Transistorstrukturen im Nanometermassstab

Nanoxid – von der Zuverlässigkeit ultradünnerOxidschichten

Oct 8, 2004 | CORNELIA ZOGGALL

Die Grenzen der Zuverlässigkeit von ultradünnen Oxidschichten sind an der Empa Gegenstand des Projekts «Nanoxid».

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Querschnitt durch einen MOS-Transistor (TEM-Aufnahme)
 

Die Empa untersucht isolierende Oxidschichten (Gateoxide) von Feldeffekttransistoren – einem Standardbauelement integrierter Schaltungen. Sie konzentriert sich dabei auf bis anhin noch nicht erklärte Ausfallmechanismen an den extrem dünnen Siliziumdioxidschichten, indem sie systematisch das Leckstromverhalten während Belastungstests untersucht.

 
Modell eines Feldeffekttransistors mit Source, Drain, Gate und Gateoxid.
 

 

Ein Feldeffekttransistor besitzt zwischen den beiden Halbleiterschichten, genannt Quelle (Source) und Senke (Drain), ein Kanalgebiet. Wenn über die Steuerelektrode (Gate) eine Spannung eingespeist wird, verändert sich dort die Ladungsträgerdichte. Die Steuerspannung, verstärkt durch thermische Effekte, kann zur Folge haben, dass die isolierende Gateoxidschicht aufgrund von elektrischen Durchbrüchen (Breakdown) undicht wird. Der Leckstrom führt dann zur Verschlechterung der Transistoreigenschaften oder möglicherweise zum Ausfall der Schaltfunktion. Sind die Gateoxidschichten aus Siliziumdioxid weniger als sieben Nanometer dünn, sind neben dem klassischen, sog. harten, auch Mikro- und weiche Durchbrüche (Soft Breakdown) registrierbar.

 

Empa ergründet weichen Durchbruch physikalisch

In der Beschäftigung mit dem weichen Durchbruch präsentieren Forschende heute eine ganze Anzahl von semi-empirischen Erklärungen. Das beliebteste Modell, das «Trap Percolation Model» (Haftstellen-Sicker-Modell), sagt den Ausfall statistisch voraus, ohne sich eingehend um die physikalischen Aspekte zu kümmern.

Das Projekt Nanoxid, das die Empa in Zusammenarbeit mit den Industriepartnern Philips Semiconductors (Zürich) und Philips Research (Leuven, B) mit finanzieller Unterstützung durch TopNano21 durchführt, zielt auf die Entwicklung eines ergänzenden physikalischen Modells, das über die Zuverlässigkeit von Schichten unter 5 nm Aufschluss gibt. Mit systematischen elektrischen Untersuchungen, kombiniert mit physikalischen Ausfallanalysen, versuchen die Empa-Forscher, das physikalische Wesen von weichen Durchbrüchen zu ergründen. In einer von unseren Forschern betreuten Dissertation, die an der EPFL eingereicht werden wird, werden dazu auch quantenmechanische Berechnungsmodelle erweitert. Sie sollen helfen, die Entstehung von atomaren Defekten an der Materialstruktur zu berechnen.

 

Sichtbarmachen von Leckstellen

Um sich einen Blick auf die Isolierschicht zu verschaffen und mögliche Leckstellen in Nanometergrösse sichtbar zu machen, setzten die Forscher im Empa-Zuverlässigkeitszentrum Halbleiter-Proben in einer hoch auflösenden Leckstrom-Belastungsvorrichtung unter konstanten Strom und unterwarfen sie Belastungen durch externe elektrische Felder und erhöhte Temperatur. Dabei wurden die Stromschwankungen – Phänomene wie diskrete Leckstromstufen (Switchings), willkürlich hin- und her springender Leckstrom (RTS, Random Telegraph Signal) und Ausbrüche (Bursts) aufgezeichnet und ausgewertet.

 
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Querschnitt durch die Gateregion eines Siliziumtransistors mit einem harten Durchbruch: Es werden Schmelzstellen in der Grösse von 200 bis 400 nm sichtbar.
 
Nach einem harten Durchbruch präparierten die Forscher aus der Halbleiter-Probe sodann mit Hilfe einer eigens entwickelten Methode am Rasterionenmikroskop FIB (Focused Ion Beam) 300 nm dünne Lamellen. (Für diese Präparationsmethode wurde kürzlich ein Patent beantragt.) Die Lamellen wurden anschliessend unter dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht – so entstanden einmalige Bilder, welche im Querschnitt durch die Gateregion eines Siliziumtransistors Ausfälle, z.B. Schmelzstellen in Dimensionen von 200 bis 400 Nanometern, sichtbar machten.
 

 

Referenz

J. C. Reiner, IEEE International Integrated Reliabilty Workshop - Final Report (2003) 196-198

d.s.,Microelectronics Reliability 43 (2003) 1507-1512

d.s., IEEE International Integrated Reliabilty Workshop - Final Report (2004) 109-111

 

 

Für fachliche Auskünfte

Dr. Joachim C. Reiner, Abt. Elektronik/Messtechnik, Tel. +41 44 823 48 92, E-mail: joachim.reiner@empa.ch

Dr. Urs Sennhauser, Abt. Elektronik/Messtechnik, Tel. +41 44 823 41 73, E-mail: urs.sennhauser@empa.ch

 

Redaktion

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