Sodium ion binding in polymers : and its effect on transport processes upon bias-temperature stress

Abstract

Innerhalb der Halbleiterindustrie können mobile Ionen schwerwiegende Folgen für die Zuverlässigkeit erzeugter Produkte hervorrufen. Für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren stellen in diesem Bezug Na+ Ionen eine besondere Gefahr dar. Um diesem Problem entgegenzuwirken, untersucht diese Studie die Unterdrückung der Ionen Migration durch die Beimischung von 15-crown-5 Molekülen. Proben werden mit der Struktur in Anlehnung an eine MOS Kapazität hergestellt und eine Host-Matrix mit einer festgelegten Konzentration von Na+ Ionen und 15-crown-5 Molekülen implementiert. Digitale holografische Mikroskopie analysiert die Schichtdicke der eingebrachten Host-Matrix. Messungen der Oberfläche schließen auf ihre Struktur zurück. Sekundärionen- Massenspektrometrie wird genutzt um die Verteilung der inkorporierten Na+ Ionen zu messen. Eine Spannung von 21 V wird an der Probe angelegt. Zeitgleich wird die Temperatur erhöht, wodurch die Transport Prozesse der Ionen induziert werden. Das gemessene Signal von Proben mit 15-crown-5 Molekülen wird mit Proben ohne diesen Molekülen verglichen. Eine 16.86 mal längere Ladezeit wird für Proben mit einem Kronenether zu Na+ Ionen Verhältnis von 10:1 erreicht.

Mobile ions cause severe problems in the semiconductor industry. Highly abundant sodium ions are particularly significant to the reliability of metal-oxide-semiconducting field-effect transistor (MOSFET) devices. This study focuses on the suppression of the Na+ ion migration through the introduction of 15-crown-5 molecules in order to address these issues. Samples imitating the structure of a MOS capacity are prepared and a host matrix layer with defined concentration of Na+ ions and 15-crown-5 molecules implemented. Digital holographic microscopy analyses the thickness of the incorporated host matrix layer and measurements of the surface are taken to draw conclusions on the layer's micro-geometry. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry is used to examine the distribution of the incorporated Na+ ions. A stressing procedure then applies a bias voltage of 21 V. By keeping the sample at an elevated temperature during this process, mobile ion migration is induced. Signals of samples with 15-crown-5 molecules are compared to signals of samples without these molecules. The study achieves a 16.86 times longer loading time of samples with a crown-ether to Na+ ratio of 10:1.