Caracterització a escala nanomètrica de la degradació I. Ruptura dielèctrica del SiO2 en dispositius MOS mitjançant CAFM

Abstract

La progressiva reducció del gruix de l'òxid de porta (SiO2) en dispositius MOS sense el corresponent escalat en tensions, ha donat lloc a l'aparició de mecanismes de fallada (ruptura forta, HBD; ruptura suau, SBD; ruptura progressiva, PBD; o corrents de fuites, SILC) que en limiten la seva fiabilitat. Alguns d'aquests mecanismes, menys severs que la ruptura forta (SBD, PBD i SILC), han plantejat nous interrogants a l'hora d'establir la relació que hi ha entre la ruptura (BD) de l'òxid i la fallada del dispositiu o circuit del qual forma part. Per aquest motiu, a fi de determinar el grau de sensibilitat dels circuits a la ruptura dielèctrica, cal estudiar amb més profunditat els factors que en controlen la seva severitat. En aquest sentit, els tests estàndards de caracterització elèctrica no representen de manera gaire acurada les condicions reals d'estrés dels dispositius MOS. Treballs recents, en canvi, indiquen que l'estrés limitat en corrent (CLS), sí permet simular millor les condicions reals d'operació.<br/>Actualment és àmpliament acceptat que la ruptura de l'òxid és (i) un fenomen extremadament local que es desencadena en àrees de l'ordre de 10-13-10-12cm2 i (ii) la conseqüència d'un procés de degradació en el qual l'estructura de l'òxid es modifica progressivament i que s'ha associat a la generació de trampes durant l'estrés elèctric. El caràcter extremadament local d'aquests fenòmens fa que sigui necessària una anàlisi a la mateixa escala on tenen lloc: a escala nanomètrica. Amb aquesta finalitat, en aquesta tesi s'ha analitzat la fenomenologia de pre- i post-ruptura en capes primes de SiO2 (2.9-5.9nm) amb C-AFM (Conductive Atomic Force Microscope). L'elevada resolució lateral d'aquesta tècnica (~10nm) ha permès caracteritzar la degradació i la ruptura dielèctrica (així com l'efecte del límit de corrent) d'òxids de porta a escala nanomètrica. <br/>Durant l'etapa de degradació, s'han observat canvis sobtats i transitoris en la conductivitat de l'òxid, atribuïts a l'atrapament/ desatrapament de càrregues elementals en els defectes generats durant l'estrés elèctric. Aquesta fenomenologia s'ha relacionat amb el soroll de pre-ruptura observat en dispositius de grandària microelectrònica. El soroll de pre-ruptura s'ha registrat en estressos a tensió constant (CVS) en forma de RTS (Random Telegraph Signal). Una anàlisi temporal i freqüencial demostra que els resultats obtinguts són compatibles amb els corresponents a estructures amb elèctrode de porta. A més, amb C-AFM s'ha pogut mesurar d'una manera directa la característica I-V d'un spot de pre-ruptura i s'ha trobat que té un comportament similar a l'observat en memòries flash amb corrents de fuites anòmals. <br/>En aquesta tesi també s'ha analitzat la ruptura de l'òxid, fent especial èmfasi en els efectes del límit de corrent en l'esdeveniment BD. Òxids de porta sense elèctrode metàl.lic s'han estressat amb la punta del microscopi amb i sense límit de corrent fins a desencadenar la ruptura. Després de l'esdeveniment BD, s'han registrat corrents més elevats en la zona afectada i, en alguns casos, també s'han observat canvis en les imatges topogràfiques. Aquests canvis morfològics s'han relacionat amb la càrrega elèctrica negativa present a l'òxid després de la ruptura (BINC), que s'ha associat amb el mal estructural induït durant l'esdeveniment BD. La quantitat de BINC s'ha estimat a partir de les alçades de les protuberàncies observades en les imatges topogràfiques obtingudes amb C-AFM i s'ha trobat que és superior en el cas d'estressos sense límit de corrent. A partir de les imatges de corrent també s'ha trobat que la ruptura, tot i desencadenar-se en àrees molt petites (de l'ordre de ~100nm2), es propaga lateralment a àrees veïnes SBD. El valor de SBD es veu fortament afectat per la severitat de la ruptura dielèctrica que, al mateix temps, depèn del corrent que flueix a través de l'òxid en el moment en el qual es desencadena l'esdeveniment BD. Quan s'apliquen CLS, SBD està limitada a un àrea de ~3.1 104nm2 mentre que, quan no hi ha límit de corrent, les àrees afectades són superiors (~1.6 105nm2). Aquests resultats doncs, demostren que el límit de corrent no permet el desenvolupament complet del canal percolatiu, deixant l'òxid en un estat metaestable que es perllonga fins que les condicions elèctriques d'estrés canvien. <br/>Finalment, també s'ha demostrat que amb C-AFM és possible localitzar i analitzar spots de ruptura induïts en dispositius microelectrònics (amb elèctrode de porta) mitjançant les tècniques de caracterització estàndard. Tots aquests resultats demostren la capacitat del C-AFM d'analitzar en detall l'efecte del límit de corrent en la ruptura dielèctrica, així com l'impacte de la ruptura en la funcionalitat del dispositiu microelectrònic.

