Evaluatie van plasma-geïnduceerde schade aan intermetaal-dielelectricum in FinFET Cu BEOL processen

Samenvatting

Hoog-dichtheid interconnects, mogelijk gemaakt door geavanceerde CMOS Cu BEOL technologieën, leiden tot dichtbij elkaar geplaatste metaallaagjes. Hoog-aspectratio metaallijnen vereisen uitgebreide plasma-etsprocessen, wat betrouwbaarheidszorgen kan veroorzaken aan intermetaal-dielelectricum (IMD) lagen. Deze studie presenteert nieuw voorgestelde testpatronen voor het evalueren van het effect van plasma-geïnduceerde oplaadeffecten op de integriteit van IMD tussen dichtbij elkaar geplaatste metaallijnen. Sterke correlaties tussen de plasma-oplaadintensiteiten en schade in IMD-lagen worden gevonden en uitgebreid geanalyseerd.

Inleiding

Cu-gebaseerde back-end-of-line (BEOL) processen worden uitgebreid gebruikt naarmate technologieën migreren naar het sub-100 nm regime. Dicht gepakte interconnects bestaande uit hoog-aspectratio via's en metaallijnen worden mogelijk gemaakt door een reeks plasma-verbeterde etsprocessen. Het is bekend dat hoog-energie plasma-behandelingen kunnen leiden tot significante degradatie en latente schade in de gate-dielelectricum stapels van transistoren, welke worden beschouwd als de hoofduitlaadpaden tijdens proces-geïnduceerde oplaadgebeurtenissen. Om betrouwbaarheidszorgen over de gate-dielelectricum kwaliteit te voorkomen, leveren IC-fabrikanten typisch ontwerpregels en richtlijnen die de grootte en lengte van interconnect metaallaagjes beperken. Met het toenemende aantal metaallaagjes in de complexe bedradingssystemen, is het moeilijk om uitlaadpaden door intermetaal-dielelectricum film tijdens proces-geïnduceerde oplading te vermijden. Met de introductie van laag-k materiaal in BEOL processen, worden RC-vertragingsproblemen verlicht, maar de isolatiefilms kunnen vatbaarder worden voor opladingsspanningen. De schade als gevolg van plasma-oplaad-geïnduceerde spanningen op compacte interconnect structuren die verantwoordelijk zijn voor het realiseren van de complexe BEOL bedradingen, kan de opbrengst en betrouwbaarheid van geavanceerde CMOS IC's sterk beïnvloeden. In deze studie incorporeren we eerdere gerapporteerde in situ PID-recorders, met nieuw voorgestelde differentiële testpatronen voor het monitoren van mogelijke IMD-schade wanneer additionele uitlaadpaden mogelijk worden onder geavanceerde Cu BEOL processen. De plasma-oplaadniveaus gerapporteerd door de recorder op verschillende locaties over de wafer kunnen gecorreleerd worden met plasma-oplaadschade op IMD-films via de nieuwe testpatronen. Spanning-geïnduceerde falingsgedragingen op de IMD-structuren kunnen dan eenvoudig onthuld worden door deze testpatronen, die gebruikt kunnen worden in standaard teststructuren voor routinematige monitoring van nieuwe falingsmodi en mogelijke IMD-betrouwbaarheidszorgen.

Apparaatstructuur en Methodologie

Foutanalyse resultaten op FinFET-geïntegreerde circuits suggereren dat latente schade van verhoogde valtoestanden binnen intermetaal-dielelectricum lagen tussen twee dichtbij elkaar geplaatste geïsoleerde interconnect structuren kan optreden, geïllustreerd in Fig. 1. Naarmate de lijndikte en afstand tussen via en metaal interconnects agressief reduceren in geavanceerde CMOS BEOL processen, kunnen lading verzameld op grote metaaldraden, dienend als antennes, ontladen via IMD over metalen en via's/gates en metaaldraden, wat resulteert in hoog-veld en/of hoog-stroom spanningen op deze dielektrische films. Door de in situ PID-recorder naast de twee differentiële testpatronen op elk die te plaatsen, kunnen de referentie plasma-oplaadniveaus over een 12-inch wafer eerst worden vastgesteld.

