DIN EN 62374-2008 Semiconductor devices - Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) test for gate dielectric films (IEC 62374 2007) German version EN 62374 2007《半导体器件 与时间有关的栅极介电薄膜.pdf

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1、Februar 2008DEUTSCHE NORM DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDEPreisgruppe 15DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 31

2、.080.01!$K$v“1400183www.din.deDDIN EN 62374Halbleiterbauelemente Prfung des zeitabhngigen dielektrischen Durchbruchs (TDDB) frdielektrische Gate-Schichten (IEC 62374:2007);Deutsche Fassung EN 62374:2007Semiconductor devices Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) test for gate dielectric films(IE

3、C 62374:2007);German version EN 62374:2007Dispositifs semiconductors Essai de rupture dilectrique en fonction du temps (TDDB) pour films dilectriques degrille (CEI 62374:2007);Version allemande EN 62374:2007Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 24 Se

4、itenDIN EN 62374:2008-02 2 Beginn der Gltigkeit Die von CENELEC am 2007-10-01 angenommene EN 62374 gilt als DIN-Norm ab 2008-02-01. Nationales Vorwort Vorausgegangener Norm-Entwurf: E DIN IEC 62374:2004-09. Fr diese Norm ist das nationale Arbeitsgremium K 631 Halbleiterbauelemente“ der DKE Deutsche

5、Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE (www.dke.de) zustndig. Die enthaltene IEC-Publikation wurde vom TC 47 Semiconductor devices“ erarbeitet. In Bild 3 setzt die Balkendarstellung fr die ISILC-Messung im 2. Intervall nicht zu dem in der vorangegange-nen Beschreibun

6、g unter Punkt f) festgelegten Zeitpunkt an. Danach darf sie erst nach der Wartezeit beginnen. Das zustndige IEC-Gremium wurde auf diesen Sachverhalt hingewiesen. Das IEC-Komitee hat entschieden, dass der Inhalt dieser Publikation bis zu dem auf der IEC-Website unter http:/webstore.iec.ch“ mit den Da

7、ten zu dieser Publikation angegebenen Datum (maintenance result date) unverndert bleiben soll. Zu diesem Zeitpunkt wird entsprechend der Entscheidung des Komitees die Publikation besttigt, zurckgezogen, durch eine Folgeausgabe ersetzt oder gendert. EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE E

8、N 62374 Oktober 2007 ICS 31.080 Deutsche Fassung Halbleiterbauelemente Prfung des zeitabhngigen dielektrischen Durchbruchs (TDDB) fr dielektrische Gate-Schichten (IEC 62374:2007) Semiconductor devices Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) test for gate dielectric films (IEC 62374:2007) Disposit

9、ifs semiconductors Essai de rupture dilectrique en fonction du temps (TDDB) pour films dilectriques de grille (CEI 62374:2007) Diese Europische Norm wurde von CENELEC am 2007-10-01 angenommen. Die CENELEC-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen fe

10、stgelegt sind, unter denen dieser Europischen Norm ohne jede nderung der Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Zentralsekretariat oder bei jedem CENELEC-Mitglied auf Anfrage erhltlich

11、. Diese Europische Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Englisch, Franzsisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache, die von einem CENELEC-Mitglied in eigener Verantwortung durch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem Zentralsekretariat mitgeteilt worden ist, hat den glei

12、chen Status wie die offiziellen Fassungen. CENELEC-Mitglieder sind die nationalen elektrotechnischen Komitees von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich

13、, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der Tschechischen Republik, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zypern. CENELEC Europisches Komitee fr Elektrotechnische Normung European Committee for Electrotechnical Standardization Comit Europen de Normalisati

14、on Electrotechnique Zentralsekretariat: rue de Stassart 35, B-1050 Brssel 2007 CENELEC Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den Mitgliedern von CENELEC vorbehalten. Ref. Nr. EN 62374:2007 DDIN EN 62374:2008-02 EN 62374:2007 2 Vorwort Der Text des

15、 Schriftstcks 47/1894/FDIS, zuknftige 1. Ausgabe von IEC 62374, ausgearbeitet von dem IEC TC 47 Semiconductor devices“, wurde der IEC-CENELEC Parallelen Abstimmung unterworfen und von CENELEC am 2007-10-01 als EN 62374 angenommen. Nachstehende Daten wurden festgelegt: sptestes Datum, zu dem die EN a

