Оценка плазменно-индуцированного повреждения интерметаллических диэлектриков в процессах FinFET Cu BEOL

Аннотация

Высокоплотные интерконнекты, обеспечиваемые передовыми CMOS-технологиями Cu BEOL, приводят к тесному размещению металлических слоев. Металлические линии с высоким соотношением сторон требуют обширных процессов плазменной травки, что может вызвать проблемы надежности слоев интерметаллического диэлектрика (IMD). В этом исследовании представлены новые тестовые структуры для оценки влияния плазменного зарядного эффекта на целостность IMD между тесно размещенными металлическими линиями. Выявлены и комплексно проанализированы сильные корреляции между интенсивностью плазменного заряда и повреждениями, найденными в слоях IMD.

Введение

Медные процессы задней части линии (BEOL) широко используются по мере перехода технологий в суб-100-нм режим. Тесно упакованные интерконнекты, состоящие из виа и металлических линий с высоким соотношением сторон, становятся возможными благодаря серии процессов плазменно-усиленной травки [1,2,3]. Известно, что высокоэнергетические плазменные обработки могут привести к значительной деградации и скрытым повреждениям в диэлектрических стках затворов транзисторов, которые считаются основными путями разряда при процессно-индуцированных зарядовых событиях. Для предотвращения проблем надежности качества затвора, производители микросхем обычно предоставляют правила и рекомендации для проектировщиков, ограничивающие размер и длину интерконнектных металлических слоев [4, 5]. С увеличением числа металлических слоев в сложных системах проводки трудно избежать пути разряда через интерметаллический диэлектрический слой во время процессно-индуцированного заряда. С внедрением материалов с низким k в BEOL-процессах [6, 7], облегчающих проблемы RC-задержки, изоляционные пленки могут стать более восприимчивыми к зарядовым напряжениям [8, 9]. Повреждения, возникающие от плазменно-индуцированных зарядовых напряжений в компактных интерконнектных структурах, отвечающих за реализацию сложных BEOL-проводок, могут сильно влиять на выход пригодной продукции и надежность передовых CMOS микросхем. В этом исследовании мы включили ранее сообщаемые in-situ рекодеры PID [10,11,12] с недавно предложенными дифференциальными тестовыми структурами для мониторинга возможного повреждения IMD, когда дополнительные пути разряда становятся возможными в передовых Cu BEOL процессах. Уровни плазменного заряда, зафиксированные рекодером в разных местах по кристаллу, могут быть коррелированы с плазменно-индуцированным повреждением IMD-пленок через новые тестовые структуры. Стресс-индуцированные режимы отказа IMD-структур могут быть легко раскрыты через эти тестовые структуры, которые могут использоваться в стандартных тестовых структурах для рутинного мониторинга новых режимов отказа и возможных проблем надежности IMD.

Структура устройства и методология

Результаты анализа отказов на интегральных схемах FinFET предполагают, что скрытые повреждения в виде увеличения ловушечных состояний внутри интерметаллических диэлектрических слоев между двумя тесно размещенными изолированными интерконнектными структурами могут возникать, как показано на рис. 1. По мере агрессивного уменьшения ширины линий и интервалов между виа и металлическими интерконнектами в передовых CMOS BEOL процессах, заряды, собранные на больших металлических проводах, служащих антеннами, могут разряжаться через IMD через металлы и виа/звонки и металлические провода, приводя к высокополевым и/или высокотоковым напряжениям на этих диэлектрических пленках. Размещая in-situ рекодер PID [10,11,12] рядом с двумя дифференциальными тестовыми структурами на каждом кристалле, референсные уровни плазменного заряда по 12-дюймовому кристаллу могут быть сначала установлены.

Плазменно-индуцированные повреждения в интерметаллических диэлектрических слоях между тесно упакованными интерконнектными структурами могут связываться с латентной деградацией их изоляционной целостности.

