Способ определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ НАРАБОТКИ НА ОТКАЗ ПОДЗАТВОРНОГО ДИЭЛЕКТРИКА МДП-МИКРОСХЕМЫ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Чигирь Григорий Григорьевич Шведов Сергей Васильевич Петлицкий Александр Николаевич Филипеня Виктор Анатольевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Способ определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДПмикросхемы, при котором проводят испытание тестовой МДП-структуры при температуре эксплуатации микросхемы пропусканием электрического заряда через подзатворный диэлектрик в режиме ступенчато-нарастающего тока при постоянной длительности каждой ступеньки имп от 5 до 50 мс, начиная с величины плотности тока 10-5 А/см 2 с заданием для каждой декады измерений 50 ступенек, по окончании -ой ступеньки зарядаимп проводят измерение величины тока утечки ут МДП-структуры при напряжении, равном напряжению эксплуатации микросхемы испытание прекращают при возникновении пробоя структуры, определяемого по величине измеренного тока ут 15 ут, определение времени наработки на отказ производят по формуле/ (ут-1 ут)/2 имп/ (ут-1 ут)/2,где (ут-1 ут)/2 - среднее значение измеренных токов утечки в начале и конце -ой ступеньки заряда. Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС), в частности к технологическому процессу создания МДП-микросхем, и может быть использовано при оценке надежности подзатворного диэлектрика. Известен способ определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхем, основанный на измерении величины заряда пробоя 1. Качество тонкого подзатворного диэлектрика во многом определяет надежность интегральных микросхем. В процессе эксплуатации микросхемы к диэлектрику приложено электрическое поле и через диэлектрик протекает ток. Под действием протекающего тока происходит деградация структуры диэлектрика, и через определенное время диэлектрик пробивается. От начала эксплуатации до отказа через диэлектрик протекает определенный заряд. Если на 17531 1 2013.10.30 этапе изготовления микросхемы произвести измерения величины заряда пробоя диэлектрического слоя, то ее величина будет свидетельствовать о надежности диэлектрика. Чем больше величина заряда пробоя, тем более надежным будет диэлектрик и тем больше будет время наработки на отказ. Однако данный способ позволяет лишь фиксировать величину заряда пробоя диэлектрического слоя и только косвенно оценивать величину времени наработки на отказ. Большая величина заряда пробоя является необходимым условием для большой величины наработки на отказ, но не достаточным. На практике в ряде случаев на образцах измеряются примерно одинаковые величины заряда пробоя, а величины наработки на отказ для этих образцов существенно отличаются. Это приводит к тому, что точность у данного метода невелика и его можно использовать лишь для косвенной оценки времени наработки на отказ. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы, включающий испытание тестовой МДП-структуры пропусканием электрического заряда через подзатворный диэлектрик до пробоя структуры, расчет времени наработки на отказ 2. Данный способ позволяет измерять время наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы в широком диапазоне времени и таким образом оценивать реальную надежность ИМС. В этом способе испытание тестовой МДП-структуры производят при температуре значительно выше температуры эксплуатации микросхемы, пропускание электрического заряда осуществляют приложением к затвору напряжения значительно выше напряжения эксплуатации микросхемы. Проведение испытаний в таких форсированных режимах приводит к увеличению величины тока, протекающего через подзатворный диэлектрик, и существенному ускорению деградационных процессов. В результате время контроля (время до отказа) значительно уменьшается и для годных микросхем может составлять около одной минуты. При этом время наработки до отказа рассчитывается из сотношения(1) откисп(исп)( /исп),где откисп - время до отказа в процессе испытаний при ускоренных режимах, с- константа, определяемая свойствами материалов МДП-структуры, особенностями технологических процессов- константа, обусловленная процессами деградации диэлектрика при приложении электрического поля и протекании электрического заряда исп - напряженность электрического поля в диэлектрике при проведении ускоренных испытаний- энергия активации процесса деградации, эВ 8,6210-5 эВ/К - постоянная Больцмана исп - температура испытаний, К. Время наработки до отказа в режиме эксплуатации рассчитывается из соотношения(2) откэксп(эксп)( /эксп),где откэксп - время до отказа в процессе эксплуатации, с эксп - напряженность электрического поля в диэлектрике при эксплуатации микросхемы эксп - температура эксплуатации микросхемы, К. Коэффициент ускорения при испытаниях в ускоренных режимах будет равен отношению выражений (2) и (1)(3) Кускоткэксп / откисп(испэксп)/(1/эксп 1/исп),где Куск - коэффициент ускорения при испытаниях в ускоренных режимах. При правильном выборе режимов ускоренных испытаний исп(1,52,5)эксп,исп(28)эксп можно получить Куск 107. Так как для годной микросхемы время наработки на отказ составляет 100 тыс. ч, то при Куск 107 время испытаний до отказа составит 1 мин. Такая величина откисп является приемлемой для использования метода в усло 2 17531 1 2013.10.30 виях производства микросхем. При этом величина времени наработки на отказ в процессе эксплуатации откэксп рассчитывается в соответствии с выражением откэкспКускоткисп.