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Plasma Charging Damage bei Bauteilen höchster Zuverlässigkeitsanforderungen

Sommer, Sebastian Paul

Um die Anforderung an die Prozessierung von mikroelektronischen Schaltungen zu erfüllen, sind Plasmaanlagen unerlässlich. Diese Anlagen erreichen beim Ätzen von Isolatoren und Leitern hohe Aspektverhältnisse, können homogene Schichten bei geringen Temperaturen abscheiden und entfernen entwickelten Fotolack großflächig vom Wafer. Dennoch bringt der Einsatz dieser Geräte auch Nachteile mit sich. Ein technologisch relevantes Problem ist das so genannte Plasma Charging Damage, kurz PCD. PCD entsteht, wenn auf Grund der Exposition des strukturierten Wafers zum Plasma unterschiedliche Potentiale an verschiedenen Positionen auf dem Wafer auftreten. Diese Potentialdifferenz führt zu Ausgleichsströmen, die, falls die Spannung hoch genug ist, auch durch das Gateoxid von Transistoren fließen können. Bei diesem Vorgang wird das Gateoxid geschädigt, wodurch es zu einer Alterung des Oxids und zum frühzeitigen Ausfall des Transistors kommen kann. Die vorliegende Doktorarbeit war eng mit der Entwicklung eines 0,35 µm-Prozesses am IMS verknüpft. Dabei stand eine hohe Zuverlässigkeit der Produkte im Mittelpunkt, da unter anderem für Kunden aus der Automobilindustrie gefertigt werden sollte. Hier stellt PCD ein besonderes Problem dar, da PCD an einfachen Parameterteststrukturen oft nicht nachweisbar ist. Das liegt daran, dass die während der Prozessierung im Oxid entstandenen Haftstellen am Ende des Prozesses in einer Formiergastemperung elektrisch passiviert werden. Sie stellen jedoch nach wie vor Schwachstellen im Oxid dar, die schon bei einer kurzzeitiger Belastung aufbrechen können und so die Lebensdauer des Gateoxids dramatisch verkürzen können. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte von PCD behandelt. Dabei werden zum einen Grundlagen dargestellt und gängige Messmethoden beschrieben. Zum anderen werden Strategien zum Umgang mit PCD dargestellt. Unter anderem liegt besonderes Augenmerk auf einer neu entwickelten Schutzstruktur, die, trotz exzellenter Schutzwirkung, Messungen bei hohen Spannungen erlaubt. Die konkrete Analyse des neu entwickelten Prozesses ist dargestellt, wobei die verschiedenen Iterationsschritte betrachtet werden. Besonderheiten des Prozesses, wie verschiedene Gateoxiddicken und eine SOI-Variante werden näher betrachtet. Dies ist nicht nur im konkreten Fall für die Untersuchung von PCD hilfreich. Es werden weiterhin neue Messergebnisse präsentiert, die Erkenntnisse zur Verteilung der festgesetzten Ladung durch PCD liefern. Dieser Punkt wird seid längerem in der Literatur diskutiert. Des Weiteren wurde der Durchbruch von Gateoxiden untersucht. Dabei wurde ein neuer Messparameter eingeführt, der von der Vorschädigung unabhängig ist. Dies ermöglichte eine Vorhersage des Durchbruchs schon nach einer kurzen Messzeit bei unterschiedlich stark durch PCD geschädigten Teststrukturen. Zusammengefasst wurde bei der Arbeit konkret die Entwicklung des 0,35 µm-Prozesses begeleitet, woraus sich auch allgemeingültige Erkenntnisse über PCD ergaben.

To fulfil processing requirements of microelectronic circuits the usage of plasma tools is crucial. These tools achieve high aspect ratios while etching isolators and conductors, are capable of deposing homogeneous layers at low temperatures and remove developed photo resist from the wafer. But the usage of this kind of equipment has also some disadvantages. One technological relevant problem is plasma charging damage (PCD). PCD appears when different potentials arise on different positions on the wafer due to its exposition to plasma. These potentials lead to balancing currents, which might even flow through the gate oxide of transistors if the voltage is high enough. During this event the gate oxide is damage, which causes the aging of the transistor or a premature breakdown of the transistor. This thesis is strongly connected to the development of a new 0.35 µm production process at the Fraunhofer IMS. A major goal of this development was a high reliability since the products will be sold to automotive customers. For this reason PCD can be a severe problem as it is often impossible to detect PCD with simple parametric test structures. This is because a forming gas annealing at the end of the production process will electrically passivate the charge traps created by PCD. Yet weaknesses remain in the oxide which will break during a short stress and therefore diminish the life expectation of the oxide. This thesis explores different aspects of PCD. It covers fundamentals as well as common measurement methods. In addition strategies to handle PCD are described. A main focus is set on a newly developed protection structure, which allows measurements with high voltages despite its excellent protection capabilities. The analysis of the new process is shown exemplarily with focus on the necessary iteration steps. Special features of the production process explored were the existence of two different gate oxide thicknesses and an SOI variant. The results of this analysis are helpful not only for the concrete case. In addition new measurement results are presented which give insights to the charge distribution inside the oxide after PCD. This subject is topic of debate between several research groups. The oxide breakdown was investigated, too. A new measurement parameter independent of preexisting damage was established. This allows predicting the breakdown time after a short measurement time even with different levels of PCD. Summarized, the thesis shows results gathered during the development of the new 0.35 µm production process, which can also be applied to more general cases of PCD.

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Sommer, Sebastian Paul: Plasma Charging Damage bei Bauteilen höchster Zuverlässigkeitsanforderungen. 2010.

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