Breed bereik detector van plasma-geïnduceerd oplaadeffect voor geavanceerde CMOS BEOL-processen

Inleiding

In de afgelopen jaren blijft de evolutie van de halfgeleiderprocestechnologie de kritische dimensie in grootschalige geïntegreerde schakelingen verkleinen [1,2,3]. Geavanceerde logische FinFET-processen zijn complexer geworden voor het realiseren van dichter opeengepakte transistors in multifunctionele en krachtigere Si-chips. Reactieve ionenetsstappen verbeterd door plasma [4, 5] worden onvermijdelijk in geavanceerde nanoschaalprocessen voor het bereiken van structuren met een hoge aspectverhouding die essentieel zijn voor circuits met hoge pakkingsdichtheid [6]. Voor CMOS-technologieknooppunten van meer dan 45 nm veranderden de transistorpoorten van de conventionele polysiliciumpoort met siliciumdioxide naar high-k metalen poortstapels [7, 8]. Deze verandering maakt de apparaten gevoeliger voor de door plasma veroorzaakte schade en kan leiden tot onvoorziene latente schade aan de hoge-k diëlektrische lagen. [9]. In state-of-art productieprocessen van FinFET's zijn talrijke RF-plasmastappen zoals ets-, depositie- en reinigingsprocessen onvermijdelijk, die hogere frequenties van plasma-geïnduceerde laadgebeurtenissen creëren [10]. Zowel positieve als negatieve ladingen op metalen constructies kunnen voorkomen. Aangezien deze ladingen door de geleidende paden stromen die zijn gemaakt van reeds bestaande metalen lijnen, via en contacten, kan de ongewenste ontlading door kwetsbare delen van de circuits, in het bijzonder door het diëlektricum van de transistorpoort leiden tot aanzienlijke betrouwbaarheidsproblemen. In de droge etsstap veroorzaken verstrooiing van botsende ionen en gesputterde materialen op het reactieoppervlak bijvoorbeeld meer defecten in de bulkvinnen [11, 12]. Om te voorkomen dat de plasma-oplaadgebeurtenis leidt tot onomkeerbare schade aan circuits, worden ontwerpregels gegeven die de grootte van metalen constructies beperken. Een ander voorbeeld van het verlichten van PID is het gebruik van beschermende diodes, die de plasmalaadstroom weg kunnen leiden van gevoelige circuits [13]. De introductie van In-Situ Steam Generation (ISSG) poortoxide meldde een verbetering van de tolerantie voor plasmaschade [14]. Bovendien bleek het trimmen van de kamer en het aanpassen van het PECVD-Ti-afzettingsproces ook de door plasma veroorzaakte schade te verlichten [15]. De meeste van deze methoden resulteren echter in ongewenste beperkingen op het gebied van ontwerpflexibiliteit of verwerkingscompromissen.

Conventioneel zijn on-wafer testpatronen gebruikt om de plasma-geïnduceerde schade (PID) niveaus te volgen [16]. De meest voorkomende en meest gebruikte parameter voor het bewaken van on-wafer PID is de time-to-breakdown (TDDB)-karakteristieken van de transistorpoorten met grote antennestructuren. De latente schade aan poortdiëlektrica kan worden onthuld door de degradatie van de poortdiëlektrische laag te meten onder spannings- of stroomstresstests. Daarom zijn deze patronen niet in staat om realtime feedback te geven over de plasmaprocessen [17]. In onze eerdere werken is een plasma-geïnduceerde oplaadeffectdetector op de wafer gedemonstreerd in geavanceerde FinFET-technologieën. De PID-detector gebruikt een capacitieve koppelingsstructuur om een ​​reactie op de zwevende poort te induceren [18,19,20]. Daarom is er geen schade aan de diëlektrische poortlaag zoals bij een conventionele PID-detector. Op deze nieuwe detectoren meet men de verschuivende I-V-curven om zowel de intensiteit, duur als polariteit van ladingen op de antennepoort te achterhalen. Het is gebleken dat deze detectoren onderhevig kunnen zijn aan een verzadigingseffect, aangezien de plasma-intensiteit op bepaalde opnameplaatsen kritische niveaus overschrijdt. Om het dynamische bereik van de PID-detector te vergroten, zijn in dit werk nieuwe ontwerpen van antennepoorten onderzocht, waarbij verbreding van het detectiebereik met succes is aangetoond.