(4) Существенным недостатком данного способа является необходимость проведения специальных экспериментальных работ для определения величины Куск с достаточной точностью. Это обусловлено тем, что точность определения величины Куск зависит от точности определения величин , . Эти величины являются постоянными только для одного фиксированного элемента МДП-микросхемы, а в целом они зависят от концентрации загрязняющих примесей и ряда факторов, учитывающих изменчивость параметров технологических процессов. Кроме того, для определения величинынеобходимо предварительно провести испытания при трех различных напряжениях на затворе МДП-структур, превышающих напряжение эксплуатации микросхемы. Испытания при каждом напряжении необходимо производить на выборке тестовых структур. После проведения всех испытаний при трех напряжениях проводится статистическая обработка данных с определением величины . Такая же статистическая процедура испытаний требуется для определения величины энергии активации . После испытаний выборки тестовых структур при трех повышенных температурах также проводится статистическая обработка данных с определением величины . Существенным недостатком данного способа является то, что процедура определения величин ,является достаточно трудоемкой и длительной. Учитывая изменчивость параметров технологических процессов, данную процедуру требуется повторять достаточно часто для обеспечения необходимой точности определения времени наработки на отказ. Это приводит к тому, что данный способ можно использовать как аттестационный,например один раз в полугодие. В условиях серийного производства возникает задача оценки надежности каждой партии пластин. В пределах одной партии параметры надежности кристаллов ИМС примерно одинаковы. Проведя оценку надежности ИМС на одной пластине можно сделать заключение о надежности всей партии и передать ее на сборку кристаллов ИМС в дорогостоящие корпуса. В основу изобретения положена задача повышения точности и экспрессного определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы за счет воспроизводимого, автоматизированного определения коэффициентов ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы проводят испытание тестовой МДП-структуры при температуре эксплуатации микросхемы пропусканием электрического заряда через подзатворный диэлектрик в режиме ступенчатонарастающего тока при постоянной длительности каждой ступеньки имп от 5 до 50 мс,начиная с величины плотности тока 10-5 А/см 2 с заданием для каждой декады измерений 50 ступенек, по окончании -ой ступеньки зарядаимп проводят измерение величины тока утечки ут МДП-структуры при напряжении, равном напряжению эксплуатации микросхемы испытание прекращают при возникновении пробоя структуры, определяемого по величине измеренного тока ут 15 ут, определение времени наработки на отказ производят по формуле(5)/ (ут-1 ут) / 2 имп/ (ут-1 ут) / 2,где (ут-1 ут)/2 - среднее значение измеренных токов утечки в начале и конце -ой ступеньки заряда. Использование режима ступенчато-нарастающего тока для пропускания через структуру электрического заряда позволяет прецизионно (с высокой точностью) контролировать величину заряда, прошедшего через МДП-структуру за короткое время (от нескольких десятков секунд до одной минуты) контролируемо пропустить через структуру заряд значительной величины, приводящий к пробою струк 3 17531 1 2013.10.30 туры. Это обусловлено тем, что в режиме ступенчато-нарастающего тока за счет использования короткой длительности импульса имп от 5 до 50 мс величина тока быстро нарастает до больших значений и пробой любой МДП-структуры неизбежен при использовании длительности импульса менее 5 мс точность определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика существенно снижается. Это обусловлено тем, что в начале каждого импульса происходят переходные процессы, в частности происходит зарядка емкости диэлектрика. На это затрачивается часть заряда импульса. Этот заряд не протекает через диэлектрик и не создает вклада в деградацию диэлектрика, что приводит к увеличению погрешности измерений. С уменьшением длительности импульса величина погрешности возрастает, и при длительности импульса менее 5 мс точность измерений становится недопустимо низкой при использовании длительности импульса более 50 мс существенно возрастает