Verbeterde plasma-geïnduceerde ladingsdetector voor uitgebreide CMOS BEOL-procesmonitoring

Samenvatting

Dit werk stelt een gewijzigde plasma-geïnduceerde lading (PID) detector voor om het detectiebereik te verbreden, voor het monitoren van mogelijke plasmaschade over een wafer tijdens geavanceerde CMOS BEOL-processen. Nieuwe antenne-ontwerpen voor plasma-geïnduceerde schadepatronen met uitgebreide condensators worden onderzocht. Door de nieuwe PID-detectors aan te passen, zijn de maximale ladingsniveaus van de detectors verbeterd.

Inleiding

In de afgelopen jaren blijft de evolutie van halfgeleiderproces-technologie de kritische dimensie in grootschalige geïntegreerde schakelingen verkleinen. Geavanceerde FinFET-logica-processen zijn complexer geworden voor het realiseren van dichter gepakte transistoren in multifunctionele en krachtigere Si-chips. Reactieve ionenetsstappen verbeterd door plasma worden onvermijdelijk in geavanceerde nanoschaal-processen voor het bereiken van hoge aspectratio-structuren die essentieel zijn voor hoge integratiedichtheid circuits. Voor CMOS-technologienodes verder dan 45 nm, veranderden de transistor-gates van de conventionele poly-silicium-gate met siliciumdioxide naar high-k metaal-gate stacks. Deze verandering maakt de apparaten gevoeliger voor plasma-geïnduceerde schade en kan leiden tot onvoorziene latente schade aan de high-k dielectrische lagen. In state-of-the-art productieprocessen van FinFETs, zijn talrijke RF-plasma-stappen zoals etsen, depositie en reinigingsprocessen onvermijdelijk, die hogere frequenties van plasma-geïnduceerde ladingsevenementen creëren. Zowel positieve als negatieve lading op metaalstructuren kunnen optreden. Als deze ladingen door de geleidende paden van vooraf bestaande metaallijnen, via's en contacten vloeien, kan de ongewensche ontlading door kwetsbare delen van de circuits, met name door de transistor-gate-dielectricum, leiden tot significante betrouwbaarheidszorgen. Bijvoorbeeld, in de droge etsstap, veroorzaken strooiende botsende ionen en gesputterde materialen aan het reactieoppervlak meer defecten in de bulk fins. Om het plasma-ladingsevenement te voorkomen dat leidt tot irreversibele schade aan circuits, worden ontwerp-regels gegeven die de grootte van metaalstructuren beperken. Een ander voorbeeld van het verlichten van PID omvat het gebruik van beschermende diodes, die de plasma-ladingstroom kunnen afleiden van gevoelige circuits. De introductie van In-Situ Stoom Generatie (ISSG) gate-oxide werd gerapporteerd de tolerantie voor plasmaschade te verbeteren. Verder werden het trimmen van de kamer en het wijzigen van PECVD-Ti depositieproces ook gevonden om plasma-geïnduceerde schade te verlichten. De meeste van deze methoden resulteren echter in ongewenste beperkingen op circuit-ontwerpflexibiliteit of verwerkings-afwegingen.

Conventioneel zijn on-wafer testpatronen gebruikt om de plasma-geïnduceerde schade (PID) niveaus te monitoren. De meest voorkomende en wijd gebruikte parameter voor het monitoren van on-wafer PID is de time-to-breakdown (TDDB) karakteristieken van de transistor-gates met grote antenne-structuren. De latente schade op gate-dielectricum kan onthuld worden door de degradatie van de gate-dielectricum-laag te meten onder spanning- of stroomstresstests. Daarom kunnen deze patronen geen real-time feedback geven op de plasmaprocessen. In ons eerdere werk is een on-wafer plasma-geïnduceerde ladingseffect-detector gedemonstreerd in geavanceerde FinFET-technologieën. De PID-detector gebruikt een capacitatieve koppelstructuur om een reactie op de zwevende gate te induceren. Daarom is er geen schade aan de gate-dielectricum-laag zoals in een conventionele PID-detector. Op deze nieuwe detectors meet men de verschuivende I-V-krommen om zowel de intensiteit, duur als polariteit van ladingen op de antenne-gate te vinden. Het is gevonden dat deze detectors kunnen lijden aan verzadigingseffect omdat de plasmaindensiteit op bepaalde opnamenlocaties kritieke niveaus overschrijdt. Om het dynamische bereik van de PID-detector uit te breiden, zijn nieuwe antenne-gate-ontwerpen onderzocht in dit werk, waar verbreding van de meetbereiken met succes gedemonstreerd wordt.

Methoden

Het 3D-schema van plasma-geïnduceerde schade (PID) detector met een parasitaire condenser verbonden met het antenneknooppunt is getoond in Fig. 1a. Verschillend van PID-monitoringstructuur, gebruikt deze detector een lange contactslot om de antennespanning op de zwevende gate te koppelen. De dwarsdoorsnede TEM-foto is getoond in Fig. 1b. Zoals getoond in de figuur, zijn contactslots die ladingen verzamelen, capacitatief gekoppeld aan de zwevende gate.