Methoden

Het 3D-schema van de plasma-geïnduceerde schade (PID) detector met een parasitaire condensator aangesloten op het antenneknooppunt wordt getoond in figuur 1a. Deze detector verschilt van de PID-bewakingsstructuur en maakt gebruik van een lange contactsleuf om de antennespanning op de zwevende poort te koppelen. De transversale TEM-foto wordt getoond in figuur 1b. Zoals weergegeven in de afbeelding, zijn contactslots die ladingen verzamelen capacitief gekoppeld aan een zwevende poort.

een De 3D-illustraties van eerder gerapporteerde in-situ PID-detector en de antennecondensator benadrukken in deze structuur. b De TEM-foto van de PID-detector, waarbij de poortlengte van deze detector 140 nm is

Afbeelding 2 vergelijkt de geregistreerde drempelspanningsverdelingen van deze detectoren over een 12-inch wafer. De negatieve drempelspanningsverschuiving geeft aan dat negatieve ladingen op de antenne werden verzameld, waardoor positieve ladingen in de zwevende poort werden getrokken, wat resulteerde in negatieve drempelspanningsverschuivingen. Het is gebleken dat naarmate het antenneoppervlak groter wordt, de stijgende totale capaciteit leidt tot een verlaging van de totale antennespanningen, waardoor de verschuiving in V kleiner wordt. _t .

Drempelspanningsbereik van monsters met verschillende antennegroottes en de bijbehorende totale capaciteit op de antenne

Hier, in Fig. 3a, wordt het stroomschema geschetst waarin de basisprincipes van de PID-detector worden uitgelegd. Als de plasmalading (Q _Mier ) worden verzameld op de antenne, de potentiaal van de antennepoort, V _Mier , varieert. V _Mier wordt vervolgens gekoppeld aan de zwevende poort (FG), waardoor het tunnelen van elektronen in of uit FG wordt bevorderd. Na plasmaprocessen, V _t van deze detectoren kan negatiever of positiever worden op basis van de polariteit van Q _Mier . V _t kan worden berekend door het FN-tunneling-stroommodel met de parameter vermeld in Fig. 3b.

een Het stroomschema van plasmaladingen (Q _Mier ) verzameld op de antenne om V . te verschuiven _t . Gebaseerd op het FN-tunnelmodel, ΔV _t kan worden berekend. b De lijst met parameters met zijn definities

Afbeelding 4 illustreert alle mogelijke capaciteit op de FG-gebaseerde PID-detector. Uit Fig. 5 blijkt dat naarmate het antennegebied groter wordt, ΔV _t neigt te verzadigen. Als V _Mier bereikt de maximale niveaus, Q _Mier begint te lekken wanneer het spanningsniveau te hoog is. Om te voorkomen dat het plasmafluxniveau de detectorlimiet overschrijdt, is de antennecapaciteit opzettelijk verhoogd door laadcondensatoren toe te voegen die het aandeel van de antennecapaciteit in de totale capaciteit zouden kunnen verminderen.

Samenstelling van capaciteit op de antennestructuur met de extra laadcondensator, die is ontworpen om de gevoeligheid van de PID-detectoren te wijzigen. Waar C _P is de totale parasitaire capaciteit op de zwevende poort

Zowel het drempelspanningsniveau als het geprojecteerde antennespanningsniveau verzadigt op patronen met een groter antennegebied

Figuur 6a toont de 2D-structuur van de eerder gerapporteerde in-situ PID-detector, en drie structuren voor het realiseren van extra condensatoren worden gepresenteerd. Het zijn MOM-condensatoren, die het grotere overlapgebied van metaallagen gebruiken om de totale capaciteit in figuur 6b te vergroten, STI-condensatoren, die de capaciteit vergroten door de lengte van de metalen poort in figuur 6c aan te passen, en zijwandcondensatoren, die gebruik maken van het overlapgebied van metalen poort en contact om extra condensator te vormen Fig. 6d.

Dwarsdoorsnede van a de in-situ PID-detector, en die met een extra ladende condensator gerealiseerd door b MAMMA, c soa, en d zijwand, respectievelijk

Experimentele resultaten en discussie

Afbeelding 7 vergelijkt de totale capaciteit versus antenneverhoudingen wanneer verschillende soorten laadcondensatoren worden toegevoegd. De totale capaciteit wordt gedomineerd door de antennecapaciteit wanneer de antenneverhouding groter is dan 1 K.