16、uf nationaler Ebene durch Verffentlichung einer identischen nationalen Norm oder durch Anerkennung bernommen werden muss (dop): 2008-07-01 sptestes Datum, zu dem nationale Normen, die der EN entgegenstehen, zurckgezogen werden mssen (dow): 2010-10-01 Anerkennungsnotiz Der Text der Internationalen No

17、rm IEC 62374:2007 wurde von CENELEC ohne irgendeine Abnderung als Europische Norm angenommen. DIN EN 62374:2008-02 EN 62374:2007 3 Inhalt Seite Vorwort .2 1 Anwendungsbereich.4 2 Begriffe .4 3 Prf- und Messeinrichtung .6 4 Prflinge .6 4.1 Allgemeines6 4.2 Teststruktur: Kapazitives Schaltungselement

18、(Kondensator) 6 4.3 Flche.7 5 Prfdurchfhrung7 5.1 Allgemeines7 5.2 Vorprfung9 5.3 Prfbedingungen9 5.4 Fehler- und Beurteilungskriterien.9 6 Lebensdauer-Schtzung 12 6.1 Allgemeines12 6.2 Beschleunigungsmodell .12 6.3 Verfahren zur Schtzung der Lebensdauer .15 7 Abhngigkeit der Lebensdauer von der Flc

19、he des Gateoxids .17 Anhang A (informativ) Ergnzende Angaben zur Bestimmung der Prfbedingungen und Datenanalyse .18 A.1 Beispiel fr die Bestimmung von Ustress18 A.2 blicher Wert des Beschleunigungsfaktors .19 A.3 Verfahren zur Erstellung von Kurvendiagrammen mittels Weibullfunktion.20 Literaturhinwe

20、ise 22 Bilder Bild 1 Prfablauf-Diagramm fr das CVS-Verfahren.8 Bild 2 Beispiel fr Anwendung des Varianzverfahrens zur Bestimmung des Durchbruchs11 Bild 3 Zeit-Diagramm fr die berprfung der SILC-nderung bei der Anwendung des Stress-Unterbrechungs-Verfahrens (tinitmuss 5 nm) hat der Tunnelstrom einen

21、vernachlssigbaren Effekt, sodass die hchsten Flchenbegrenzungen auf 1 103 cm2bis 1 101cm2ausgedehnt werden knnen. 5 Prfdurchfhrung 5.1 Allgemeines In diesem Abschnitt wird die Prfdurchfhrung erlutert. In Bild 1 ist der Prfablauf fr das CVS-Verfahren zu sehen. DIN EN 62374:2008-02 EN 62374:2007 8 Bil

22、d 1 Prfablauf-Diagramm fr das CVS-Verfahren DIN EN 62374:2008-02 EN 62374:2007 9 5.2 Vorprfung Es ist eine Vorprfung durchzufhren, um die bereits vor der Prfbeanspruchung existierenden fehlerhaften Prflinge (Initialfehler) zu ermitteln. Der Gatestrom wird bei angelegter Betriebsspannung gemessen. Fa

23、lls der gemessene Strom grer als der festgelegte Prf-Grenzwert ist, dann ist der Prfling als Initialfehler zurckzuweisen. Falls eine Ausfallverteilung gefordert wird, kann das CVS-Prfverfahren ohne Vorprfung effektiver sein. In diesem Fall kann die Vorprfung weggelassen werden. 5.3 Prfbedingungen 5.

24、3.1 Allgemeines Fr die TDDB-Prfung werden die folgenden Prfbedingungen empfohlen. Der Stichprobenumfang sollte so gewhlt werden, dass er das notwendige Vertrauensniveau fr die Anwendung ergibt. 5.3.2 Elektrische Feldstrke Ustressmuss mittels einer Versuchsbeanspruchung bestimmt werden, um die TDDB-L

25、ebensdauerdaten in einer vertretbaren Zeit zu erhalten. Es wird empfohlen, mindestens drei elektrische Feldstrken zu whlen, um den Beschleunigungsfaktor hinsichtlich der Feldstrke abzuschtzen. 5.3.3 Temperatur Es wird empfohlen, mindestens drei Temperaturen zu whlen. Die Betriebs-Sperrschicht-Temper

26、atur sollte im Prf-Temperaturbereich enthalten sein, mit dem der Temperatur-Beschleunigungsfaktor (Aktivierungs-energie) ermittelt wird. 5.4 Fehler- und Beurteilungskriterien Es ist eines der folgenden Fehler- und Beurteilungskriterien zu whlen, um einen Bauelementefehler bzw. -ausfall zu bestimmen:

