Широкодиапазонный детектор эффекта индуцированной плазмой зарядки для усовершенствованных процессов CMOS BEOL

Введение

В последние годы развитие технологии обработки полупроводников продолжает уменьшать критическое измерение в крупномасштабных интегральных схемах [1,2,3]. Усовершенствованные логические процессы FinFET стали более сложными для реализации более плотно упакованных транзисторов в многофункциональных и более мощных Si-чипах. Стадии реактивного ионного травления, усиленные плазмой [4, 5], становятся неизбежными в передовых наноразмерных процессах для получения структур с высоким аспектным отношением, которые необходимы для схем с высокой плотностью упаковки [6]. Для узлов с технологией CMOS, превышающих 45 нм, затвор транзистора был изменен с обычного поликремниевого затвора с диоксидом кремния на стеки затвора из металла с высоким k [7, 8]. Это изменение делает устройства более восприимчивыми к повреждениям, вызванным плазмой, и может привести к непредвиденным скрытым повреждениям диэлектрических слоев с высоким k. [9]. В современных процессах производства FinFET-транзисторов неизбежны многочисленные этапы высокочастотной плазмы, такие как процессы травления, осаждения и очистки, которые создают более частые процессы зарядки, индуцированной плазмой [10]. На металлических конструкциях может происходить как положительный, так и отрицательный заряд. Поскольку эти заряды протекают по проводящим путям, образованным ранее существовавшими металлическими линиями, сквозными отверстиями и контактами, нежелательная разрядка через уязвимые части схем, особенно через диэлектрик затвора транзистора, может привести к серьезным проблемам с надежностью. Например, на стадии сухого травления рассеивающие падающие ионы и распыленные материалы на реакционной поверхности вызывают больше дефектов в объемных ребрах [11, 12]. Чтобы избежать плазменной зарядки, приводящей к необратимому повреждению цепей, приведены правила проектирования, ограничивающие размер металлических конструкций. Другой пример ослабления ФИД включает использование защитных диодов, которые могут отводить зарядный ток плазмы от чувствительных цепей [13]. Введение оксида затвора для производства пара на месте (ISSG) сообщило об улучшении его устойчивости к плазменным повреждениям [14]. Кроме того, было обнаружено, что обрезка камеры и изменение процесса осаждения PECVD-Ti уменьшают повреждение, вызванное плазмой [15]. Однако большинство этих методов приводят к нежелательным ограничениям гибкости схемотехники или компромиссу при обработке.

Обычно тестовые образцы на пластине используются для мониторинга уровней плазменных повреждений (PID) [16]. Наиболее распространенным и широко используемым параметром для мониторинга PID на пластине является время до пробоя (TDDB) затворов транзисторов с большими антенными структурами. Скрытое повреждение диэлектрика затвора может быть выявлено путем измерения деградации диэлектрического слоя затвора при испытаниях под напряжением или током. Следовательно, эти паттерны не могут обеспечить обратную связь в реальном времени о плазменных процессах [17]. В наших предыдущих работах детектор эффекта индуцированной плазмой зарядки на пластине был продемонстрирован в передовых технологиях FinFET. Детектор ПИД использует структуру емкостной связи, чтобы вызвать отклик на плавающем затворе [18,19,20]. Таким образом, диэлектрический слой затвора не повреждается, как в обычном ПИД-детекторе. На этих новых детекторах измеряется сдвиг ВАХ, чтобы определить как интенсивность, так и длительность, а также полярность зарядов на затворе антенны. Обнаружено, что эти детекторы могут подвергаться эффекту насыщения, поскольку интенсивность плазмы в определенных местах записи превышает критические уровни. Чтобы расширить динамический диапазон ПИД-детектора, в этой работе были исследованы новые конструкции затворов антенны, где успешно продемонстрировано расширение диапазонов срабатывания.

Методы

Трехмерная схема детектора плазменных повреждений (PID) с паразитным конденсатором, подключенным к антенному узлу, показана на рис. 1а. В отличие от структуры контроля PID, этот детектор использует длинную контактную щель для передачи напряжения антенны на плавающий затвор. Поперечное сечение ПЭМ-фотографии показано на рис. 1б. Как показано на рисунке, контактные щели, которые собирают заряды, емкостно связаны с плавающим затвором.

а Трехмерные иллюстрации ранее описанного локального ПИД-детектора и антенного конденсатора выделяются в этой структуре. б Фотография ПЭМ детектора ФИД, длина затвора этого детектора 140 нм

На рис. 2 сравниваются зарегистрированные распределения порогового напряжения этих детекторов на 12-дюймовой пластине. Отрицательный сдвиг порогового напряжения указывает на то, что отрицательные заряды были собраны на антенне, втягивая положительные заряды в плавающий затвор, что приводит к отрицательным сдвигам порогового напряжения. Обнаружено, что по мере увеличения площади антенны увеличение общей емкости приводит к снижению общих напряжений антенны, следовательно, к меньшему сдвигу в V _t .

Диапазон пороговых напряжений образцов с разным размером антенны и соответствующая общая емкость антенны

Здесь, на рис. 3a, представлена ​​блок-схема, поясняющая основные принципы работы детектора PID. Поскольку заряд плазмы ( Q _{Муравей} ) собираются на антенне, потенциал затвора антенны, V _{Муравей} , варьируется. V _{Муравей} затем соединяется с плавающим затвором (FG), способствуя туннелированию электронов внутрь или из FG. После плазменных процессов V _t из этих детекторов может стать более отрицательным или более положительным в зависимости от полярности Q _{Муравей} . V _t может быть рассчитан по модели туннельного тока FN с параметром, указанным на рис. 3b.

