Testpatroonontwerp voor plasma-geïnduceerde schade aan intermetaaldiëlektricum in FinFET Cu BEOL-processen

Experimentele resultaten en discussie

Gegevens in Fig. 3 worden verkregen door een spanningszwaai toe te passen op metaal 2 van 0-20 V met een zwaaisnelheid van 0,7 V / sec, terwijl de doorslagspanning en IMD-lekstroom aan weerszijden van een paar verschillende apparaten met testpatroon Ik kan dan worden opgehaald en vergeleken. Tijdens het maken van de grote M3-antenne van 82.000 μm ² , wordt verwacht dat het plasmaproces het opladen van de antenne zal veroorzaken. De geaccumuleerde lading zal naar verwachting ontladen via het pad met de laagste weerstand. Uit gegevens blijkt dat sommige monsters een vroege diëlektrische doorslag vertonen, terwijl IMD op andere apparaten relatief intact blijft met weinig lekkage.

Lekstroom gemeten op apparaten met differentiële testpatronen aangesloten op metal-3 antenne van 82.000 μm ² . V _BD wordt gedefinieerd als de spanning als de stroom 1 nA bereikt voor een via-lengte van 32 nm

In een laadgebeurtenis wordt verwacht dat de zwakkere kant het dominante ontlaadpad zal dienen, wat leidt tot een meer prominente onbalans in het schadeniveau tussen links en rechts. Vandaar dat alleen de apparaten met grote V _BD verschil tussen de linker- en rechterkant is waarschijnlijker het gevolg van plasma-oplading. Vandaar dat de kleinere V _BD in IMD wordt de uitsplitsing van een paar geregistreerd als het niveau dat gecorreleerd is met het PID-stressniveau. Figuur 4a toont drie typische soorten kenmerken die worden gevonden op monsters op verschillende matrijzen over een wafer. Deze steekproeven kunnen worden gecategoriseerd als geen uitsplitsing aan beide zijden, eenzijdige uitsplitsing of tweezijdige uitsplitsingsgroepen. Het gedeelte van de apparaten dat de specifieke kenmerken van elke groep laat zien, wordt getoond in het cirkeldiagram van figuur 4b. We ontdekten dat op monsters zonder antenne een veel lagere kans op eenzijdige doorslagkarakteristieken heeft. Symmetrisch gedrag aan beide kanten is te vinden in de meeste apparaten die geen last hebben van plasma-oplaadstress. Deze suggereren verder dat de meeste asymmetrische kenmerken in een differentieel paar het gevolg zijn van laadspanningen wanneer de antennestructuur is bevestigd.

een Verschillende soorten doorslagkenmerken op de testparen over een wafer en b het vergelijken van het percentage monsters dat onderscheidende soorten storingskenmerken vertoont op apparaatparen van meer dan 60 matrijzen

De V . gebruiken _BD verkregen met de bovenstaande methode, de waferkaarten van het PID-niveau en V _BD van apparaten van type I en II patronen worden vergeleken in Fig. 5. Grote overeenkomst tussen waferkaarten van de V _BD van beide type bewakingsapparatuur en de bijbehorende referentielaadniveaus worden verkregen uit de PID-recorder, zie Fig. 5a. Er wordt aangenomen dat PID-spanning zowel elektronen- als ionenoplaadgebeurtenissen registreert tijdens metaalprocessen [14]. Monsters over een wafer blijken echter voornamelijk onderhevig te zijn aan meer elektronenoplading dan ionenoplading [14]. We zijn van mening dat er wat regionaal gecorreleerd kan worden gezien tussen de wafer in Fig. 5a, b. Terwijl de wafelkaart in figuur 5c van patroon II, die geen duidelijke overeenkomst vertoont met die in figuur 5a, suggereert dat bidirectionele spanning [15] zou kunnen leiden tot een secundair effect op de diëlektrische lagen, die verder onderzoek behoeven. Gemeten doorslagspanningen van de nieuwe testpatronen versus de referentie-PID-niveaus vergeleken in Fig. 6 laten verder zien dat hoe hoger het PID-niveau op een dobbelsteen, hoe lager de V _BD de nieuwe testpatronen. Bovendien zijn er significante negatieve correlaties tussen V _BD en plasma-oplaadniveaus kunnen worden vastgesteld. Om het effect van eenrichtings- en bidirectionele spanningen op IMD-schade te onderzoeken, V _BD gemeten van ontworpen met type I en type II patronen is samengevat en vergeleken in Fig. 7. De V _BD distributie verkregen van apparaten op 60 matrijzen over wafers geeft aan dat de apparaten die bidirectionele laadspanningen ervaren, meer kans hebben om IMD-doorslag te vertonen bij een lagere spanning. Dit kan worden verklaard door het asymmetrische spanningsniveau als polariteit verandert over een IMD [16]. Bovendien is de spanningsgeïnduceerde lekstroom (SILC) gemeten met 10 V over de diëlektrische laag een andere indicator voor de toename van valtoestanden [17] in de IMD-film. Om het door procesvariatie veroorzaakte matrijs-tot-matrijs-variatie-effect verder te minimaliseren, wordt de lekkageverhouding van elk paar gebruikt als de index om de IMD-schade verder te evalueren. Figuur 8 toonde aan dat er in wezen geen correlatie is tussen de lekstroomverhouding op de twee soorten apparaten op dezelfde chip. Dat wil zeggen dat een verkeerde uitlijning tussen metaal 1 en via2 lagen minimale effecten heeft op beide patronen. Merkte op dat de huidige verhouding, R , gedefinieerd als I _LR /Ik _LL , is een betere index om ruis van die-to-die-variatie op deze patronen te verwijderen. Op volledig onpartijdige apparaten vindt de belangrijkste laadspanning rechts of links plaats, die volledig willekeurig zou moeten zijn. Hier worden enkele bias-effecten gevonden op de stroomverhoudingen, waar het distributiemedium niet op 1 staat. Om ervoor te zorgen dat alleen de schade die het gevolg is van de plasma-oplaadeffecten wordt verklaard, R is de genormaliseerde stroomverhouding, zoals beschreven in Fig. 9. In de distributieplot over het wafercentrum, R _N van apparaten van type I volgt het patroon met het plasmastressniveau van PID-recorders redelijk dichtbij. Aan de andere kant, R _N van apparaten die gevoelig zijn voor bidirectionele stress, kan niet volledig worden verklaard door de geregistreerde PID-niveaus. Dit kan worden veroorzaakt door een aanzienlijk hogere R _N niveau in apparaten van patroon II, als gevolg van oplading van ionen over de wafer.

Schema's en de wafelkaarten die de distributies tonen van (a ) de PID-spanning en VBD van (b ) testpatroon I en (c ) II, die het regionale effect toont binnen het omcirkelde gebied van plasma-geïnduceerde schade op de back-end diëlektrische laag die kan worden toegeschreven aan de regionale plasma-oplaadniveaus

Correlaties tussen VBD van PID-niveaus voor a patroon I en b patroon II monsters, respectievelijk [10,11,12]

Vergelijking van cumulatieve verdeling van V _BD van 60 dies over de wafer en het deel van de monsters dat hogere doorslagspanningen vertoont van patroon I versus dat van patroon II

Lekstroomverhouding van linker- en rechterkant van patroon I en II, waaruit blijkt dat deze monsters geen systematische verkeerde uitlijning hebben

een Genormaliseerde stroomverhoudingen van patroon I- en II-monsters over het wafercentrum in vergelijking met de overeenkomstige PID-niveaus en b de definitie van lekstroom aan de linkerkant (I _LL ) en rechts (I _LR )