И. Катеринич, В. Попов

Метод для диагностики технологического процесса изготовления МОП ИС с использованием радиационно-термических процессов

Плёнки оксида кремния (SiO2) на кремнии в настоящее время широко используются в планарных изделиях - полупроводниковых приборах (ПП) и интегральных схемах (ИС) на их основе. Качество оксидной плёнки в значительной степени определяет такие характеристики ПП и ИС, как процент выхода годных изделий в производстве и надёжность при эксплуатации. Одной из основных характеристик этих плёнок является их дефектность, то есть плотности дефектов в объёме оксида и на его границе раздела с кремнием. Эти дефекты накапливают заряд как в процессе производства планарных изделий, так и при их эксплуатации. Наиболее сильно эффект накопления заряда проявляется при эксплуатации в условиях воздействия проникающей радиации (на борту космических аппаратов, рядом с ядерно-энергетическими установками и т.п.) [1]. Чувствительность ПП и ИС к воздействию радиации представляет интерес не только с точки зрения работоспособности ПП и ИС в аппаратуре специального назначения, но и как средство диагностики дефектности оксидных плёнок в планарных изделиях. В связи с этим обращает на себя внимание метод радиационно-термической обработки (РТО) [2].

Применение РТО в технологическом маршруте изготовления МОП ИС для обеспечения высокого процента выхода годных изделий и их надёжности показало отличные результаты [2,3]. Поскольку введение новых технологических маршрутов изготовления ПП и ИС на начальном этапе требует проведения большого объёма экспериментальных исследований различных технологических версий в довольно ограниченные сроки, то необходимо применять очень информативные и не требующие значительных временных затрат методы.

В настоящей работе для анализа качества оксидных плёнок при контроле технологического процесса или при отработке новых его вариантов предлагается метод РТ-характеристик, базирующийся на векторном описании результатов проведения РТО и позволяющий получить также оценку радиационной чувствительности параметров исследуемых образцов в наглядном виде в условиях многофакторного эксперимента.

Дефекты оксида кремния

Плёнка оксида кремния, используемая в планарных приборах, по атомарной структуре занимает промежуточное положение между кристаллическим кварцем и аморфным стеклом. В ней имеет место ближний порядок (атомы кремния и кислорода имеют ковалентные связи и чередование: ), но отсутствует дальний порядок (углы Si-O-Si имеют большой разброс). Такие твёрдые тела относят к полиморфным структурам [4]. Поскольку ближний порядок присутствует, то наблюдаются и дефекты в объёме плёнки оксида кремния (объёмные состояния - ОС), присущие кристаллическим твёрдым телам (вакансии и междоузельные атомы кремния и кислорода), а также специфические дефекты (немостиковый кислород и трёхвалентный кремний) [5].

Исследования методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) Герасименко Н.Н. [6] показали доминирование в плёнках оксида кремния двух видов дефектов. На рис. 1а представлены графики, характеризующие отжиг этих центров. Один из них - Е'-центр представляет вакансию мостикового кислорода (). Этот дефект наблюдался также в работах Ленахана [7]. Второй вид дефектов - DI-центр является междоузельным кислородом [6].

Рисунок 1. Результаты исследования дефектов оксида кремния: а) методом ЭПР (отжиг Е`-центров (1) и DI-центров (2)); б) методом ТСТ (пик 1 - Е`-центры и пик 2 - DI-центры)

Методом ЭПР исследовались и дефекты на границе раздела (поверхностные состояния - ПС), названные P_b-центрами [7]. В отличие от ОС, которые являются главным образом ловушками дырок и сохраняют свой заряд продолжительное время (месяцы и годы), ПС захватывают как дырки, так и электроны и обмениваются зарядом с приповерхностной областью полупроводника.

Другие методы исследования также показывают доминирование двух видов дефектов оксида кремния. Так, например, метод термостимулированных токов позволил выявить два пика, соответствующих разным дефектам вблизи границы раздела кремний – оксид кремния (ПС), и определить энергии активации процесса термического выброса заряда из них. Результаты экспериментального исследования этим методом, взятые из [8], представлены на рис. 1б. Причём по энергии активации левый пик соответствует Е'-центру, а правый - DI-центру.