27、 a) Igist grer als der Fehler-Grenzwert. b) Falls festgelegt, Igist grer als der Fehler-Grenzwert. c) Falls festgelegt, Ig/ Ig0ist grer als der Fehler-Grenzwert. Fehler-Grenzwerte: Ig, Ig, Ig/ Ig0sind Grenzwerte, welche den Ausfall des entsprechenden Bauelements bestimmen. Die Messbedingungen (Tempe

28、ratur, elektrische Feldstrke) sollten fr die Prf-Beurteilung auf Betriebs- oder Prf-Beanspruchungsbedingungen eingestellt werden. Der Fehler-Grenzwert vom Gatestrom bzw. der Gatestrom-Drift sollten festgelegt werden, und zwar unter Beachtung des Initialstromes, der Messauflsung und der Bauelementesp

29、ezifikation. Falls der Fehler-Grenzwert nicht festgelegt ist, sind die nachfolgenden Bedingungen d) bis f) anzuwen-den. d) Zunahme des gemessenen Leckstroms im Gateoxid Bei dicken Oxiden (tox 5 nm) oder kleinflchigen Teststrukturen fallen die Oxide oft infolge eines pltzli-chen Anwachsens (grer als

30、das Zehnfache) des gemessenen Oxidstroms unter Beanspruchung aus. Imeas 10 Iprevious.Falls diese Bedingung erfllt wird, ist die Prfung zu beenden. Der zehnfache Wert fr das Anwachsen ist ein empfohlener Wert. Zwischen dem Zwei- bis Zehnfachen knnte der Wert fr tatschliche harte“ Durchbrche liegen, w

31、elche von Kondensatorflche, Dicke, Struktur und Prozessmerkmalen abhngig sind . DIN EN 62374:2008-02 EN 62374:2007 10 e) Zunahme des Stromrauschens Bei einem Soft-Durchbruch nimmt das Mess-Rauschen zu. Dieses grer werdende Rauschen kann mit Hilfe einer Analyse der gemessenen Stromdaten festgestellt

32、werden, indem ein Verfahren auf Basis der statistischen Varianz angewandt wird. Bei dieser Prffestlegung wird angenommen, dass das Rauschen der Messeinrichtung (Tester) schon ermittelt wurde. Bei diesem Prfkriterium werden sechs aufeinanderfolgende gemessene Stromwerte Imeas(i) bis Imeas(i+5) aufgez

33、eichnet und auf Basis dieser Werte erfolgt die Bestimmung des Stromrauschens (Imeas) entsprechend ()()()25meas521meas21meas54iiiiIiIiI= =(2) Der Endwert von (Imeas) ist im Wesentlichen die Schtzfunktion der Stichprobenvarianz der fnf Imeas-Messwerte. Das Stromrauschen wird kontinuierlich berechnet,

34、indem jeweils ein neuer Strom-Messwert dazugenom-men wird und der erste Messwert in diesem 6er-Stichprobenumfang herausgenommen wird (d. h. ein gleitender Stichprobenumfang von Imeas(i+1) bis Imeas(i+5). Bei einer Zunahme des Stromrauschens auf das 500fache gegenber dem Grundwert bei mindestens fnf

35、zustzlichen Berechnungen gilt das Bauelement als ausgefallen. Mit zustzlichen Berechnungen, welche nach dem Feststellen des Durch-bruchs durchgefhrt werden, wird sichergestellt, dass die Zunahme des Rauschens dauerhaft anhlt und nicht das Ergebnis einer zuflligen Schwankung oder einer transienten Ra

36、uschzunahme ist. Die Prfung ist dann zu beenden. Der 500fache Wert fr das Anwachsen ist ein empfohlener Wert. Zwischen dem 200- bis 500fachen knnte der Wert fr tatschliche Softdurchbrche liegen, welche abhngig sind von Kondensatorflche, Dicke, Struktur und Prozessmerkmale. Eine Kompensation knnte ra

37、tsam sein fr eine langsame Zunahme der Messwerte von Imeaswhrend der Beanspruchung infolge Trappings oder eines stress-induzierten Leckstroms. In diesem Fall kann der Wert (Imeas) auf Basis der Varianz von fnf Werten ber die Differenz Imeas(i+1) Imeas(i) Messdaten in dem 6er Stichprobenumfang wie fo

38、lgt bestimmt werden: ()() ()() ()25meas meas521meas meas21meas1154iiiiIiIiIiIiI= + + =(3) In Bild 2 wird ein bliches Beispiel fr die Implementierung des Varianzverfahrens zur Ermittlung des Durchbruchs gezeigt. Das Beispiel basiert auf einem Prfling mit 2,0 nm dickem SiO2und einer Flche von 4 106cm.

