Материал: Физика деградационных процессов в компонентах МОП СБИС. Акулинин С.А., Минаков С.А

2.4.Прогнозирование надежности затворного окисла и оптимизация отбраковочных испытаний

ВВЕДЕНИЕ

Усложнение функций, выполняемых ИС, обусловливает уменьшение размеров элементов схем и увеличение площади кристалла. При этом растут требования, предъявляемые к надежности ИС.

Для оценки возможностей длительной наработки и сохраняемости ИС следует выявить дефекты, которые сказываются на надежности в разные периоды работы схем. Конечно, для обеспечения надежной работы ИС необходимо учитывать все группы дефектов, но для длительной наработки прежде всего те, которые не очень четко выявляются при заводских испытаниях ИС и аппаратуры. Такого рода дефекты должны быть устранены в первую очередь, чтобы обеспечить высокую надежность ИС и аппаратуры. В принципе, развитие микроэлектроники, ведущее к уменьшению размеров компонентов ИС, повышению плотности упаковки ИС на кристалле, уменьшению размерного фактора и ширины линий металлизации, может вызвать снижение надежности ИС, повышение чувствительности к деградации, а значит и сокращение долговечности ИС. Во многих работах подчеркивается, что долговечность должна форсированно снижаться при уменьшении размерного фактора. Отмечается, что в элементах с уменьшенной геометрией увеличиваются скорость электромиграции, захват и туннелирование носителей, генерация горячих носителей, так как при микроминиатюризации увеличиваются напряженность поля и отношение площади к объему элементов. Предполагается, что в результате возрастает интенсивность протекания поверхностных деградационных процессов и возникают новые механизмы отказов. Уменьшение отношения размера элемента к характерному структурному элементу, например ширины пленочного проводника к среднему размеру зерна пленки, увеличивает скорость деградационных процессов структурной перестройки - диффузионного распада растворов, порообразования и сокращает долговечность. Аналогичная картина наблюдается и с другими параметрами.

Совершенствование конструкции и технологии изготовления ИС способствует устранению "ранних" отказов, однако понятие "ранние" становится расплывчатым. Так как требования к длительности наработки и сохраняемости растут, и в настоящее время они достигают несколько десятков лет, в понятие "ранний" входят не месяцы или годы, а десятилетия. При совершенствовании конструкции или технологии изготовления необходимо убедиться, что они отодвинут деградацию ИС на десятилетия.

Все это желательно знать как можно раньше, в течение нескольких месяцев, но темпы развития современной электроники этого не допускают. Вновь возникает задача проведения ускоренных испытаний. Но как и в ранние периоды развития теории ускоренных испытаний, при формировании методов приходится считаться с трудностями оценки коэффициента ускорения.

По классической схеме для оценки коэффициентов следует проводить два вида испытаний: обычные (неускоренные), на весь срок службы, и ускоренные. При этом необходимо убедиться, что при ускоренных испытаниях не возникает новых видов отказов, которые не наблюдались бы при неускоренных испытаниях, и оценить коэффициент ускорения по соотношениям интенсивностей отказов, сроков наработки или иным критериям. Однако для оценки масштабов ускорения нет самого главного - результатов неускоренных испытаний. При наработке в номинальных условиях в течение 1-2 лет ИС не отказывают. Значит, и сравнивать результаты ускоренных испытаний не с чем. Коэффициенты ускорения получить не удается. Лишь в отдельных случаях оказывается возможным сопоставить различные методы ускоренных испытаний.

Контроль качества, отбраковка могут заметно повысить долговечность приборов, но только в тех случаях, когда долговечность сокращается из-за плохого качества изготовления приборов, не выявленных дефектов, наличия "слабых" мест. В тех случаях, когда срок службы, сохраняемость, долговечность приборов определяются не качеством их изготовления, а де-

5

градацией параметров во времени, конструкцией, физическими характеристиками, принципиальными свойствами приборов, контроль качества слабо влияет на длительность наработки и сохраняемость.

В 1986-1987 гг. проводились наблюдения над 30 миллионами ИС разных серий на разных этапах работы с ними: при входном контроле, производстве аппаратуры и в процессе реальной эксплуатации. Причины отказов схем в ходе эксплуатации представлены в следующей таблице:

Как видно из таблицы, в указанный период отказы в основном вызываются коррозией, дефектами приварки выводов и металлизации.

По мере развития технологии МОП СБИС возрастает плотность активных элементов, что приводит к уменьшению размеров рабочих элементов и увеличению напряженности поля в активных областях этих элементов. Так , например, напряженность поля в подзатворном диэлектрике может достигать 5 106–107 В/см, что приводит к инжекции горячих носителей в диэлектрик и изменению параметров структуры под воздействием проходящего тока. Для прогнозирования надежности МОП СБИС, выполненных по субмикронной технологии, необходимо отчетливо представлять механизмы влияния инжектированных в диэлектрик носителей на параметры оксида и границы раздела Si–SiO2 .