Figuur 2 vergelijkt de vastgelegde drempelspanningsverdelingen van deze detectors over een 12-inch wafer. De negatieve drempelspanningsverschuiving geeft aan dat negatieve ladingen verzameld werden op de antenne, positieve ladingen in de zwevende gate trekken, resulterend in negatieve drempelspanningsverschuivingen. Het is gevonden dat naarmate het antenne-oppervlak toeneemt, de stijgende totale capaciteit leidt tot verlaging van de algehele antennespanningen, dus kleiner de verschuiving in V_t.

Hier, in Fig. 3a, is het flowchart dat de basiswerkingsprincipes van de PID-detector uitlegt, uiteengezet. Als de plasma-lading (Q_Ant) op de antenne verzameld worden, varieert de potentiaal van de antenne-gate, V_Ant. V_Ant wordt dan gekoppeld aan de zwevende gate (FG), wat de tunneling van elektronen naar of uit FG bevordert. Na plasmaprocessen kan V_t van deze detectors meer negatief of meer positief worden gebaseerd op de polariteit van Q_Ant. V_t kan berekend worden door het FN-tunnelingstroommodel met de parameters vermeld in Fig. 3b.

Figuur 4 illustreert alle mogelijke capaciteit op de FG-gebaseerde PID-detector. Uit Fig. 5 is gevonden dat naarmate het antenne-oppervlak toeneemt, ΔV_t neigt te verzadigen. Als V_Ant de maximale niveaus bereikt, begint Q_Ant te lekken wanneer het spanningsniveau te hoog is. Om te voorkomen dat het plasmaflux-niveau de detectorlimiet overschrijdt, wordt de antenne-capaciteit bewust verhoogd door belastingcondensators toe te voegen die het aandeel van de antenne-capaciteit in de totale capaciteit kunnen verminderen.

Figuur 6a toont de 2D-structuur van de eerder gerapporteerde in-situ PID-detector, en drie structuren voor het realiseren van additionele condensators worden gepresenteerd. Ze zijn MOM-condensators, die het grotere overlappende oppervlak van metaallagen gebruiken om de totale capaciteit te verhogen in Fig. 6b, STI-condensators, die de capaciteit verhogen door de lengte van de metalen gate aan te passen in Fig. 6c, en zijwand-condensators, die het overlappende oppervlak van metalen gate en contact gebruiken om additionele condenser te vormen in Fig. 6d.

Experimentele resultaten en discussie

Figuur 7 vergelijkt de totale capaciteit versus antenne-verhoudingen wanneer verschillende typen belastingcondensators worden toegevoegd. De totale capaciteit wordt gedomineerd door de antenne-capaciteit wanneer de antenne-verhouding groter is dan 1 K.

Wanneer de toegevoegde belastingcapaciteit vergelijkbaar wordt met de antenne-capaciteit, kan de totale capaciteit dan beïnvloed worden door de belastingcondensators. Aangezien het maximale bedrag aan ladingen verzameld door de antenne vastligt; door de totale capaciteit te verhogen, wordt ΔV verwacht te dalen, volgens ΔQ = CΔV. Dus de gevoeligheid van het detectiebereik kan onderdrukt worden, wat verzadigingseffect voorkomt wanneer plasma-ladingsniveau de oorspronkelijke limieten overschrijdt. Drain-stroomkenmerken voor apparaten van AR = 10 met verschillende STI-condensators worden vergeleken in Fig. 8. Wanneer een grotere belastingcondensator wordt toegevoegd, wordt het percentage van antenne-capaciteit in totale capaciteit verminderd. Onder dezelfde plasma-ladingsflux, is de totale plasma-lading na een periode evenredig met het antenne-oppervlak. Daarom, wanneer de algehele capaciteit toeneemt, wordt V_Ant verwacht te dalen, wat detectie van hoge plasmaflux-niveaus toestaat. Zoals getoond in Fig. 8, worden kleinere verschuivingen gevonden op de I-V-krommen voor de monsters met additionele belastingcondensators.

Box-diagrammen van de drempelspanningen gemeten van monsters met AR = 1 K en verschillende groottes van MOM, STI, en Zijwand-condensators worden vergeleken in Fig. 9. Wanneer de belastingcapaciteit verhoogd wordt, wordt gemiddeld minder drempelspanningsverschuiving waargenomen. In het experimentele ontwerp is C_L door STI-structuur te klein om impact van het ladingsniveau te tonen. Vergelijking in Fig. 10 suggereerde dat drie manieren van het toevoegen van belastingcondensators ook effectief de gemiddelde reactie op plasma-lading kunnen verminderen. De additionele belastingcondensator kan het detectiebereik van de PID-detector succesvol uitbreiden, terwijl de gevoeligheid van de detectors verminderd wordt. Voor het bereiken van wijd-bereik detectie van plasma-ladingsniveau, kan een reeks PID-detectors met verschillende niveaus van C_L ontworpen worden in een 1-D array voor het detecteren van plasma-ladingsniveaus op zowel het hoge als het lage einde.

Conclusies

Deze studie onderzoekt een nieuw antenne-gate-ontwerp om het meetbereik van plasma-geïnduceerde ladingsniveaus op de PID-monitoring-detectors uit te breiden. Door een belastingcondensator toe te voegen, kan hoge antenne-gate-spanning onderwerp aan lading-lekkage voorkomen worden, wat toelaat voor een hoger ladingsniveau te registreren op de PID-detectors. Dit nieuwe ontwerp verbreekt effectief het detectiebereik van plasma-ladingsniveaus in geavanceerde CMOS BEOL-processen.