Использование метода изотермического отжига МОП-транзисторов (МОПТ) после облучения гамма-лучами (метода РТО) авторами данной работы также показало наличие двух типов дефектов оксида кремния. Метод заключается в разбиении облученных образцов МОПТ на группы, каждая из которых подвергалась термообработке при фиксированной температуре. Экспериментальные зависимости относительного изменения порогового напряжения МОПТ при термообработке, соответствующие отжигу накопленного при облучении заряда в ОС, и результаты расчёта энергии активации процесса термического выброса заряда с энергетических уровней дефектов, представленные на рис. 2, показывают соответствие этих результатов для ОС данным, полученным методом термостимулированных токов для ПС. На этом рисунке n = U_on(T,t)/U_on(D), где U_on(D) и U_on(T,t) - значения пороговых напряжений МОПТ после облучения дозой D и после низкотемпературного отжига при температуре Т и в течение времени t.

Рисунок 2. Результаты исследования дефектов оксида кремния методом изотермического отжига заряда в них после облучения гамма-лучами: а) результаты отжига заряда; б) результаты расчёта энергии активации процесса отжига заряда

На рис. 3 представлены результаты исследования МОПТ с использованием метода РТО. На этом рисунке по оси ординат отложено относительное изменение порогового напряжения Q(t) = [U_on(T,t) – U_on(0)]/[U_on(D) – U_on(0)], где U_on(0), U_on(D) и U_on(T,t) - значения порогового напряжения до облучения, после облучения дозой D и после термообработки при температуре T в течение времени t. Метод РТО позволил также наблюдать аномальный процесс (рис. 3), при котором один из образцов МОПТ, подвергавшийся термообработке при 400оС, изменил направление дрейфа порогового напряжения. Это явление обусловлено пострадиационным эффектом [9] - накоплением заряда в макродефекте тестовой МОП-структуры при термообработке после облучения. Аналогичный эффект в МОП-транзисторах исследовался в [10].

Рисунок 3. Относительное изменение порогового напряжения nМОПТ после облучения при термообработке при 100ºС ( О ), 200ºС ( Ф ), 300ºС ( ) и 400ºС ( )

Таким образом, метод РТО позволяет выявлять не только точечные дефекты, но и макродефекты оксидной плёнки и является перспективным средством диагностики качества технологического процесса.

Метод диагностики

Суть предлагаемого в данной работе метода заключается в следующем. Для исследуемых образцов (тестовых элементов или изделий в целом) определяют совокупность информативных параметров ({П_i}, i = 1,m). Далее образцы подвергаются радиационно-термической обработке в заданных режимах с измерением значений информативных параметров до РТО (П_io), после облучения (П_ig) и после термообработки (П_iт). По данным измерений для каждого информативного параметра П_i исследуемого образца строится РТ-характеристика (рис. 4). Под РТ-характеристикой понимается представление результатов процесса облучения и термообработки в виде точки A_i(П_ig – П_io; П_iт – П_io) в системе координат, где абсцисса П_ig – П_io = DП_ig - абсолютное отклонение параметра П_i (относительно начального значения) после облучения до дозы D_g (радиационная чувствительность параметра П_i); a ордината П_iт – П_io = DП_iт - абсолютное отклонение параметра П_i после термообработки относительно начального значения (то есть величина неотожжённого заряда плёнки оксида кремния после РТО (в единицах измерения параметра П_i). Здесь П_io, П_ig, П_iт - начальное значение параметра, значение параметра после облучения и после термообработки, соответственно.

