfä Г. зак. /¿6" Тир. /¿>0 П.л.

Полиграфический центр МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Орешков, Максим Викторович, Москва

61 12-5/2534

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

на правах рукописи

Орешков Максим Викторович

РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СУБМИКРОННОЙ КМОП ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 01.04.10 — Физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

к-т техн. наук, профессор Солдатов В.С.

Москва 2012

Введение

Актуальность

С момента изобретения первой интегральной схемы прошло уже более 40 лет, и все это время магистральным направлением развития микроэлектроники оставалось и продолжает оставаться повышение степени интеграции в интегральной схеме (ИС) [1]. Развитие технологии производства структур типа «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП-структур) к концу 1960-х годов позволило наладить выпуск ИС на их основе и начать активное движение в направлении повышения степени интеграции и снижения стоимости производства ИС.

шающими методами. При этом некоторую важную информацию можно получать только с использованием этого уровня анализа.

Вышесказанное определило цель данной работы — разработка и создание измерительного аппаратно-методического комплекса для исследования субмикронной технологии производства КМОП ИС электрофизическими методами, позволяющего решать задачи диагностики и совершенствования технологических процессов изготовления субмикронных ИС.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

а) Выбор наиболее информативных методов и их адаптация для имеющегося оборудования и технологии изготовления (конструктивно-технологических особенностей) тестовых элементов.

Последняя задача состояла из нескольких взаимодополняющих этапов:

а) Исследование надежности подзатворного диэлектрика при уменьшении толщины от 6 нм до 4.5 нм.

б) Определение лимитирующих конструктивно-технологических параметров МОПТ, препятствующих уменьшению ТН.

Научная новизна работы

1)На основе разработанной структурной схемы взаимосвязей электрических параметров тестовых структур ПМ с их конструктивно-технологическими параметрами и формирующими блоками технологических операций, а также статистического и корреляционного анализа показана необходимость операционного контроля расширенного перечня ЭФ параметров и проведения углубленных исследований для уста-

новления более однозначной связи их значений с параметрами технологических операций.

2) Разработан измерительный комплекс, включающий систему дополнительных параметров для тестовых структур ПМ и позволяющий проводить углубленные исследования МОП-транзисторов и структур взаимодополняющими методами при однократном подсоединении (в том числе методами зарядовой накачки и ОГОЬ-характери-стик), метрологические характеристики и экспрессность которого позволяют использовать его в субмикронной КМОП технологии.

Практическая значимость работы

Достоверность результатов

Все сделанные в работе выводы основываются на хорошо воспроизводимых экспериментальных результатах, полученных на современном оборудовании. Результаты находятся в соответствии с известными физическими моделями и эффектами.

Положения, выносимые на защиту

¡.Измерительный комплекс, включающий систему дополнительных параметров для тестовых структур ПМ и позволяющий проводить углубленные исследования МОП-транзисторов и структур взаимодополняющими методами при однократном подсоединении (в том числе методами зарядовой накачки и (//¿^-характеристик), метрологические характеристики и экспрессность которого позволяют использовать его в субмикронной КМОП технологии.

Апробация работы

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на международной научно-технической конференции "Инновационные технологии в науке, технике и образовании" (2009, Египет), XVII и XVIII Международных конференциях «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (2010, 2011, Москва), семинарах в отделении микротехнологии НИИСИ РАН, а также на XVI и XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2010, 2011, Москва).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них - 2 статьи в научно-техническом журнале из перечня ВАК России, 4 статьи в других изданиях, 4 работы в тезисах докладов Международной научно-технической конференции студентов и ас-пи-рантов.

Структура и объем диссертации

Содержание

Введение...............................................................................................................................2

Глава 1 Анализ возможностей технологии на базе электрофизических параметров параметрического монитора..................................................................................................10

1.1 Состав электрофизических параметров параметрического монитора.................10

1.2 Анализ результатов измерения дополнительных параметров..............................14

1.2.1 Описание параметров.......................................................................................14

1.2.2 Статистика параметров по пластине...............................................................18

1.2.3 Корреляционный анализ...................................................................................25

1.3 Выводы......................................................................................................................27

Глава 2 Исследование характеристик диэлектрика и возможности его утонения.........28

2.1 МДП-структура........................................................................................................28

2.1.1 Идеальная МДП-структура..............................................................................28

2.1.2 Реальная 8ь8Ю2 МОП-структура...................................................................32

2.1.3 Вольтфарадные характеристики......................................................................33

2.1.4 Получение плотности ПС по ВФХ..................................................................36

2.1.5 Основные механизмы и модели пробоя тонких диэлектриков......................39

2.1.6 Распределение Вейбулла и теория перколяции...............................................41

2.2 Исследование качества подзатворного диэлектрика субмикронных ИС с ТН 0.35 мкм и 0.25 мкм........................................................................................................44

2.2.1 Экспериментальная установка и методы измерения......................................44

2.2.2 Описание экспериментальных МОП-структур...............................................46

2.2.3 Исследование мгновенного пробоя..................................................................47

2.2.4 Исследование времязависимого пробоя..........................................................53

2.3 Выводы......................................................................................................................57

Глава 3 Комплекс электрофизических методов для исследования МОПТ в субмикронной КМОП технологии......................................................................................................59

3.1 Принцип работы и особенности субмикронных МОПТ.......................................59

3.1.1 Структура и принцип работы МДП-транзистора...........................................59

3.1.2 Активный режим работы МОПТ.....................................................................60

3.1.3 Подпороговый режим работы МОПТ..............................................................63

3.1.4 Основные параметры МОПТ и методы их определения................................65

3.1.5 Масштабирование размеров МОПТ................................................................71

3.1.6 Геометрические эффекты при уменьшении размеров МОПТ.......................73

3.1.7 Эффекты горячих носителей............................................................................76

3.1.8 Ток утечки р-п-перехода, индуцированный полем затвора (СтГОЬ)...............77

3.2 Методы исследования субмикронных МОПТ........................................................80

3.2.1 Метод анализа подпороговых ВАХ.................................................................80

3.2.2 Классический метод зарядовой накачки..........................................................81

3.2.3 Профилирование продольного распределения заряда и плотности ПС в субмикронных МОПТ.....................................................................................................86

3.2.4 Диагностика с использованием GIDL-тока.....................................................91

3.3 Особенности деградации МОПТ.............................................................................93

3.3.1 Особенности деградации n-канальных МОПТ...............................................93

3.3.2 Особенности деградации р-канальных МОПТ...............................................96

3.4 Измерительный комплекс для исследования субмикронных МОПТ...................98

3.4.1 Требования,