время испытаний и нарушается экспрессность контроля. Время испытаний увеличивается до нескольких минут и более, что не позволяет оперативно набрать статистику измерений(например, произвести 50 измерений) и сделать заключение о надежности диэлектрика выбор на каждой декаде 50 ступенек обусловлен обеспечением необходимой точности измерений. Погрешность контроля во многом определяется последней ступенькой тока,завершающей испытания. Перед началом последней ступеньки диэлектрик является годным, а по окончании ступеньки диэлектрик становится пробитым. Возникает неопределенность какую часть ступеньки принять в расчете величины заряда пробоя. Поэтому погрешность определения величины заряда пробоя составляет половину величины заряда,протекающей в течение последней ступеньки. Зависимость процента вклада последней ступеньки в общую величину заряда пробоя от числа ступенек на декаду приведена в табл. 1. Из данных табл. 1 следует, что при 50 ступеньках тока на декаду вклад последней ступеньки в общую величину заряда пробоя составляет 4,49 . Учитывая половину последней ступеньки в общей величине заряда, погрешность измерений составит 2,2 , что является вполне приемлемой величиной использование величины плотности тока на первой ступеньке 10-5 А/см 2 позволяет применить оптимальный диапазон токов. При начальной плотности тока менее 10-5 А/см 2 происходит увеличение времени испытаний и нарушается требование экспрессности способа. Процесс испытаний завершается (последняя ступенька) при увеличении плотности тока не более 103 А/см 2, что обусловлено условием пробоя диэлектрика, который наступает при плотности тока менее 103 А/см 2 использование в качестве критерия пробоя структуры и условия прекращения испытания, определяемого по величине измеренного тока ут 15 ут, обусловлено резким возрастанием тока после пробоя диэлектрика, и данный критерий позволяет уверенно определить момент пробоя. При ут 15 ут пробой диэлектрика еще не наступает. Таблица 1 Зависимость процента вклада последней ступени в общую величину заряда пробоя от числа ступенек на декаду в диапазоне 2-50 Число ступенек на декаду 2 5 10 25 50 Множитель между ступеньками тока 3,162 1,585 1,259 1,096 1,047 Вклад последней ступеньки в общую величину заряда пробоя,68,38 36,90 20,57 8,76 4,49 17531 1 2013.10.30 Использование измерения величины тока утечки ут МДП-структуры по окончанию -ой ступеньки при напряжении, равном напряжению эксплуатации микросхемы, позволяет воспроизводимо, автоматизировано определить коэффициент ускорения. В процессе испытаний тестовой структуры при пропускании -ой ступеньки зарядаимп происходит -ый этап ускоренной деградации диэлектрика в течении времени имп. Данный этап ускоренной деградации можно заменить эквивалентной деградацией в условиях эксплуатации. Для этого определяется средний ток утечки через диэлектрик в условиях эксплуатации (при напряжении и температуре, равным режимам эксплуатации микросхемы) для данного -го этапа испытаний. Он рассчитывается как среднее значение от измеренных токов утечки в начале и конце -ой ступеньки заряда (ут-1 ут)/2. Тогда -ый этап ускоренных испытаний можно было бы заменить деградацией диэлектрика в условиях эксплуатации, но для этого бы потребовалось бы время значительно большее и равное отношению величины зарядак среднему току утечки через диэлектрик в условиях эксплуатации/ (ут-1 ут)/2 имп / (ут-1 ут)/2 имп/ (ут-1 ут)/2.(6) Величина/ (ут-1 ут)/2 и является коэффициентом ускорения процесса деградации диэлектрика в процессе ускоренных испытаний. Таким образом, расчет времени наработки на отказ производится по формуле(7)/ (ут-1 ут)/2 имп/ (ут-1 ут)/2. При этом не требуется сложных пересчетов, интерполяций и предварительных испытаний в различных форсированных режимах с набором статистических данных. В предлагаемом методе коэффициент ускорения определяется как простое отношение двух величин, что и обуславливает экспрессность метода. Необходимость последовательного измерения величины тока утечки ут МДПструктуры по окончанию каждой ступеньки тока при напряжении, равном напряжению эксплуатации микросхемы, обусловлена существенным изменением ее величины в процессе испытаний на начальном участке испытаний (до 10 времени) величина тока утечки ут резко возрастает на 2-3 порядка величины от исходнего значения на остальном участке испытаний величина тока утечки ут продолжает возрастать и дополнительно возрастает в пределах одного порядка в целом характер изменения величины тока утечки ут имеет индивидуальный характер для каждой МДП-структуры и его необходимо определять в процессе последовательных измерений на соответствующих этапах испытаний. Пример конкретного выполнения заявленный способ определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы, при котором проводят испытание тестовой МДП-структуры при температуре эксплуатации микросхемы пропусканием электрического заряда через