DIN EN 62417-2010 Semiconductor devices - Mobile ion tests for metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) (IEC 62417 2010) German version EN 62417 2010《半导体器件 金属氧化.pdf

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1、Dezember 2010DEUTSCHE NORM DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDEPreisgruppe 9DIN 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

2、31.200!$jxf“1718567www.din.deDDIN EN 62417Halbleiterbauelemente Prfverfahren auf mobile Ionen fr Feldeffekttransistoren mitMetall-Oxid-Halbleiter(MOSFET)(IEC 62417:2010);Deutsche Fassung EN 62417:2010Semiconductor devices Mobile ion tests for metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFE

3、Ts)(IEC 62417:2010);German version EN 62417:2010Dispositifs semiconducteurs Essais dions mobiles pour transistors semiconducteur oxyde mtallique effet dechamp(MOSFET)(CEI 62417:2010);Version allemande EN 62417:2010Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfan

4、g 9 SeitenB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 DIN EN 62417:2010-12 2 Anwendungsbeginn Anwendungsbeginn fr die von CENELEC am 2010-05-01 angenommene Europische Norm als DIN-Norm ist 2010-12-01. Nationales Vorwort Vorausgegangener Norm-Entwurf: E DIN IEC 62417:2007-08.

5、 Fr diese Norm ist das nationale Arbeitsgremium K 631 Halbleiterbauelemente“ der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE (www.dke.de) zustndig. Die enthaltene IEC-Publikation wurde vom TC 47 Semiconductor devices“ erarbeitet. Das IEC-Komitee hat entschied

6、en, dass der Inhalt dieser Publikation bis zu dem Datum (maintenance result date) unverndert bleiben soll, das auf der IEC-Website unter http:/webstore.iec.ch“ zu dieser Publikation angegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt wird entsprechend der Entscheidung des Komitees die Publikation besttigt, zurckgezo

7、gen, durch eine Folgeausgabe ersetzt oder gendert. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE EN 62417 Mai 2010 ICS 31.080 Deutsche Fassung Halbleiterbauelemente Prfverfahren auf mobile Ionen fr Feldeffekttransistoren mit Me

8、tall-Oxid-Halbleiter (MOSFET) (IEC 62417:2010) Semiconductor devices Mobile ion tests for metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) (IEC 62417:2010) Dispositifs semiconducteurs Essais dions mobiles pour transistors semiconducteur oxyde mtallique effet de champ (MOSFET) (CEI 62417:

9、2010) Diese Europische Norm wurde von CENELEC am 2010-05-01 angenommen. Die CENELEC-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denen dieser Europischen Norm ohne jede nderung der Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf d

10、em letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Zentralsekretariat oder bei jedem CENELEC-Mitglied auf Anfrage erhltlich. Diese Europische Norm besteht in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Englisch, Franzsisch). Eine Fassung in einer ande

11、ren Sprache, die von einem CENELEC-Mitglied in eigener Verantwortung durch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem Zentralsekretariat mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die offiziellen Fassungen. CENELEC-Mitglieder sind die nationalen elektrotechnischen Komitees von Belgien

12、, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der Tschechischen Republik

13、, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zypern. CENELEC Europisches Komitee fr Elektrotechnische Normung European Committee for Electrotechnical Standardization Comit Europen de Normalisation Electrotechnique Zentralsekretariat: Avenue Marnix 17, B-1000 Brssel 2010 CENELEC Alle Rechte der Verwertung

14、, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den Mitgliedern von CENELEC vorbehalten. Ref. Nr. EN 62417:2010 DB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 DIN EN 62417:2010-12 EN 62417:2010 Vorwort Der Text des Schriftstcks 47/2042/FDIS, zuknftige 1. Ausga

15、be von IEC 62417, ausgearbeitet von dem IEC TC 47 Semiconductor devices“, wurde der IEC-CENELEC Parallelen Abstimmung unterworfen und von CENELEC am 2010-05-01 als EN 62417 angenommen. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. CEN und C

16、ENELEC sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Nachstehende Daten wurden festgelegt: sptestes Datum, zu dem die EN auf nationaler Ebene durch Verffentlichung einer identischen nationalen Norm oder durch Anerkennung bernommen werden muss (dop):

17、2011-02-01 sptestes Datum, zu dem nationale Normen, die der EN entgegenstehen, zurckgezogen werden mssen (dow): 2013-05-01 Anerkennungsnotiz Der Text der Internationalen Norm IEC 62417:2010 wurde von CENELEC ohne irgendeine Abnderung als Europische Norm angenommen. 2 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30

18、F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 DIN EN 62417:2010-12 EN 62417:2010 Inhalt SeiteVorwort .2 1 Anwendungsbereich.4 2 Akronyme und Symbole .4 3 Allgemeine Beschreibung 4 4 Prfeinrichtung .5 5 Teststrukturen 5 6 Stichprobenumfang 5 7 Beanspruchungsbedingungen .5 8 Prfdurchfhrung6 8.1 BTS-Prfverfahre