Чтобы обеспечить прохождение плазменного зарядного тока через диэлектрический слой между металлическими слоями, узел M2 на тестовой структуре на рис. 2 изолирован до формирования антенной структуры. Две новые конструкции дифференциальных тестовых структур, направленные на увеличение вероятности возникновения латентного повреждения при плазменных зарядовых напряжениях, предложены и проиллюстрированы на рис. 2a, b. Устройство с типом I структуры будет испытывать только высокотоковое напряжение, когда электроны собираются на соответствующей антенне. Это связано с тем, что разрядной ток выпрямляется n+/p-переходом, последовательно включенным в проводимый путь. В то время как устройство с типом II структуры подвергается напряжениям в обоих направлениях [13]. То есть, и ионный, и электронный заряд будут зарегистрированы на этом мониторном устройстве. Следовательно, образцы в этом исследовании изготовлены стандартным процессом FinFET/Cu BEOL в технологическом узле 16 нм. Антенные структуры на рекодере PID, а также устройства с типами I и II структур, размещенные на каждом кристалле, все спроектированы с большой металлической структурой 3. Оба типа мониторных устройств спроектированы с дифференциальной конфигурацией, которая может акцентировать и впоследствии минимизировать шум от деформаций, который может привести к ложным показаниям эффектов PID.

Иллюстрации недавно предложенных дифференциальных тестовых структур, спроектированных для акцентирования эффекта латентного повреждения, вызванного плазменно-индуцированными a отрицательными и b двунаправленными напряжениями, где зазор между металлическими слоями установлен в 14 нм.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Данные на рис. 3 получены путем приложения напряжения на металл 2 от 0 до 20 В со скоростью сканирования 0.7 В/сек, при этом пробойное напряжение и ток утечки IMD с любой стороны нескольких разных устройств с тестовой структурой I могут быть получены и сравнены. В процессе изготовления большой антенны M3 площадью 82 000 мкм² плазменный процесс ожидается, что индуцирует заряд антенны. Накопленный заряд ожидается разрядиться через путь с наименьшим сопротивлением. Данные показывают, что некоторые образцы демонстрируют ранний диэлектрический пробой, в то время как IMD на других устройствах остается относительно нетронутым с низкой утечкой.

Ток утечки, измеренный на устройствах с дифференциальными тестовыми структурами, подключенных к антенне металл-3 площадью 82 000 мкм². V_BD определяется как напряжение, при котором ток достигает 1 нА для длины виа 32 нм.

В зарядовом событии ожидается, что более слабая сторона будет служить доминирующим путем разряда, приводя к более выраженному дисбалансу в уровне повреждений между левой и правой сторонами. Следовательно, только устройства с большой разницей V_BD между левой и правой сторонами более вероятно являются результатом плазменного заряда. Поэтому меньшее V_BD в пробое IMD на паре регистрируется как уровень, коррелирующий с уровнем PID-стресса. Рисунок 4a показывает три типичных вида характеристик, найденных на образцах на разных кристаллах по всему веферу. Эти образцы можно классифицировать как группы без пробоя ни с одной стороны, пробой с одной стороны или пробой с обеих сторон. Доля устройств, демонстрирующих определенные характеристики каждой группы, показана на круговой диаграмме рис. 4b. Мы обнаружили, что на образцах без антенны гораздо меньше вероятность появления характеристик пробоя с одной стороны. Симметричное поведение с обеих сторон найдено в большинстве устройств, не подвергавшихся плазменному зарядовым напряжениям. Это дополнительно указывает на то, что большинство асимметричных характеристик в дифференциальной паре исходят от зарядовых напряжений, когда антенная структура подключена.

a Различные типы характеристик пробоя на тестовых парах по всему веферу и b сравнение процента образцов, демонстрирующих различные типы характеристик пробоя на парах устройств по 60 кристаллам.