39、 Zu Beginn des dielektrischen Durchbruchs wird eine Zunahme des Stromrauschens um mehr als vier Grenordnungen beobachtet. Bei ultradnnen Oxiden wurden vor dem Durchbruch schnelle Stromtransienten und RTS-Rauschen (RTS; en: random telegraph signal) beobachtet. Eine Ermittlung des Durchbruchs unter so

40、lchen Bedingungen ist mit groer Sorgfalt zu vermeiden. In 11wird ein Verfahren beschrieben, um die Empfindlichkeit gegenber RTS-Rauschen und/oder Transienten zu reduzieren. Erst-Charakterisierung Mittels einer Erst-Charakterisierung erhlt man mehrere Basis-Kennwerte, welche fr eine erfolgreiche Impl

41、ementierung des CVS-Prfverfahrens erforderlich sind. Bei diesem Prfverfahren ist es erforderlich, dass der Ausgangslaststrom (Icomp) der Prfeinrichtung mindestens zehnmal grer als der Strom Istressund der Wert des Stroms Iusegrer als das Rauschen der Messeinrichtung sein mssen. Die folgenden 1Die Zi

42、ffer in den eckigen Klammern verweist auf die Literaturhinweise. DIN EN 62374:2008-02 EN 62374:2007 11 Basis-Kennwerte werden fr diese Prfdurchfhrung auf der Grundlage bekannter guter“ Bauelemente bestimmt: i) bliche Werte fr Istressbei allen festgelegten Werten von Ustressund Iusebei Uuse;ii) Basis

43、werte fr das Stromrauschen des Prf- und Mess-Systems bei allen festgelegten Werten von Ustress. Die Erst-Charakterisierung sollte mindestens an fnf Prflingen durchgefhrt werden, welche ber den Wafer verteilt sind. f) Zunahme des stress-induzierten Leckstroms bei kleiner Spannung (SILC) Bei diesem Ve

44、rfahren wird die Zunahme des SILC-Stromes als eine Funktion der Beanspruchungsdauer aufgezeichnet, um das Auftreten eines Softdurchbruchs festzustellen. Bei dieser Prfdurchfhrung wird die Spannungsbeanspruchung nach Beanspruchungsintervallen (tint) unterbrochen und der Bauelemen-testrom (Imeas) bei

45、kleiner Gatespannung (USILC) gemessen. Der Wert von USILCliegt blicherweise zwischen 1 V und 2 V. Nach der Beanspruchungsunterbrechung und vor der Imeas-Messung sollte eine Erholdauer (twait) eingehalten werden, um das Abklingen irgendwelcher Transienten zu ermglichen, die in einigen Prf- und Mess-S

46、ystemen auftreten knnen. Der Wert der Beanspruchungsdauer tintsollte kleiner als 1 % der erwarteten Dauer bis zum Durchbruch tbdsein, whrend twaitso festgelegt werden sollte, dass bei jeder Beanspruchungsbedingung der Strom ISILCauf einen konstanten Wert eingestellt werden kann. Die blichen Werte de

47、r Erholdauer twaitsind abhngig vom Prf- und Mess-System und knnen einige Sekunden betragen. Der Messwert ISILCsollte ebenfalls in einer Datei gespeichert werden. Falls Imeas(Ug, tint+ 1) F Imeas(Ug, tint) ist, gilt das Bauelement als ausgefallen. Die Prfung ist dann zu beenden. bliche Werte fr die K

48、onstante F liegen zwischen 2 und 5. Dieser F-Wert ist abhngig von tox, Aoxide(Flche des Gateoxids) und USILC. Im Bild 3 wird ein Timing-Diagramm gezeigt, mit dem das Verfahren der Stress-Unterbrechung beschrieben wird. Es wird gezeigt, dass die periodischen Unterbrechungen in der Beanspruchung keine Auswirkungen auf die Lebensdauerverteilungen bei unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen haben. Die Dauer bis zum Durchbruch und die Stromwerte ISILCvor und nach dem Durchbruch sollten aufgezeichnet werden. Bild 2 Beispiel fr Anwendung des Varianzverfahrens zur Be