Migration behaviour of mobile ions within chemical vapour deposited silicon oxide layers

Abstract

In semiconductor industry the presence of positive mobile ions within dielectric layers is a major issue concerning device reliability. Once mobile ions, such as Li+, Na+ or K+, enter the dielectric device structure they start migrating according to the presence of electric fields. As soon as they reach the gate dielectric, especially the Si/SiOx interface, a shift in transfer characteristic occurs, leading to reliability issues or even device malfunction. Therefore, it is of great interest to understand the exact migration behaviour of mobile ions within dielectric layers. In this study the transport of Na+ and K+ from a polymeric ion host material into and out of SiOx layers, which are manufactured via chemical vapour deposition (CVD), is investigated under the influence of electric fields using a triangular voltage sweep (TVS) method. It is indicated that the quality of the oxide, covering a highly doped Si substrate material, has a major influence on the applied bias for transferring ions into and through the insulator. The investigations show the impeding effect of ion insertion as a result of different SiOx qualities. The present work clearly outlines how Na+ migration depends on the SiOx bulk properties as well as on the Si/SiOx interface quality. Both characteristics are modified by varying the deposition technique and the subsequent annealing procedure. Assessment of ion kinetics within the investigated dielectrics is carried out by variations of measurement temperature, showing an obvious linear correlation in the Arrhenius plot. Extraction of activation energies is feasible using a modified Butler-Volmer approach. Inorganic materials are frequently tested in semiconductor industry upon the presence of ionic impurities using depth profiling via ToF-SIMS. Unfortunately, the commonly used O2+ sputter projectiles are inherently leading to sample surface charging effects. As a consequence, considerable electric fields are generated, especially within thin dielectric layers, leading to migration effects of the investigated elements. Even if recent coun- termeasures are implemented, significant measuring artefacts occur regarding the exact location of mobile ions. Within this study a highly sensitive depth profiling technique is presented, which enables the analysis of an unknown distribution of mobile ion impurities within thin dielectric layers. The usually observed ion migration is thereby successfully circumvented. The oxygen gas cluster ion beam (O2-GCIB) exhibits an erosion rate comparable to the frequently used O2+ projectiles. However, owing to its high sputter yield the necessary beam current is considerably lower (factor 50), resulting in a decreased amount of excess charges at the SiO2 surface. Hence, a reduced electric field within the remaining dielectric layer is obtained. This drastically mitigates the mobile ion migration artefact, commonly observed in depth profiles of various dielectric materials, if analysed by ToF-SIMS in dual beam mode. It is shown, that the application of O2-GCIB results in a negligible residual ion migration for Na+ and K+. This enables artefact-free depth profiling with high sensitivity and low operational effort. Furthermore, insight into the migration behaviour of mobile ions during the O2+ sputter process is given by switching the sputter beam from O2+ to O2 clusters and vice versa. K+ is found to be transported through the SiO2 layer only within the proceeding sputter front. For Na+ a steadily increasing fraction is observed, which migrates through the unaffected SiO2 layer towards the adjacent Si/SiO2 interface. The present work clearly outlines the benefits of large O2 clusters as sputter projectiles. This special ToF-SIMS depth profiling technique enables fast analysis with no time consuming sample preparation or setting optimization in daily working routine.