19、n .6 8.2 VS-Prfverfahren6 9 Ausfall- und Fehlerkriterien 7 10 Prfaufzeichnungen .7 3 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 DIN EN 62417:2010-12 EN 62417:2010 1 Anwendungsbereich In diesem Dokument ist ein Prfverfahren festgelegt, um den Betrag positiver mobiler Ionen i

20、n Oxidschichten von Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistoren auf Waferniveau zu bestimmen. Das Prfverfahren ist sowohl auf aktive als auch auf parasitre Feld-Effekt-Transistoren anwendbar. Die mobile Ladung kann Degradationen des mikroelektronischen Bauelementes verursachen wie eine Schwellsp

21、annungsdrift des MOSFET oder eine Basisinversion in Bipolartransistoren. 2 Akronyme und Symbole In diesem Dokument werden folgende Akronyme und Symbole verwendet. CV-Messung Kapazitts-Spannungs-Messung (CV; en: capacity-voltage) HFCV-Messung Hochfrequenz-Kapazitts-Spannungs-Messung UgGate-Spannung t

22、oxOxiddicke IdsDrain-Source-Strom Uddpositive Versorgungsspannung Udd, maxHchstwert der Versorgungsspannung UtSchwellspannung des Transistors Ut, initialAbsolutwert der Schwellspannung vor der Prfbeanspruchung UsupplyAbsolutwert der Versorgungsspannung oxPermittivittszahl des Oxids 3 Allgemeine Besc

23、hreibung Die Prfbeanspruchung auf die Teststrukturen wird bei erhhter Temperatur ausgebt, so dass sowohl mobile Ionen die Energiebarriere an den Grenzflchen berwinden knnen als auch die Ionenbeweglichkeit im Oxid ausreichend hoch ist. In diesem Dokument sind zwei Prfverfahren festgelegt: Spannungs-T

24、emperatur-Beanspruchung (BTS; en: bias temperature stress); Spannungs-Durchlauf (VS; en: voltage sweep). Das BTS-Prfverfahren wird mit Transistoren durchgefhrt. Die Schwellspannung wird ber eine Ids-Ugs-Messung an noch nicht beanspruchten Teststrukturen bei Raumtemperatur ermittelt. Die Schwellspann

25、ung ist festgelegt als die Gate-Spannung, welche erforderlich ist, um einen konstanten Drainstrom durch den Transistor zu treiben. Anschlieend wird das Gate mit einer positiven Spannung bei erhhter Temperatur beansprucht, um die frei beweglichen Ionen in Richtung Substrat zu treiben. Nach dieser Bea

26、nspruchung wird die Teststruktur auf Raumtemperatur abgekhlt, whrend die Spannungsbelastung aufrechterhalten wird. Eine zweite Ids-Ugs-Messung wird bei Raumtemperatur durchgefhrt. Mit einer Beanspruchung des Gates mit einer negativen Spannung bei erhhter Temperatur gefolgt von einer Ids-Ugs-Messung

27、bei Raumtemperatur wird der Prfablauf beendet. Die mobilen Ionen verursachen eine Drift der Ids-Ugs-Kennlinie. Der Driftabstand zwischen den Kurven ist ein Ma fr die Konzentration der mobilen Ionen im Oxid. Kanteneffekte der Transistorstruktur knnen bercksichtigt werden, indem vor dem eigentlichen B

28、TS-Prfablauf eine negative Gate-Spannung fr die Dauer von zwei Minuten angelegt wird. ANMERKUNG In dielektrischen Schichten, welche sich ber einer groen Polysilizium- oder Metallflche befinden, knnen frei bewegliche Ladungstrger nicht ermittelt werden, weil es kein elektrisches Feld gibt, welches di

29、e Ionen in die tiefer liegenden Oxidschichten treiben kann. Zum Lsen dieses Problems knnen kanteneffektspezifische Teststrukturen 4 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 DIN EN 62417:2010-12 EN 62417:2010 verwendet werden, welche ein groes Kanten-Flchen-Verhltnis haben

30、, wie beispielsweise kammfrmige Teststrukturen. Die VS-Prfbeanspruchung wird mit Kapazittsstrukturen durchgefhrt. Es wird eine quasistationre CV-Kennlinie aufgenommen und mit einer gemessenen niederfrequenten CV-Kennlinie verglichen. Der Strom der Ionen-Verschiebung erscheint als Spitze in der quasi

31、stationren CV-Kennlinie und ist ein Hinweis auf eine mobile Ionenkonzentration. 4 Prfeinrichtung Mit der heizbaren Messfassung muss man in der Lage sein, eine Temperatur von 250 C konstant aufrecht zu halten. Ein (LCR-)Kapazittsmessgert ist sowohl fr die HFCV-Messungen als auch fr quasistationre CV-

32、Messungen erforderlich. Ein Strommessgert im pA-Bereich ist fr die niederfrequente CV-Messung erforderlich (typische Frequenz: 1 kHz). Die Frequenz fr die niederfrequente CV-Messung darf vom Wert 1 kHz abweichen, solange die Kapazitten beim Auf- und Umladen nicht mehr als 10 % voneinander abweichen.