Научное и практическое значение имеет проблема установления связи между влиянием инжекции горячих носителей в сильных электрических полях и действием радиационного излучения. Первоначально проблема ловушечных центров в диэлектрике приобрела актуальность именно в связи с проблемой обеспечения радиационной стойкости п/п приборов и ИС. Результаты по изучению физико-химической природы электрически активных центров в диэлектрике, полученные при изучении радиационных эффектов, представляют несомненный интерес при анализе результатов воздействия сильных электрических полей. При этом существует реальная возможность обеспечить радиационную стойкость ИС путем оптимизации технологического процесса и введении контроля, основанного на оценке влияния сильных электрических полей. Эти вопросы более детально рассмотрены в разделах 1–4.

1. Деградационные процессы в МДП-структурах, обусловленные инжекцией горячих носителей

Для исследований инжекции применяется, как правило, три методики: туннелирование по закону Фаулера-Нордгейма, лавинная инжекция носителей, ионизирующая радиация. Ос-

7

тановимся более подробно на результатах, полученных с использованием этих методик.

1.1 Туннелирование носителей заряда по механизму ФаулераНордгейма

Туннелирование носителей по механизму ФаулераНордгейма используется в большом числе работ /1–15/. В самом простом случае для расчета эмиссии в вакуум принимается треугольный потенциальный барьер и температура 0 К. Используя модель свободного электронного газа, получаем сле-

где h – постоянная Планка, q – заряд электрона, Е – электрическое поле, Ф – высота барьера, m – масса свободного электрона.

График в координатах lnJ/E2 =f(1/E) представляет собой прямую линию.

Если необходимо учесть влияние сил изображения, то вводятся два корректирующих коэффициента t(y) и v(y). Оба члена представляют собой табулированные эллиптические интегралы, зависящие от нормализованного понижения барьера под действием сил изображения

где 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума. Как t(y), так и v(y) - медленно изменяющиеся функции от y. Эта коррекция вызывает существенный параллельный сдвиг графика Фауле- ра-Нордгейма к большим значениям J/E2. Изменение наклона меньше чем 1 % для y < 0,23, т.е. для всех случаев, рассматриваемых авторами. Туннелирование является независимым от температуры процессом, но число электронов данной энергии на барьере зависит от температуры. Ненулевая температура

Для малого коэффициента температурной коррекции график Фаулера-Нордгейма еще близок к прямой линии, но с несколько меньшим наклоном.

Если учитываются снижение барьера под действием сил изображения и влияние температуры, получаем следующее уравнение

J = (q3E2/8 hФ) [1/t2(y)][ ckT/sin( ckT)]

Это уравнение получено для эмиссии из металла в вакуум. Для эмиссии в диэлектрик его необходимо модифицировать двумя путями: во-первых, в выражении для вероятности туннелирования массу свободного электрона необходимо заменить эффективной массой m* электрона в запрещенной зоне диэлектрика. Так как эффективная масса ожидается зависимой от энергии электрона внутри запрещенной зоны, используется подходящее среднее значение. Эта эффективная масса – лишь подгоночный параметр в данном исследовании. Модифицированное уравнение имеет следующую форму

J = (q3E2 m/8 hФm*)[1/t2(y)][ ckT/sin( ckT)]

где с = 2(2m* Ф)1/ 2t(y)/ħqE.

Во-вторых, в выражении для уменьшения барьера силами изображения должна учитываться относительная диэлектрическая постоянная r. При этом выражение принимает вид

Для исследования стабильности МОП структур с алюминиевым затвором автор /2/ использует туннельную инжекцию Фаулера-Нордгейма. Толщина окисла 100–400 Å. Когда применяется линейная развертка по напряжению, вольтамперная характеристика показывает квазинасыщение тока, т.е. ступеньку на ВАХ. Эта ступенька может быть объяснена моделью

9

электронного захвата. Для случая накопления заряда в объеме окисла захваченный заряд – ent вызывает уменьшение поля E у катода

где x – расстояние центроида заряда от катода; w – толщина окисла.

Квазинасыщение сохраняется пока не заполнятся ловушки, в результате кривая тока Фаулера-Нордгейма смещается от исходной на величину поля

Ток насыщения определяется как

где r – скорость линейной развертки; концентрация ловушек.

Таким образом параметры захвата могут быть просто получены из ширины ступеньки и тока, при котором она имеет место. Важной проверкой этой модели является пропорциональность между j0 и r. Ступенька тока пропорциональна скорости развертки поля. При положительном напряжении на затворе структуры n-типа появляется ступенька тока. Когда образцы p-типа и уже подвергнутые нагрузке структуры n-типа смещены отрицательно, ступеньки нет. Токи меньше для этой полярности, и ступенька появляется при больших токах и полях, чем возможно получить экспериментально. При приложении постоянного поля ток уменьшается со временем в соответствии с моделью захвата. Положительный C-V-cдвиг указывает на отрицательный заряд в окисле. С-V-сдвиги больше, чем сдвиги кривой Фаулера-Нордгейма, из чего следует, что заряд расположен очень близко к границе раздела Si-SiO2.

МОП структуры на подложках p–типа с различными толщинами окисла (меньше чем 200 Å) и алюминиевым затвором подвергались постоянному току Фаулера-Нордгейма с от-

10