Published 2011 | Version v1
Miscellaneous

Investigations of mobile ion transport processes in thin layers upon bias-temperature stress

Description

Mobile ions can alter the properties of a MOSFET device e.g. by contamination of the gate oxide. Mobile sodium ions (Na+) are thereby a particular danger, since encountered in comparable large amounts. In order to investigate mobile ion incorporation from an external source into an underlying thin insulating or conductive material film and the subsequent transport therein, a developed methodology is presented. This comprises a stressing procedure by applying a bias voltage, while keeping the investigated sample at a constant temperature (B-T stress) and a final physical analysis by time of flight - secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). But the determination of mobile ion distributions in insulating samples by means of ToF-SIMS depth profiling has always been a challenge. Such depth profiles exhibit severe artifacts in the mobile ion depth distribution, due to the appearance of an electric field within the insulator, arising by means of sample charging during the sputter process. This problem is addressed by investigation of the temperature dependence of Na migration. Including this feature, insulating and conductive films of high importance for the semiconductor devices are investigated: silicon dioxide (SiO2), silicon oxynitride (SiOxNy), silicon nitride (Si3N4), boron-phosphosilicat glass (BPSG) and an aluminum silicon-copper alloy. In particular SiO2 is examined in detail, both qualitatively and quantitatively: For the example of Na+, a comparison is given between the calculated provided amount in the host matrix with potentiostatic data from B-T stress and spectrometric data from quantification of ToF-SIMS depth profiles. Appropriate physico-chemical models are adapted on the present samples and thus parameters describing mobile ion transport in SiO2 are condensed out of potentiostatic data (activation energy, incorporation rate and diffusion constant). (author)

Availability note (English)

Available from Vienna University of Technology Library, Resselgasse 4, 1040 Vienna (AT); available from http://media.obvsg.at/p-AC07810437-2001

Abstract (German)

Es gibt unzaehlige Moeglichkeiten Mikrochips und andere Bauteile mit mobile Ionen zu kontaminieren, die alle potentiell dazu fuehren koennen die Eigenschaften von Bauteilen zu veraendern. Metall Oxid Halbleiter (MOS) Transistoren sind dabei ueberaus empfindlich auf Kontamination mit mobilen Ionen im Gateoxid. Eine besondere Gefahr sind mobile Natriumionen (Na+), welche in vergleichsweise grosser Haeufigkeit auftreten. Die Untersuchung von Transportvorgaengen mobiler Ionen in duennen Schichten leitender und nichtleiteneder Materialien liefert daher wichtige Informationen fuer die Halbleiterindustrie. Um die Inkorporation von mobilen Ionen aus einer definiert kontaminierten Quelle in diese Schichten und den darauffolgenden Transport darin zu analysieren, wird eine dafuer entwickelte Methodik vorgestellt. Diese beinhaltet die Herstellung einer Probe, bei welcher eine mit mobilen Ionen kontaminierte Polymermatrix auf den zu untersuchenden Probenkoerper aufgebracht ist. Transportvorgaenge mobiler Ionen werden dann ueber eine extern angelegte Spannung (Bias-Spannung) ermoeglicht, waehrend die Probe auf konstanter Temperatur ist. Die Verteilungen der mobilen Ionen nach dieser Belastung werden mittels Flugzeit - Sekundaerionenmassenspekrometrie (ToF-SIMS) Tiefenprofilerung untersucht. Dies ist bis heute problematisch, da insbesondere der Sputterprozess mit O2+ waehrend der Messung Artefakte in Tiefenverteilungen mobiler Ionen verursacht. Ziel einer detailierten experimentellen Studie ist der Einfluss der Probentemperatur auf Artefakte waehrend der Aufnahme eines ToF-SIMS Tiefenprofiles. Resultate von Untersuchungen von Transportvorgaengen mobiler Ionen in den folgenden Materialien werden praesentiert: Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumoxinitrid (SiOxNy), Siliziumnitrid (Si3N4), Borphosphorsilikatglas und einer Aluminium-Silizium-Kupfer Legierung. SiO2 dient dabei als Material fuer detailierte qulitative und quantitative Untersuchungen von Na+ Transportvorgaengen und fuer die Anwendung physikalisch-chemischer Modelle, um Parameter zur Beschreibung von Transportvorgaengen mobiler Ionen in SiO2 zu berechnen (Aktivierungsenergie, Inkorporationsrate und Diffusionskonstante). (author)

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147 p.