Рисунок 4. РТ-характеристики процесса РТО для МОПТ и их векторное представление (D - этап облучения, Т - этап термообработки)

Точка А_i, согласно рис. 4, может рассматриваться как конец вектора ОА_i, называемого обычно радиусом-вектором r_i точки А_i и имеющего те же координаты, что и точка А_i: r_i = {П_ig – П_io; П_iт – П_io}. Поэтому r_i можно рассматривать как векторное представление результатов проведения РТО. Компоненты (геометрические проекции) вектора r_i по осям координат представляют собой векторное описание результатов проведения процессов радиационной обработки (r_ix) и последующей термообработки (r_iy) с координатами r_ix = {П_ig – П_io ; 0} и r_iy = {0; П_iт – П_io}, отражающими в виде параметрического отклика результат проявления радиационных эффектов в плёнке оксида кремния и их последующего отжига.

В зависимости от конкретных режимов РТО, будут изменяться модуль вектора и угол его наклона к оси абсцисс. При этом:

= arctg,

где = DП_iT /DП_ig - величина, характеризующая долю неотожжённого заряда после РТО.

Исследование кинетики термического отжига показывает, что интенсивность процесса отжига обратимых радиационных эффектов существенно зависит от температуры отжига, а поведение при отжиге можно описать моделью:

(t) = ₀exp(-v t),

где t - время отжига, ₀ и v - постоянные отжига. Bеличина v зависит от температуры следующим образом:

м = B exp(-E_a/kT),

где E_a - энергия активации процесса отжига, В - частотный фактор, k - константа Больцмана, равная 8,63·10^-5 эВ/К.

Что касается величины DП_ig, характеризующей радиационную чувствительность параметра П_i, то она определяется дозой D процесса радиационного воздействия (облучения).

Возможные варианты изменения информативного параметра при РТО, отражающие процессы накопления и отжига заряда дефектов при D = const и Т = const, и пример расположения вектора r_i на координатной сетке показаны на рис. 4. Как видно из этого рисунка, построение РТ-характеристик позволяет получить информацию не только о радиационной чувствительности информативных параметров (DП_ig), но и определить динамику изменения этих параметров в ходе РТО, установить характер процессов образования и отжига заряда в дефектах оксида кремния, оценить качество и стабильность технологического процесса по разбросу РТ-характеристик (таблица) [11]. В случае применения РТО в технологических маршрутах изготовления ИС возможно оценить его эффективность и рационально выбрать режимы термообработок и тем самым повысить качество КМОП ИС.

Применение метода

Для диагностики качества технологии МОП ИС наиболее удобно проводить анализ порогового напряжения тестового МОПТ с п-каналом. Как известно [1], пороговое напряжение МОПТ определяется как

U_on = (U_on)_i + DU_ot + DU_it,

где (U_on)_i - пороговое напряжение при идеальной (бездефектной) структуре кремний – оксид кремния, DU_ot и DU_it - сдвиги порогового напряжения, обусловленные зарядами в ОС и ПС, соответственно. В nМОПТ DU_ot и DU_it имеют разные знаки (DU_ot < 0, DU_it > 0) и при облучении имеет место конкуренция сдвигов DU_ot и DU_it, имеющих разные знаки, что облегчает анализ результатов исследования. Поэтому в данной работе рассматривается применение предлагаемого метода для анализа влияния технологии на радиационную чувствительность порогового напряжения n-канальных МОПТ, изготовленных с использованием трёх технологических версий. Для иллюстрации влияния гамма-облучения на U_on на рис. 5 показан общий вид дозовой зависимости порогового напряжения для n-канальных МОПТ. На начальном участке изменение Uon определяется накоплением объёмного фиксированного заряда в ОС в подзатворном оксиде, а на конечном участке - зарядкой образующихся при облучении ПС на границе раздела кремний – оксид кремния.

Рисунок 5. Общий вид дозовой зависимости порогового напряжения МОПT с n-каналом

Для анализа радиационной чувствительности U_on использовались результаты облучения в пассивном режиме изготовленных пластин с тестовыми МОПТ от источника гамма-излучения ⁶⁰С до дозы 10⁶ рад(Si) при мощности дозы 136 рад(Si)с^-1 и результаты последующей термообработки этих пластин при 400ºС в течение 30 мин.

