Migration mobiler Ionen in Siliziumoxiden

Abstract

Mobile Ions are a big challenge for the semiconductor industry, especially sodium ions. Sodium is present ubiquitously and so it is impossible to keep semiconductors free from any traces of sodium. The source of sodium can be mold compounds, air, sea water or humans. Another source can be organic materials used for chip manufacturing. Sodium is a small ion with the ability to migrate in solid phases. This migration leads to lower treshold voltages, leakage currents and chip failures. A main goal for the semiconductor industry is to weaken the effects of sodium and other small ions. To achieve enhancements, the sodium diffusion must be characterised. It is then possible to study effects that may decrease the sodium diffusion rate. Due to high electric fields in high-power semiconductor devices, the migration speed for ions is much higher. As miniaturisation leads to stronger fields, the prevention of ion migration will gain even more in importance in the future. The topic of this work is ion diffusion in thin silicon oxide layers. First, a triangular voltage sweep measurement system was developed. Following the example of this work it is possible to establish an own measurement setup. The developed measurement setup is capable of measuring even small currents in nanoampere scale. With this information, the migration behaviour, depending on different parameters like temperature or the type of the oxide, can be observed. Subsequently the influence of aluminium on the sodium diffusion has been studied.

Mobile Ionen sind eine große Herausforderung für die Halbleiterindustrie. Vor allem das Natriumion ist von großer Bedeutung. Als ubiquitär vorkommendes Element ist es unmöglich, Halbleiterbauteile komplett von Natriumquellen fernzuhalten. Über die Mold Compounds, die Luft, den Anwender oder über Meerwasser kann Natrium zu empfindlichen Bauteilen gelangen. Als kleines Ion kann Natrium besonders gut durch feste Schichten migrieren. Dabei führt Natrium unter anderem zu niedrigeren Treshold Spannungen, Leckströmen und im schlimmsten Fall zum Ausfall des Chips. Eine wichtige Herausforderung in der Halbleiterindustrie ist es daher, die schädlichen Effekte von Natrium abzuschwächen. Daher ist es von großer Wichtigkeit, die Natriumbewegung in dünnen Oxidschichten zu charakterisieren und Auswirkungen auf das Diffusionsund Migrationsverhalten zu untersuchen. Die hohen elektrischen Felder innerhalb von Halbleiterbauteilen führen dazu, dass Ionen noch schneller migrieren. Durch zunehmende Verkleinerung und die daraus resultierenden höheren elektrischen Felder wird sich dieses Problem in Zukunft noch stärker auswirken. Die hier präsentierte Arbeit untersucht die Ionenmigration in dünnen Siliziumoxid Schichten. Zuerst wird der Aufbau und die Entwicklung eines Triangular Voltage Sweep (TVS) Messgeräts erklärt. Der entwickelte Messaufbau ermöglicht es, selbst geringste Ströme im Bereich von Nanoampere zu messen und so Aussagen zur Ionenmigration in Abhängigkeit von diversen Parametern wie der Temperatur oder der Art des Oxids machen zu können. In weiterer Folge wird der Einfluss von Aluminium auf die Natriummigration untersucht.