33、 5 Teststrukturen Als Teststrukturen werden fr das BTS-Prfverfahren Transistorstrukturen und fr das VS-Prfverfahren Kapazittsstrukturen verwendet. Die Mindestflche Amindes Kondensators wird ber die Geschwindigkeit der Spannungsnderung dU/dt und den kleinsten messbaren Strom Imin(der von der Auflsung

34、 des Messgertes abhngig ist) bestimmt entsprechend ItAUt=min oxmin0oxdd(1) Dabei ist 0die Permittivitt im Vakuum. 6 Stichprobenumfang Es wird ein Stichprobenumfang von fnf empfohlen. 7 Beanspruchungsbedingungen Das elektrische Feld whrend der Prfbeanspruchung ist: 1,0 MV/cm fr ein Gateoxid mit einem

35、 Mindestwert von Usupply+10 %; 0,2 MV/cm fr ein Polysiliziumgate ber dem Feldoxid; 0,3 MV/cm fr ein Metallgate ber dem Feldoxid. Das elektrische Feld wird berechnet ber Ug / tox. 5 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 DIN EN 62417:2010-12 EN 62417:2010 8 Prfdurchfhrun

36、g 8.1 BTS-Prfverfahren Die Teststrukturen sind nacheinander folgenden Prfschritten zu unterziehen: Messung der ersten Ids-Ugs-Kennlinie (oder HFCV-Kennlinie) bei Raumtemperatur; Anlegen einer positiven Gate-Spannung, um die mobilen Ionen an der Grenzflche Silizium/Gate anzu-reichern; Erwrmen auf ein

37、e Temperatur von 250 C; Zustand ber Dauer von fnf Minuten halten; Abkhlen auf Raumtemperatur; Abschalten der Gate-Spannung; Messung der zweiten Ids-Ugs-Kennlinie (oder HFCV-Kennlinie); Anlegen einer negativen Gate-Spannung, um die mobilen Ionen an der Grenzflche Silizium/Gate anzu-reichern; Erwrmen

38、auf eine Temperatur von 250 C; Zustand ber Dauer von fnf Minuten halten; Abkhlen auf Raumtemperatur; Abschalten der Gate-Spannung; Messung der dritten Ids-Ugs-Kennlinie (oder HFCV-Kennlinie). Ids-Ugs-Kennlinien drfen auch bei 250 C gemessen werden (Schnellprfung). HFCV- und Ids-Ugs-Messungen mssen m

39、it der Polaritt begonnen werden, welche in der unmittelbar vorangegangenen Hochtemperatur-Beanspruchung verwendet wurde. ANMERKUNG Aufzeichnen der zugehrigen Daten ist erforderlich, wenn die Beanspruchungstemperatur von 250 C um mehr als 10 C abweicht. 8.2 VS-Prfverfahren Die Bauelementetemperatur b

40、etrgt 250 C. Die Anfangs- und Endwerte der Gate-Spannung werden abhngig von der Oxiddicke so berechnet, dass der Hchstwert des elektrischen Felds 1 MV/cm betrgt. Die Feldbeanspruchung ist 1 MV/cm. Die Kapazittsstrukturen sind nacheinander folgenden Prfschritten zu unterziehen: einer positiven Gatebe

41、anspruchung von 1 MV/cm ber eine Dauer von 5 s, damit sich die frei beweglichen Ladungstrger an der Grenzflche Silizium/Oxid anreichern; einer niederfrequenten CV-Messung; einer positiven Gatebeanspruchung von 1 MV/cm ber eine Dauer von 20 s; einer quasistationren CV-Messung mit einer negativen Gate

42、-Spannungsabsenkung von 100 mV/s. Das elektrische Feld ist festgelegt ber Ug/ tox. Bei dicken Oxiden ist das elektrische Feld durch die Versorgungsspannung der Messeinrichtung begrenzt. Die Werte fr die elektrische Feldbeanspruchung und die Anfangs- und Endwerte drfen dann reduziert werden, allerdin

43、gs mssen sie mindestens 2 105V/cm betragen. ANMERKUNG Aufzeichnen der zugehrigen Daten ist erforderlich, wenn die Beanspruchungstemperatur von 250 C um mehr als 10 C abweicht. 6 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCEB7EE8CD9NormCD - Stand 2010-12 DIN EN 62417:2010-12 EN 62417:2010 7 9 Ausfall- und F

44、ehlerkriterien Die Drift der Schwellspannung muss kleiner sein als: 0,02 Udd, maxmit einem Mindestwert von 100 mV fr Gateoxide, dabei ist Udd, maxdie hchste Spannungsdifferenz zwischen den Udd- und den Masse-Anschlssen; Ut, initial 1,5 Usupplyfr Polysilizium- und Metallgates ber dem Feldoxid, dabei ist Ut, initialder Absolutwert der Schwellspannung vor der Prfbeanspruchung und Usupplyder Absolutwert der Versorgungsspannung. Falls Ut, initial 1,5 Usupply 0 ist, muss die Drift kleiner als Udd/ 10 sein. bliche Wert