подзатворный диэлектрик в режиме ступенчато-нарастающего тока при постоянной длительности каждой ступеньки имп от 5 до 50 мс,начиная с величины плотности тока 10-5 А/см 2 с заданием для каждой декады измерений 50 ступенек, по окончании -ой ступеньки зарядаимп проводят измерение величины тока утечки ут МДП-структуры при напряжении, равном напряжению эксплуатации микросхемы испытание прекращают при возникновении пробоя структуры, определяемого по величине измеренного тока ут 15 ут, определение времени наработки на отказ производят по формуле/ (ут-1 ут)/2 имп/ (ут-1 ут)/2,проиллюстрируем на примере анализа МДП-микросхемы памяти емкостью 1 Мбит, изготовленной по 0,35 мкм проектной норме с толщиной подзатворного диэлектрика 7 нм. Микросхема изготовлена по КМОП-технологии и содержит как -канальные, так и рканальные МОП-транзисторы. Поэтому испытания проводились на МОП-конденсаторах площадью 4,9 Е-5 см 2 двух типов 5 17531 1 2013.10.30 поликремний, легированный бором - подзатворный диэлектрик (двуокись кремния) толщиной 7 нм - карман -типа проводимости в . Структура данного конденсатора соответствует р-канальному МОП-транзистору поликремний, легированный фосфором - подзатворный диэлектрик (двуокись кремния) толщиной 7 нм - карман р-типа проводимости в . Структура данного конденсатора соответствует -канальному МОП-транзистору. Максимальная температура эксплуатации данной микросхемы составляет 70 С. Анализ проводился на 2-х пластинах диаметром 200 мм. На одной пластине определялось время наработки на отказ подзатворного диэлектрика -канальных МОП-транзисторов, на второй - р-канальных МОП-транзисторов. Каждая пластина разрезалась на две равные части. На одной части каждой пластины проводилось определение времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика по предлагаемому способу (в 10 точках вблизи центра пластины) при температуре 70 С, на второй - по способу-прототипу. Сравнительные параметры приведены в табл. 2, где указаны номер процесса по порядкуначальная величина (первая ступень,1) плотности ступенчато-нарастающего тока(1, А/см 2) длительность ступенек ступенчато-нарастающего тока (имп, мс) количество ступенек на каждой декаде величины токаотношение величины токов утечки МДП-структуры после и до возникновении пробоя структуры (ут 1 / ут) время до отказа в процессе испытаний при ускоренных режимах (откисп, ч) измеренная величина времени наработки на отказ в процессе эксплуатации (откэксп, ч). Она определялась как среднее значение времени наработки на отказ из 10 измерений относительная погрешность определения времени наработки на отказ (откэксп / откэксп 100 ). Величина разброса откэксп определялась как удвоенное значение величины среднеквадратичного отклонения из 10 измерений, что соответствует оценке с доверительной вероятностью 0,95 2 откэксп 2(откэксп- откэксп) /9. Испытания проводились на комплексе прецизионного анализа характеристик элементной базы микросхем (тестовых структур) модели В 1500 ф. (США) с зондовой станцией 11000 ф.(США). Особенностью данного комплекса является обеспечение измерений параметров в широком диапазоне с высокой точностью (погрешность измерений составляет 0,1 ) и возможность работы в специальных режимах, включая режим ступенчато-нарастающего тока. Кроме того, данный комплекс позволяет измерять параметры тестовых структур в составе пластины диаметром до 200 мм в диапазоне температур от 60 до 150 С. Это существенно расширяет возможности проведения испытаний и в совокупности обеспечивает широкий их спектр. В частности, можно произвести испытания при температуре эксплуатации микросхемы. Таблица 2 ут 1 / ут мс с тыс.ч откэксп 100,МОП-структура 1 поликремний легированный бором подзатворный диэлектрик 7 нм - карман -типа проводимости в 10-5 5 50 6 22,8 154 5,2 70 50 4 68,8 141 14,5 Прототип 72000 150 30 МОП-структура 1 поликремний, легированный фосфором подзатворный диэлектрик 7 нм - карман р-типа проводимости в 10-5 5 50 6 22,8 145 5,5 Данные, приведенные в табл. 2, показывают, что определение времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы по предлагаемому способу имеют более высокую точность. Сравнительные измерения показывают, что для предлагаемого способа погрешность измерений составляет 5,5 , а по способу-прототипу - 32 . Экспресность контроля достигается за счет значительного более чем в 2000 раз уменьшения времени испытаний. Таким образом, заявленный способ определения времени наработки на отказ подзатворного диэлектрика МДП-микросхемы в сравнении со способом прототипа позволяет существенно повысить точность измерений (погрешность снижена более чем в 5 раз) и обеспечивает экспрессность контроля определения времени наработки на отказ за счет воспроизводимого, автоматизированного определения коэффициентов ускорения. Источники информации 1.-. 35-., 2001. - . 1-40. 2.. 122, 2006. - . 8-10. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7