Om te garanderen dat de plasma-oplaadstroom door het dielektrische laag tussen metaallaagjes passeert, wordt de M2 knoop op het testpatroon in Fig. 2 geïsoleerd vóór het maken van de antennestructuur. Twee nieuwe differentiële testpatroonontwerpen gericht op het vergroten van de kans op latente schade tijdens plasma-oplaadspanningen worden voorgesteld en geïllustreerd in Fig. 2a, b. Het apparaat met type I patroon zal alleen hoge stroomspanning ervaren wanneer elektronen worden verzameld op de corresponderende antenne. Dit is omdat de ontladingsstroom gerectificeerd wordt door de n+/p overgang in serie op het geleidende pad. Terwijl het apparaat met type II patroon blootgesteld is aan spanningen in beide richtingen. Namelijk, zowel ionen- als elektronenoplading worden geregistreerd op deze monitoringapparaat. Gevolglik zijn de monsters in deze studie gemaakt door het standaard FinFET/Cu BEOL proces in 16 nm technologieknopen. De antennestructuren op een PID-recorder alsmede de apparaten met type I en II patronen op elk die zijn allemaal ontworpen met een grote metaal 3 structuur. Beide typen monitoringapparaten zijn ontworpen met differentiële configuratie, wat de effecten kan accentueren en vervolgens de uitlijningsruis die kan leiden tot foutieve metingen op PID-effecten minimaliseert.

Experimentele Resultaten en Discussie

Data in Fig. 3 zijn verkregen door een spanningssweep toe te passen op metaal 2 van 0–20 V met een sweep-snelheid van 0,7 V/sec, waarbij de doorlaagspanning, en IMD-lekkagestroom aan beide kanten van een paar verschillende apparaten met testpatroon I verkreken en vergeleken kunnen worden. Tijdens het maken van de grote M3 antenne van 82.000 μm², wordt verwacht dat het plasmaproces oplaading van de antenne induceert. De geaccumuleerde lading wordt verwacht te ontladen via het pad met de laagste weerstand. Data onthult dat sommige monsters vroege dielektrische doorbraak vertonen, terwijl IMD op andere apparaten relatief intact blijft met lage lekkage.

In een oplaadgebeurtenis, wordt verwacht dat de zwakkere kant zal dienen als de dominante uitlaadweg, leidend tot een meer uitgesproken onbalans in het schadeniveau tussen links en rechts. Daarom zijn alleen apparaten met een grote V_BD verschil tussen de linker- en rechterkant waarschijnlijker het gevolg van plasma-oplading. Daarom wordt de kleinere V_BD in IMD-doorbraak op een paar geregistreerd als het niveau gecorreleerd met PID-spanningsniveau. Figuur 4a toont drie typische soorten kenmerken die op monsters op verschillende dies over een wafer gevonden zijn. Deze monsters kunnen gecategoriseerd worden als geen doorbraak aan beide kanten, eenzijdige doorbraak, of twee-zijdige doorbraak groepen. Het deel van apparaten dat de specifieke kenmerken van elke groep vertoont, wordt getoond in het taartdiagram van Fig. 4b. We vonden dat monsters zonder antenne een veel geringere kans hebben op eenzijdige doorbraakkenmerken. Symmetrisch gedrag aan beide kanten wordt gevonden in de meeste apparaten die geen plasma-oplaadspanning hebben ervaren. Dit suggereert verder dat de meeste asymmetrische kenmerken in een differentieel paar afkomstig zijn van oplaadspanningen wanneer een antennestructuur is bevestigd.