На рис. 6 представлено поле РТ-характеристик порогового напряжения (U_on) исследовавшихся МОПТ. Как следует из этого рисунка, наиболее качественной является технологическая версия 3. Радиационная чувствительность образцов МОПТ, изготовленных по этой технологии, невысокая и отличается достаточной однородностью, а динамика изменения U_on в ходе РТО указывает на преобладающую роль ПС в структуре системы Si–SiO2. В процессе термического отжига образцов, изготовленных по технологии версии 3, отжигаются не только заряд в дефектах, но и часть самих технологических (производственных) дефектов изготовленных структур, о чём свидетельствует характер динамики U_on и расположение РТ-характеристик на плоскости (обл. I).

Рисунок 6. РТ-характеристики порогового напряжения nМОПT, изготовленных с использованием различных технологических

Радиационно-стимулированные процессы накопления заряда в ОС и образования радиационных дефектов, а также их отжига в структурах, изготовленных по технологической версии 1, более разнообразны. Как можно видеть на рис. 6, этой технологии присущи механизмы, связанные с процессами дефектообразования в подзатворном оксиде при облучении. Наблюдается неполный отжиг радиационного заряда дефектов при термообработке (обл. II), полный отжиг радиационного заряда дефектов и части самих технологических (производственных) дефектов подзатворного оксида (обл. IV), а также процесс зарядки макродефектов (обл. III). Кроме того, данный технологический процесс по радиационной чувствительности порогового напряжения характеризуется большим разбросом, чем технология версии 3.

Наибольшей радиационной чувствительностью n-канальных МОПТ обладает технологическая версия 2 изготовления образцов (рис. 6), что свидетельствует о высокой плотности технологических дефектов в подзатворном оксиде кремния.

Таким образом, полученные в ходе экспериментальных исследований результаты подтверждают перспективность применения метода РТ-характеристик для анализа качества технологических процессов и возможность его использования при сертификации технологий.

Таблица. Процессы в МОПТ при РТО

Литература

1. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. М.: Энергоатомиздат, 1988. 286 с.
2. Катеринич И.И., Курин Ф.М., Попов В.Д. Метод радиационно-термической отбраковки и повышения надежности МОП интегральных схем. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия. 1996. Вып. 3–4. С. 127–131.
3. Попов В.Д., Катеринич И.И., Курин Ф.М. Радиационная технология: уникальные возможности в производстве МОП-интегральных схем // Chip News. 1997. № 3. С. 20–22.
4. Revesz A.G. Noncrystalline silicon dioxide films on silicon: a review. J. of Non-Crystalline Solids. 1973. Vol. 11. P. 309–330.
5. Sah C.T. Origin of interface states and oxide charges generated by ionizing radiation. IEEE Trans. on Nucl. Sci. 1976. Vol. NS-23. № 6. P. 1563–1568.
6. Вихрев Б.И., Герасименко Н.Н., Лебедев Н.Н. Исследование радиационных структурных нарушений в пленках SiO2 методом ЭПР. Микроэлектроника. 1977. Том 6. Вып. 1. С. 71–74.
7. Lenahan P.M., Conley J.F. A comprehensive physically based predictive model for radiation damage in MOS systems. IEEE Trans. on Nucl. Sci. 1998. Vol. NS-45. № 6. P. 2413–2423.
8. Radiation-induced hole trapping and interface state characteristics of al-gate and poly-gate MOS capacitors. IEEE Trans. on Nucl. Sci. 1985. Vol. NS-32. № 6. P. 3929–3934.
9. Попов В.Д. Пострадиационный эффект в ИС. Неразрушающий контроль качества ИС. Электроника: наука, технология, бизнес. 2002. № 4. С. 36–39.
10. Гришаков В.В., Попов В.Д. Модель макродефекта в подзатворном оксиде кремния МОП-транзисторов. Научная сессия МИФИ-99. Сб. научн. тр. Т. 6. М.: МИФИ, 1999. С. 76–77.
11. Попов В.Д., Катеринич И.И. Метод определения надежности МОП интегральных схем с применением радиационно-термической обработки. Надежность и качество. Труды междунар. симп. Пенза: Пенз. госуниверситет, 2001. С. 235–236.