In der Halbleiterindustrie stellt die Anwesenheit von positiven mobilen Ionen innerhalb dielektrischer Schichten eine Herausforderung bezüglich Produktzuverlässigkeit dar. Sobald sich positive Ionen wie z.B. Li+, Na+ oder K+ innerhalb der dielektrischen Schichten eines Bauteiles befinden, migrieren sie je nach auftretenden elektrischen Feldern. Das Gate-Oxid, insbesondere die Si/SiOx-Grenzfläche, ist hierbei besonders gefährdet, da das Vorhandensein von positiven mobilen Ionen eine Verschiebung der Schaltcharakteristik mit sich bringt. Dies kann zu unerwünschten Zuverlässigkeitsproblemen bis hin zu kompletten Systemausfällen mit möglicherweise fatalen Folgen führen. Auf Grund dessen ist eine genauere Untersuchung des Migrationsverhaltens mobiler Ionen innerhalb dielektrischer Schichten für die Halbleiterindustrie von großem Interesse. In der hier präsentierten Studie wird der Transport von Na+ und K+ von einem polymeren Ionenreservoir in verschiedene SiOx-Schichten unter Einfluss von elektrischen Feldern untersucht. Die SiOx-Schichten wurden dabei mittels chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition - CVD) auf einem hochdotierten Si-Substrat hergestellt. Für die erfolgreiche Eintreibung der Ionen in die dielektrischen Schichten wurde eine Dreiecksspannungsablenkmethode (triangular voltage sweep - TVS) angewendet. Es zeigt sich, dass die Qualität der Oxide großen Einfluss auf die notwendige Spannung hat, um die mobilen Ionen erfolgreich vom Ionenreservoir durch den Isolator zur Si/SiOx-Grenzfläche zu bewegen. Die Arbeit veranschaulicht die starke Abhängigkeit der Na+-Migration von sowohl SiOx-Volumeneigenschaften als auch von Si/SiOx-Grenzflächenzuständen. Beide Eigenschaften wurden gezielt mittels Variationen der Abscheidebedingungen als auch der anschließenden Temperbedingungen verändert. Die Ionenkinetik innerhalb der analysierten Dielektrika wurde durch die Veränderung der Messtemperatur bestimmt. Dabei wurde eine eindeutige lineare Abhängigkeit im Arrhenius-Plot festgestellt. Durch die Anwendung einer modifizierten Butler Volmer-Gleichung konnten Aktivierungsenergien für die erstmalige Einbringung von positiven mobilen Ionen in die untersuchten Oxide berechnet werden. Anorganische Materialien werden in der Halbleiterindustrie regelmäßig auf ionische Verunreinigungen mittels ToF-SIMS Tiefenprofilierungen untersucht. Unglücklicherweise verursachen die für gewöhnlich benutzten O2+-Sputterprojektile starke elektrische Aufladungen auf der nicht leitenden Probenoberfläche. Daraus resultieren elektrische Felder, welche zu unerwünschten Migrationseffekten des Analyten innerhalb der zu untersuchenden Schicht führen. Trotz Anwendung aller vorhandenen zeitgemäßen Gegenmaßnahmen kommt es zu signifikanten Messartefakten, welche die Bestimmung der exakten Position der mobilen Ionen innerhalb der Schicht unmöglich macht. In dieser Studie wird eine hochsensible Tiefenprofilmesstechnik vorgestellt, die eine erfolgreiche Umgehung der klassischen Ionenmigrationseffekte ermöglicht. Der hier verwendete O2-Gasclusterionenstrahl besitzt eine vergleichbare Erosionsrate zu den herkömmlichen O2+-Sputterprojektilen. Aufgrund der vorhandenen hohen Sputterrate ist der notwendige Sputterstrom um den Faktor 50 deutlich reduziert. Dies führt zu einer verminderten Anzahl an Überschussladungen auf der analysierten SiO2-Probenoberfläche, welche ein stark reduziertes elektrisches Feld innerhalb der übrig gebliebenen Schicht mit sich bringt. Damit ist eine drastische Verminderung der Migrationseffekte bewirkt. Es wird gezeigt, dass die Anwendung des O2-Gasclusterstrahles zu einer vernachlässigbaren Ionenmigration von Na+ als auch von K+ führt. Dies ermöglicht eine artefaktfreie, hochempfindliche Tiefenprofilierung von mobilen Ionen in dielektrischen Schichten. Des Weiteren wird in dieser Studie ein detaillierter Einblick in das Migrationsverhalten von Na+ und K+ während des O2+-Sputtervorganges gegeben. Durch den Austausch der verwendeten Sputterprojektile von O2+ zu O2-Clustern, kann die exakte Position der mobilen Analyten während eines Sputtervorganges mit O2+ bestimmt werden. Dabei wurde herausgefunden, dass K+ innerhalb der fortschreitenden Sputterfront transportiert wird, wohingegen Na+ zusätzlich durch die unberührte SiO2-Schicht zu der angrenzenden Si/SiO2-Grenzfläche migriert. Die Arbeit unterstreicht den Vorteil von großen O2-Clustern als Sputterprojektile für die Untersuchung dielektrischer Schichten mittels ToF-SIMS. Diese spezielle Tiefenprofilierungsmethode ermöglicht eine schnelle Analyse ohne aufwendige Probenvorbereitung oder Messparameteroptimierung und kann daher optimal in die alltägliche Arbeit integriert werden.