The progressive decrease of the gate oxide (SiO2) thickness in MOS devices without the corresponding bias voltages scaling, has provoked the appearance of failure mechanisms (hard breakdown, HBD; soft breakdown, SBD; progressive breakdown, PBD; and the stress induced leakage current, SILC) that limit the oxide reliability. Some of these mechanisms (SBD, PBD and SILC) are not as hard as the HBD event, and that has questioned the relation between the oxide breakdown (BD) and the device or circuit failure. For this reason, to determine the actual sensitivity of circuits to oxide breakdown, it is necessary to study the factors that control the severity of the BD event. In this direction, the standard electrical tests are not representative of the actual stress conditions of MOS devices. Recent works, however, point out the current limited stress (CLS) as a better testing methodology to simulate the actual operation conditions. <br/>Nowadays it is accepted that the oxide failure is (i) an extremely local phenomenon that takes place in areas of the order of 10-12-10-13cm2 and (ii) the consequence of a degradation stage during which the oxide structure is progressively modified, and that has been associated to the generation of defects during the electrical stress. The extremely local nature of both phenomenon makes necessary an analysis at the same scale where they take place: at a nanometer scale. With this purpose, in this thesis the pre- and post-BD phenomenology has been analysed in thin SiO2 films (2.9-5.9nm) with C-AFM (Conductive Atomic Force Microscope). The high lateral resolution of this technique (~10nm) allows the electrical characterization of the degradation and breakdown event (as well as the effect of the current limitation) of gate oxides at a nanometer scale.<br/>During the degradation stage, sudden changes of the oxide conductivity have been observed, attributed to the trapping/detrapping of elementary charges in/from the defects generated during the electrical stress. This phenomenology has been related to the pre-BD noise observed in microelectronic devices. This pre-BD noise is measured during a Constant Voltage Stress (CVS) in form of Random Telegraph Signal (RTS). A time and frequency analysis show compatible parameters to those obtained in poly-gated structure. Moreover, the C-AFM has allowed the direct measurement of the I-V curve of a fluctuating spot, which has been found to be similar to those reported for the anomalous leakage current in flash memory devices.<br/>The BD of the oxide has been also analysed in this thesis, paying an special attention to the effects of a current limitation during the BD transient. Bare oxides have been stressed until BD using the tip of the microscope as the metal electrode, with and without setting a current limit. After BD, larger currents are measured at the BD location (as expected) and, sometimes, some changes are also observed in the topography images. These morphological changes have been related to the negative charge present in the oxide after the oxide BD (BINC), which has been associated to the structural damage induced by the BD event. The amount of BINC has been quantified from the heights of the hillocks observed in the C-AFM topography images and has been found to be larger in the case of non-limited current stresses. From the current images, it has been shown that, although the BD takes place in a very small area (So, few hundreds of nm2) it is laterally propagated to a larger area, SBD. The value of SBD is strongly affected by the BD hardness which, at the same time, depends on the current that flows at the location where BD is triggered. When CLS are applied, the growth of SBD is limited to an area of ~3.1 104nm2 whereas, when there is no current limit, larger areas are affected ( ~1.6 105nm2). The results also show that the current limit does not allow the complete development of the BD path, leaving the oxide in a metastable configuration that lasts until the electrical environment is changed. <br/>Finally, it has also been demonstrated that with C-AFM it is possible to locate and characterize BD spots induced in microelectronic devices (poly-gated) with standard electrical tests. The results show that C-AFM is a powerful tool to analyze in detail the effect of current limitation on the breakdown event and, conversely, the impact of BD on the device and circuit performance.