Met behulp van de V_BD verkregen door de bovenstaande methode, worden de waferkaarten van het PID-niveau en V_BD van apparaten van type I en II patronen vergeleken in Fig. 5. Hoge gelijkenis tussen waferkaarten van de V_BD van beide typen monitoringapparaten en de corresponderende referentie oplaadniveaus wordt verkregen van de PID-recorder, zie Fig. 5a. PID-spanning wordt ervan overtuigd om zowel elektronen- als ionenopladingsgebeurtenissen tijdens metaalprocessen te registreren. Echter, monsters over een wafer blijken voornamelijk onderworpen te zijn aan meer elektronenoplading dan ionenoplading. We geloven dat een regionale correlatie kan worden gezien tussen de wafer in Fig. 5a, b. Terwijl de waferkaart in Fig. 5c van patroon II geen duidelijke gelijkenis vertoont met die in Fig. 5a suggereert dat bidirectionele spanning secundaire effecten op de dielektrische lagen kan hebben, wat verder onderzoek vereist. Gemeten doorlaagspanningen van de nieuwe testpatronen vs. de referentie PID-niveaus vergeleken in Fig. 6 onthullen verder dat hoe hoger het PID-niveau op een die, hoe lager de V_BD van de nieuwe testpatronen. Daarnaast kunnen significante negatieve correlaties tussen V_BD en plasma-oplaadniveaus worden vastgesteld. Om het effect van eén-richtings- en bidirectionele spanningen op IMD-schade te onderzoeken, wordt V_BD gemeten van apparaten met type I en type II patronen samengevat en vergeleken in Fig. 7. De V_BD distributie verkregen van apparaten op 60 dies over wafers geeft aan dat apparaten die bidirectionele oplaadspanningen ervaren, waarschijnlijker IMD-doorbraak vertonen bij een lagere spanning. Dit kan worden verklaard door het asymmetrische spanningsniveau als de polariteit verandert over een IMD. Bovendien is spanning-geïnduceerde lekkagestroom (SILC) gemeten met 10 V over de dielektrische laag een andere indicator voor de toename van valtoestanden binnen de IMD-film. Om de die-tot-die variatie-effecten veroorzaakt door procesvariatie verder te minimaliseren, wordt de lekkageratio van elk paar gebruikt als index om de IMD-schade verder te evalueren. Figuur 8 toont dat er essentieel geen correlatie is tussen de lekkagestroomratio op de twee typen apparaten op dezelfde die. Dat wil zeggen dat uitlijning tussen metaal 1 en via2 lagen minimaal effect heeft op beide patronen. Opmerking dat stroomratio, R, gedefinieerd als I_LR/I_LL, een betere index is om ruis van die-tot-die variatie op deze patronen te verwijderen. Op volledig onbevoorrechte apparaten, zou de hoofdoplaadspanning op de rechter- of linkerkant volledig willekeurig moeten zijn. Hier worden enkele bias-effecten gevonden op de stroomratio's, waar de distributiemediaan niet op 1 ligt. Om te garanderen dat alleen de schade als gevolg van plasma-oplaadeffecten in rekening wordt gebracht, is R de genormaliseerde stroomratio, zoals beschreven in Fig. 9. In het distributieplot over het wafermidden, volgt R_N van apparaten van type I patroon vrij nauw het plasma-spanningsniveau van PID-recorders. Aan de andere kant, kan R_N van apparaten vatbaar voor bidirectionele spanning niet volledig worden verklaard door de geregistreerde PID-niveaus. Dit kan worden veroorzaakt door significant hogere R_N niveaus in apparaten van patroon II, als gevolg van additionele ionenopladingsgebeurtenissen over de wafer.

Conclusies

Plasma-geïnduceerde oplaadeffecten op de integriteit van IMD-films worden onderzocht door nieuw voorgestelde differentiële testpatronen op geavanceerde FinFET Cu BEOL platforms. Schade in de vorm van vroege doorbraak en toegenomen SILC in IMD-lagen blijkt direct gecorreleerd te zijn met de plasma-oplaadniveaus over 12-inch wafers.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Niet van toepassing.