а Схема от плазменных зарядов ( Q _{Муравей} ) собраны на антенне для сдвига V _t . На основе модели туннелирования FN, Δ V _t можно рассчитать. б Список параметров с его определениями

На рисунке 4 показаны все возможные емкости ПИД-детектора на основе FG. Из рис. 5 видно, что с увеличением площади антенны Δ V _t имеет свойство насыщаться. Как V _{Муравей} достигает максимального уровня, Q _{Муравей} начинает течь при слишком высоком уровне напряжения. Чтобы избежать превышения уровня потока плазмы ограничения детектора, емкость антенны намеренно увеличивается за счет добавления нагрузочных конденсаторов, которые могут уменьшить долю емкости антенны в общей емкости.

Состав емкости на антенной структуре с дополнительным нагрузочным конденсатором, который предназначен для изменения чувствительности детекторов PID. Где C _P общая паразитная емкость плавающего затвора

Как уровень порогового напряжения, так и прогнозируемый уровень напряжения антенны насыщаются на диаграммах с увеличенной площадью антенны

На рис. 6а показана двухмерная структура ранее описанного локального ПИД-детектора, а также представлены три структуры для реализации дополнительных конденсаторов. Это конденсаторы MOM, в которых используется большая площадь перекрытия металлических слоев для увеличения общей емкости на рис. 6b, конденсаторы STI, которые увеличивают емкость за счет регулировки длины металлического затвора на рис. 6c, и конденсаторы боковых стенок, в которых используется область перекрытия металлического затвора и контакта для образования дополнительного конденсатора Рис. 6d.

Изображение в разрезе a встроенный ПИД-детектор, и те, у которых есть дополнительный конденсатор нагрузки, реализованный b МАМА, c STI и d боковины соответственно

Экспериментальные результаты и обсуждение

На рисунке 7 сравнивается зависимость общей емкости от отношения антенн при добавлении нагрузочных конденсаторов различных типов. В общей емкости преобладает емкость антенны, когда передаточное число антенны превышает 1 К.

Сравнение общей емкости с соотношением антенн при добавлении трех типов нагрузочных конденсаторов

Когда добавленная емкость нагрузки становится сопоставимой с емкостью антенны, на общую емкость могут влиять нагрузочные конденсаторы. Поскольку максимальная сумма сборов, собираемых антенной, фиксирована; за счет увеличения общей емкости Δ В ожидается уменьшение, согласно Δ Q = C Δ V . Таким образом, чувствительность диапазона обнаружения может быть подавлена, предотвращая эффект насыщения, когда уровень заряда плазмы превышает исходные пределы. Характеристики тока стока для устройств с AR =10 с различными конденсаторами STI сравниваются на рис. 8. При добавлении емкостного конденсатора большей емкости доля емкости антенны в общей емкости уменьшается. При том же потоке заряда плазмы полные заряды плазмы по истечении периода пропорциональны площади антенны. Следовательно, когда общая емкость увеличивается, В _{Муравей} ожидается, что она будет снижена, что позволит обнаруживать высокие уровни плазменного потока. Как показано на рис. 8, меньшие сдвиги обнаруживаются на ВАХ для образцов с дополнительными нагрузочными конденсаторами.

ВАХ различных размеров конденсатора STI с AR =10. Когда внешняя емкость больше, ВАХ ближе к кривой эталонных ячеек

Ящичковые диаграммы пороговых напряжений, измеренных на образцах с AR =1 K и различными размерами MOM, STI и конденсаторов Sidewall, сравниваются на рис. 9 При увеличении емкости нагрузки в среднем наблюдается меньший сдвиг порогового напряжения. В экспериментальном плане C _L по структуре STI слишком мал, чтобы показать влияние уровня зарядки. Сравнение на рис. 10 показало, что три способа добавления нагрузочных конденсаторов также могут эффективно снизить средний отклик на зарядку плазмы. Дополнительный нагрузочный конденсатор может успешно расширить диапазон обнаружения ПИД-детектора, в то время как чувствительность детекторов снизится. Для достижения широкого диапазона определения уровня заряда плазмы, серия детекторов PID с различным уровнем C _L может быть спроектирован в виде одномерного массива для определения уровней заряда плазмы как на высоком, так и на низком уровне.

Сравниваются пороговые напряжения, измеренные на образцах с различными размерами конденсаторов MOM, STI и Sidewall. Все устройства имеют одинаковый AR 1 КБ

Сравнение среднего Δ V _t по сравнению с C _L реализуется тремя типами конденсаторных структур, где Δ V _t определяется как V _t разница между ячейкой детектора и ячейкой сравнения. Данные показывают, что пониженную чувствительность можно получить как C _L увеличено

Выводы

В этом исследовании исследуется новая конструкция затвора антенны для расширения диапазона измерения уровней заряда, индуцированного плазмой, на контролирующих детекторах ФИД. Путем добавления нагрузочного конденсатора можно предотвратить высокое напряжение на затворе антенны, подверженное утечке заряда, что позволяет регистрировать более высокий уровень заряда на детекторах PID. Эта новая конструкция эффективно расширяет диапазон обнаружения уровней заряда плазмы в усовершенствованных процессах CMOS BEOL.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Сокращения

PID:

Повреждение, вызванное плазмой

V _t :

Пороговое напряжение

Q _{Муравей} :

Заряды на антенну

V _{Муравей} :

Напряжение антенны

MOM:

Металл-оксид-металл

AR:

Коэффициент антенны

C _L :

Емкость нагрузки

C _P :

Паразитная емкость

C _{Муравей} :

Емкость антенны