Используя V_BD, полученные вышеуказанным методом, карты вефера уровня PID и V_BD от устройств типов I и II структур сравниваются на рис. 5. Высокая схожесть между картами вефера V_BD от обоих типов мониторных устройств и соответствующими референсными уровнями заряда от рекодера PID получена, см. рис. 5a. Напряжение PID, как считается, регистрирует как электронные, так и ионные зарядовые события во время металлических процессов [14]. Однако образцы по всему веферу оказываются преимущественно подверженными большему электронному заряду, чем ионному [14]. Мы полагаем, что некоторые региональные корреляции могут быть замечены между вефером на рис. 5a, b. В то время как карта вефера на рис. 5c от структуры II, не имеющая явного сходства с рис. 5a, указывает на то, что двунаправленное напряжение [15] может приводить к вторичным эффектам на диэлектрических слоях, что требует дальнейшего исследования. Измеренные пробойные напряжения от новых тестовых структур против референсных уровней PID сравнены на рис. 6, что дополнительно раскрывает, что чем выше уровень PID на кристалле, тем ниже его V_BD на новых тестовых структурах. Кроме того, могут быть установлены значительные отрицательные корреляции между V_BD и уровнями плазменного заряда. Для исследования эффекта однонаправленных и двунаправленных напряжений на повреждение IMD, V_BD, измеренные от устройств с типами I и II структур, обобщены и сравнены на рис. 7. Распределение V_BD, полученное от устройств на 60 кристаллах по веферам, указывает на то, что устройства, испытывающие двунаправленные зарядовые напряжения, с большей вероятностью показывают пробой IMD при более низком напряжении. Это может быть объяснено асимметричным уровнем напряжения при смене полярности через IMD [16]. Более того, стресс-индуцированный ток утечки (SILC), измеренный при 10 В через диэлектрический слой, является еще одним индикатором увеличения ловушечных состояний [17] внутри IMD-пленки. Для дальнейшего минимизации эффекта вариаций от кристалла к кристаллу, вызванных процессными вариациями, отношение утечки от каждой пары используется как индекс для дальнейшей оценки повреждения IMD. Рисунок 8 показывает, что практически нет корреляции между отношением тока утечки на двух типах устройств на одном кристалле. То есть, деформация между металлом 1 и виа2 слоями имеет минимальный эффект на обе структуры. Замечено, что отношение тока R, определенное как I_LR/I_LL, является лучшим индексом для удаления шума от вариаций кристалл-кристалл на этих структурах. На полностью несмещенных устройствах основной зарядовый стресс происходит справа или слева, что должно быть полностью случайным. Здесь найдены некоторые эффекты смещения на отношениях токов, где медиана их распределения не равна 1. Чтобы обеспечить учет только повреждений, результатирующих от плазменных зарядовых эффектов, R нормализовано, как описано на рис. 9. В графике распределения по центру вефера R_N от устройств типа I структуры достаточно точно следует за уровнем плазменного стресса от рекодеров PID. С другой стороны, R_N от устройств, восприимчивых к двунаправленному стрессу, не может быть полностью объяснено записанными уровнями PID. Это может быть вызвано значительно более высоким уровнем R_N в устройствах структуры II в результате дополнительных ионных зарядовых событий по всему веферу.

Схемы и карты вефера, показывающие распределения (a) напряжения PID и V_BD от (b) тестовой структуры I и (c) II, показывающие региональный эффект в обозначенной области от плазменно-индуцированного повреждения на задне-диэлектрическом слое, который может быть атрибутирован региональным уровням плазменного заряда.

Корреляции между V_BD от уровней PID для a структуры I и b образцов структуры II соответственно [10,11,12].

Сравнение кумулятивного распределения V_BD от 60 кристаллов по веферу и доли образцов, показывающих более высокие пробойные напряжения от структуры I против структуры II.

Отношение тока утечки левой и правой сторон структур I и II, показывающее отсутствие систематического эффекта деформации от этих образцов.

a Нормализованные отношения токов от образцов структур I и II по центру вефера в сравнении с соответствующими уровнями PID и b определение тока утечки слева (I_LL) и справа (I_LR).

Заключение

Плазменно-индуцированный зарядовый эффект на целостность IMD-пленок исследован через недавно предложенные дифференциальные тестовые структуры на передовых платформах FinFET Cu BEOL. Повреждения в виде раннего пробоя и увеличения SILC в слоях IMD обнаружены как прямо коррелирующие с уровнями плазменного заряда по 12-дюймовым веферам.

Доступность данных и материалов

Не применимо.