Steffen Huth

Durchbruchsverhalten von Gateoxiden: Einfluss eingewachsener Defekte und metallischer Verunreinigungen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 29.05.2002

Abstract
Hochreine Silizium-Einkristalle enthalten verschiedenste Mikrodefekte. Solche eingewachsenen Defekte, z.B. oktaedrische Leerstellencluster (Voids) können zu einer lokal verminderten Spannungsfestigkeit im elektrisch isolierenden Gate-Oxid von MOS-Strukturen führen. Neben eingewachsenen Defekten wirken sich auch metallische Verunreinigungen negativ auf das Durchbruchsverhalten von Gateoxiden aus. Bisher konnten GOI-Defekte nur auf kleinen Flächen von einigen mm2 lokalisiert werden.
Die Motivation dieser Arbeit besteht darin, eine Methode zu entwickeln, die es erlaubt, elektrisch aktive GOI-Defekte großflächig, d.h. über ganze Wafer, abzubilden. Zunächst wurde eine Methode entwickelt, mit der sich GOI-Defekte großflächig durchbrechen lassen.
Die Lock-in IR-Thermographie wurde zum erstenmal für die Abbildung der durchgebrochenen GOI-Defekte verwendet und so die Defektverteilung über ganze Wafer sichtbar gemacht. Der Einfluss eingewachsener Defekte und metallischer Verunreinigungen wie Kupfer und Nickel auf das Durchbruchsverhalten von Gateoxiden wird untersucht, wobei neben der Durchbruchsspannung und der Defektdichte auch erstmalig die Defektverteilung berücksichtigt wurde. Die strukturelle Ursache einzelner GOI-Defekte wird mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) abgebildet.

High perfection silicon crystall still contains a variety of microdefects. Grown-in defects like octaedric vacancy clusters (voids) may cause gate oxide integrity defects (GOI-defects) i.e. a local reduction of the breakdown voltage of the insolating gate oxid in MOS devices. Besides grown-in defects also metallic contamination may result in a drastic reduction of the breakdown voltage. So far, GOI-defects could only be localized on small areas in the order of some mm2.
The motivation of this work is to develop a method, which allows to image the GOI-defect distribution across whole wafers (200 mm and bigger) and to determine the local GOI-defect density. First, a special method for the simultaneous breakdown of all GOI-defects across large areas is developed. In the second step Lock-in IR-Thermography was used the first time for the detection of the GOI-defects and the imaging of the GOI-defect distribution across whole wafers. The influence of grown-in defects and of metallic contamination like copper and nickel on the gate oxide properties were investigated. Besides the evaluation of the breakdown voltage and the defect density also the lateral distribution of grown-in defects across a whole wafer could be observed for the first time. In addition to the determination of the GOI-defect density and distribution, the defect origin was investigated using FIB/TEM.

Keywords:
Gateoxidintegrität, eingewachsene Defekte, Void, Mapping von Gateoxid-Defekten, Lock-in IR-Thermographie, Nickelkontamination, Kupferkontamination

gate oxide integrity, grown-in defect, void, mapping of gate oxide integrity defects, Lock-in IR-Thermography, nickel contamination, copper contamination

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (i-iv)
1 Einleitung (1-2)
2 Grundlagen (3-21)
3 Untersuchungsmethoden (22-34)
4 Anwendung der Lock-in IR-Thermographie zur Abbildung von GOI-Defekten (35-48)
5 Durchbruchsverhalten von Gateoxiden: Einfluss eingewachsener Defekte und metallischer Verunreinigungen (49-69)
6 EBIC Untersuchungen (70-73)
7 Sekundärionen Massenspektrometrie (SIMS) (74-75)
8 Strukturelle Untersuchungen mit TEM (76-88)
9 Diskussion (89-98)
10 Zusammenfassung (99-102)
Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis (I-IV)
Literaturverzeichnis (V-XII)