Titelaufnahme

Titel
Investigations of mobile ion transport processes in thin layers upon bias-temperature stress / von Stefan Krivec
VerfasserKrivec, Stefan
Begutachter / BegutachterinHutter, Herbert ; Diebold, Ulrike
Erschienen2011
UmfangVI, 147 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Mobile Ionen, MOS Struktur, ToF-SIMS, Transportvorgänge, Diffusion
Schlagwörter (EN)mobile ions, MOS structure, ToF-SIMS, transport processes, diffusion
Schlagwörter (GND)Dünne Schicht / Ion / Ionenbeweglichkeit / Transportprozess / Elektrische Spannung / Temperatur
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-44879 Persistent Identifier (URN)
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Investigations of mobile ion transport processes in thin layers upon bias-temperature stress [6.28 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Es gibt unzählige Möglichkeiten Mikrochips und andere Bauteile mit mobile Ionen zu kontaminieren, die alle potentiell dazu führen können die Eigenschaften von Bauteilen zu verändern. Metall Oxid Halbleiter (MOS) Transistoren sind dabei überaus empfindlich auf Kontamination mit mobilen Ionen im Gateoxid. Eine besondere Gefahr sind mobile Natriumionen (Na+), welche in vergleichsweise großer Häufigkeit auftreten. Die Untersuchung von Transportvorgängen mobiler Ionen in dünnen Schichten leitender und nichtleiteneder Materialien liefert daher wichtige Informationen für 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 dafür entwickelte Methodik vorgestellt. Diese beinhaltet die Herstellung einer Probe, bei welcher eine mit mobilen Ionen kontaminierte Polymermatrix auf den zu untersuchenden Probenkörper aufgebracht ist. Transportvorgänge mobiler Ionen werden dann über eine extern angelegte Spannung (Bias-Spannung) ermöglicht, während die Probe auf konstanter Temperatur ist. Die Verteilungen der mobilen Ionen nach dieser Belastung werden mittels Flugzeit - Sekundärionenmassenspekrometrie (ToF-SIMS) Tiefenprofilerung untersucht.

Dies ist bis heute problematisch, da insbesondere der Sputterprozess mit O2+ während der Messung Artefakte in Tiefenverteilungen mobiler Ionen verursacht. Ziel einer detailierten experimentellen Studie ist der Einfluss der Probentemperatur auf Artefakte während der Aufnahme eines ToF-SIMS Tiefenprofiles. Resultate von Untersuchungen von Transportvorgängen mobiler Ionen in den folgenden Materialien werden präsentiert: Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumoxinitrid (SiOxNy), Siliziumnitrid (Si3N4), Borphosphorsilikatglas und einer Aluminium-Silizium-Kupfer Legierung. SiO2 dient dabei als Material für detailierte qulitative und quantitative Untersuchungen von Na+ Transportvorgängen und für die Anwendung physikalisch-chemischer Modelle, um Parameter zur Beschreibung von Transportvorgängen mobiler Ionen in SiO2 zu berechnen (Aktivierungsenergie, Inkorporationsrate und Diffusionskonstante).

Zusammenfassung (Englisch)

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).