Vergelijking van totale capaciteit versus antenneverhoudingen als de drie soorten laadcondensatoren worden toegevoegd

Wanneer de toegevoegde laadcapaciteit vergelijkbaar wordt met de antennecapaciteit, kan de totale capaciteit worden beïnvloed door de laadcondensatoren. Aangezien de maximale hoeveelheid ladingen die door de antenne wordt verzameld, vastligt; door de totale capaciteit te vergroten, ΔV wordt verwacht verminderd, volgens ΔQ = C ΔV . De gevoeligheid van het detectiebereik zou dus kunnen worden onderdrukt, waardoor verzadigingseffect wordt voorkomen wanneer het plasma-oplaadniveau de oorspronkelijke limieten overschrijdt. Afvoerstroomkarakteristieken voor apparaten van AR = 10 met verschillende STI-condensatoren worden vergeleken in Fig. 8. Wanneer een grotere laadcondensator wordt toegevoegd, wordt het percentage antennecapaciteit in de totale capaciteit verminderd. Onder dezelfde plasmalaadflux is de totale plasmalading na een periode evenredig met het antenneoppervlak. Dus wanneer de totale capaciteit toeneemt, V _Mier zal naar verwachting worden verlaagd, waardoor hoge plasmafluxniveaus kunnen worden gedetecteerd. Zoals weergegeven in Afb. 8, worden kleinere verschuivingen gevonden op de I–V-curves voor de monsters met extra laadcondensatoren.

IV-curve van verschillende maten STI-condensator met AR  =  10. Wanneer de externe capaciteit groter is, ligt de I-V-curve dichter bij die van de referentiecellen

Kaderdiagrammen van de drempelspanningen gemeten van monsters met AR  = 1 K en verschillende maten MOM-, STI- en zijwandcondensatoren worden vergeleken in Fig. 9 Wanneer de laadcapaciteit wordt verhoogd, wordt gemiddeld minder drempelspanningsverschuiving waargenomen. In de experimentele opzet, C _L door STI-structuur is te klein om de impact van het laadniveau te tonen. Vergelijking in Fig. 10 suggereerde dat drie manieren om laadcondensatoren toe te voegen ook effectief de gemiddelde respons op plasma-oplading kunnen verminderen. De extra laadcondensator kan het detectiebereik van de PID-detector met succes uitbreiden, terwijl de gevoeligheid van de detectoren wordt verminderd. Voor het bereiken van een breed bereik detectie van het plasma-oplaadniveau, een reeks PID-detectoren met verschillende niveaus van C _L kan worden ontworpen in een 1-D-array voor het detecteren van plasma-oplaadniveaus aan zowel de hoge als de lage kant.

Drempelspanningen gemeten op monsters met verschillende maten MOM-, STI- en Sidewall-condensatoren worden vergeleken. Alle apparaten hebben dezelfde AR van 1K

Vergelijking van de gemiddelde ΔV _t versus C _L geïmplementeerd door de drie soorten condensatorstructuren, waarbij ΔV _t wordt gedefinieerd als de V _t verschil tussen een detectorcel en de referentiecel. Gegevens suggereren dat een verminderde gevoeligheid kan worden verkregen als C _L toegenomen

Conclusies

Deze studie onderzoekt een nieuw antennepoortontwerp om het detectiebereik van plasma-geïnduceerde laadniveaus op de PID-bewakingsdetectoren uit te breiden. Door een laadcondensator toe te voegen, kan een hoge antennepoortspanning die onderhevig is aan ladinglek worden voorkomen, waardoor een hoger laadniveau op de PID-detectoren kan worden geregistreerd. Dit nieuwe ontwerp vergroot effectief het detectiebereik van plasma-oplaadniveaus in geavanceerde CMOS BEOL-processen.

Beschikbaarheid van gegevens en materiaal

Niet van toepassing.

Afkortingen

PID:

Door plasma veroorzaakte schade

V _t :

Drempelspanning

Q _Mier :

Ladingen op de antenne

V _Mier :

Antennespanning

MAM:

Metaal-oxide-metaal

AR:

Antenneverhouding

C _L :

Laadcapaciteit

C _P :

Parasitaire capaciteit

C _Mier :

Antennecapaciteit