On the role of hydrogen in silicon device degradation and metalization processing

Abstract

Bauelement-Degradation und Gateoxid Zuverlässigkeit spielen in der modernen Halbleiterindustrie eine zunehmend wichtige Rolle, da die Anforderungen an die Bauteile mit zunehmender Miniaturisierung, höheren Belastungen in der Schaltung und innovativen Technologieentwicklungen stetig steigen. Es ist bekannt, dass sich verschiedene Passivierungskonzepte und Schichtsequenzen auf die elektrische Charakteristik und Zuverlässigkeit des Siliziumbauteils auswirken.<br />Weiters kann elektrischer und thermischer Stress zur Entstehung von neuen Defekten führen, welche das Halbleiterbauelement mit der Zeit altern lassen.<br />Obwohl einzelne empirische Lösungsansätze für bestimmte Technologien bereits vorliegen, fehlt noch immer ein globales Verständnis der zugrunde liegenden Physik vom Wechselspiel zwischen Prozessierung und Bauelement-Degradation. Deshalb ist es besonders wichtig, ein physikalisch fundiertes Modell zu entwickeln, dass die Zusammenhänge von Defektgeneration und Passivierung mit einzelnen Prozessschritten in Verbindung bringt.<br />Ein Ziel dieser Dissertation ist es, die Rolle des Wasserstoffs bei der Bauelement-Degradation (NBTI) zu untersuchen und die Erkenntnisse anhand von Prozesssplits zu verifizieren. Ein spezielles Augenmerk liegt dabei auf Hochvolt (HV) MOSFET Bauelementen mit 30 nm SiO2 Gateoxiden. Die aus elektrischen Messungen gewonnenen Erkenntnisse werden benutzt, um neue Messvorschriften und experimentelle Prozeduren zu entwickeln, mit denen man in der Lage ist, Einsatzspannungsdriften auf verschiedene Arten zu charakterisieren und die jeweiligen Anteile bestimmten Defektklassen mit speziellen Eigenschaften zuzuordnen. Anhand der Daten und Schlussfolgerungen wird ein mikroskopisches Degradationsmodell vorgeschlagen, das (zumindest qualitativ) in der Lage ist, das Beobachtete anschaulich zu erklären. Um die Brücke zum Wasserstoff zu schlagen, werden die neuen Messmethoden auf verschiedene Prozesssplits angewandt, welche nachweislich über unterschiedliche Wasserstoffhaushalte im Gateoxid verfügen.<br />

Device degradation und gate oxide reliability has become more and more important in modern semiconductor industry because the challenges for devices increase with miniaturization, larger stress within the circuit, and due to innovative technologies. It is accepted that different passivation concepts and layer sequences affect the electric characteristics and the reliability of silicon devices.<br />Furthermore, electrical and thermal stress can create new defects which degrade the semiconductor device gradually. Although particular solutions to some technologies have already been found, a global understanding of the underlying physics behind the interplay of processing and degradation is lacking. Hence, it is important to develop a physically based model which is able to link defect generation and passivation to single process steps.<br />One aim of this PhD thesis is to investigate the role of hydrogen in NBTI and to verify the results by means of process splits. Specific emphasis is put on high voltage (HV) MOSFET devices having 30 nm SiO2 gate oxides. The results collected from electrical measurements are used to develop new measurements setups and experimental procedures which enable us to characterize threshold voltage shifts in various ways and assign the different contributions to certain defect classes with particular attributes. From the data and conclusions a microscopic degradation model is suggested which is capable of explaining (at least qualitatively) the obtained results. In order to include hydrogen, the new measurement routines are performed on different split wafers which provide demonstrably different hydrogen budgets within the gate oxide.