Улучшенный детектор плазмоиндуцированного заряжения для комплексного мониторинга процессов CMOS BEOL

Аннотация

В этой работе предложен модифицированный детектор плазмоиндуцированного заряжения (PID) для расширения диапазона обнаружения, для мониторинга возможного плазменного повреждения по всему вейферу в процессах переднего уровня металлизации (BEOL) передовых CMOS. Исследуются новые конструкции антенн для паттернов плазмоиндуцированного повреждения с расширенными конденсаторами. При адаптации новых детекторов PID максимальные уровни заряжения детекторов были повышены.

Введение

В последние годы эволюция полупроводниковой технологической процесса продолжает масштабирование критического размера в крупных интегральных схемах. Передовые процессы FinFET логики стали более сложными для реализации более плотно упакованных транзисторов в многофункциональных и более мощных кремниевых чипах. Этапы реактивного ионного травления, усиленные плазмой, становятся неизбежными в передовых нано-процессах для достижения структур с высоким соотношением сторон, которые необходимы для схем с высокой плотностью упаковки. Для технологических узлов CMOS за 45 нм, затворы транзисторов изменились от обычного поликристаллического кремния с диоксидом кремния на стеки высокок диэлектриков с металлическими затворами. Это изменение делает устройства более восприимчивыми к плазмоиндуцированному повреждению и может привести к непредвиденным латентным повреждениям высокок диэлектрических слоев. В современных производственных процессах FinFET, многочисленные шаги RF плазмы, такие как травление, осаждение и очистка, неизбежны, что создает более высокую частоту событий плазмоиндуцированного заряжения. И положительное, и отрицательное заряжение на металлических структурах может происходить. По мере того как эти заряды текут через проводящие пути, состоящие из предварительно существующих металлических линий, виа и контактов, нежелательный разряд через уязвимые части цепей, особенно через затворной диэлектрик транзистора, может привести к серьезным проблемам надежности. Например, в шаге сухого травления, рассеянные падающие ионы и выбрызгиваемые материалы на поверхности реакции вызывают больше дефектов в объемных плавниках. Чтобы избежать события плазмового заряжения, ведущего к необратимому повреждению цепей, даются правила проектирования, ограничивающие размер металлических структур. Другой пример смягчения PID включает использование защитных диодов, которые могут отводить ток плазмового заряжения от чувствительных цепей. Введение в situe генерации пара (ISSG) затворного оксида сообщалось о повышении его толерантности к плазменному повреждению. Кроме того, подстройка камеры и модификация процесса PECVD-Ti осаждения также находили смягчение плазмоиндуцированного повреждения. Большинство этих методов, однако, приводят к нежелательным ограничениям на гибкость проектирования цепей или компромиссам в обработке.

Традиционно, на-вейфер тестовые паттерны использовались для мониторинга уровней плазмоиндуцированного повреждения (PID). Наиболее распространенным и широко используемым параметром для мониторинга на-вейфер PID являются характеристики времени до пробоя (TDDB) затворов транзисторов с большими антенными структурами. Латентное повреждение на затворных диэлектриках может быть раскрыто измерением деградации слоя затворного диэлектрика под напряжением или током стресс-тестов. Следовательно, эти паттерны не способны предоставлять обратную связь в реальном времени о плазменных процессах. В наших предыдущих работах демонстрировался на-вейфер детектор эффекта плазмоиндуцированного заряжения в передовых технологиях FinFET. Детектор PID использует емкостную структуру связывания для индуцирования ответа на плавающем затворе. Поэтому нет повреждения слоя затворного диэлектрика, как в обычном детекторе PID. На этих новых детекторах измеряют сдвиг I-V кривых, чтобы выяснить интенсивность, длительность и полярность зарядов на антенном затворе. Обнаружено, что эти детекторы могут подвергаться эффекту насыщения, так как интенсивность плазмы на определенных записывающих участках превышает критические уровни. Для расширения динамического диапазона детектора PID, новые конструкции антенных затворов были исследованы в этой работе, где успешно продемонстрировано расширение диапазона чувствительности.

Методы

3D схема детектора плазмоиндуцированного повреждения (PID) с паразитным конденсатором, подключенным к антенному узлу, показана на рисунке 1a. Отличаясь от структуры мониторинга PID, этот детектор использует длинный контактный слот для связывания антенного напряжения на плавающем затворе. Поперечное TEM фото показано на рисунке 1b. Как показано на рисунке, контактные слоты, собирающие заряды, емкостно связаны с плавающим затвором.

Рисунок 2 сравнивает записанные распределения порогового напряжения от этих детекторов по 12-дюймовому вейферу. Отрицательный сдвиг порогового напряжения указывает на то, что отрицательные заряды собрались на антенне, притягивая положительные заряды в плавающий затвор, что приводит к отрицательным сдвигам порогового напряжения. Обнаружено, что по мере увеличения площади антенны, возрастающая общая емкость приводит к снижению общих антенных напряжений, следовательно, меньше сдвиг в V_t.

Здесь, на рисунке 3a, блок-схема объясняющая основные принципы работы детектора PID обведена. По мере того как плазменные заряды (Q_Ant) собираются на антенне, потенциал антенного затвора, V_Ant, варьируется. V_Ant затем связывается с плавающим затвором (FG), способствуя туннелированию электронов либо в, либо из FG. После плазменных процессов, V_t этих детекторов может стать более отрицательным или более положительным в зависимости от полярности Q_Ant. V_t может быть рассчитан по модели туннельного тока Флауэрса-Нордхайма с параметрами, перечисленными на рисунке 3b.

Рисунок 4 иллюстрирует все возможные емкости на детекторе PID на основе FG. Из рисунка 5 видно, что по мере увеличения площади антенны, ΔV_t имеет тенденцию насыщаться. По мере того как V_Ant достигает максимальных уровней, Q_Ant начинает утекать, когда уровень напряжения слишком высок. Чтобы избежать превышения детектором предельного уровня плазменного потока, антенная емкость намеренно увеличивается добавлением загрузочных конденсаторов, которые могут уменьшить долю антенной емкости в общей емкости.

Рисунок 6a показывает 2D структуру ранее сообщенного in-situ детектора PID, и три структуры реализации дополнительных конденсаторов представлены. Это MOM конденсаторы, которые используют большую площадь перекрытия металлических слоев для увеличения общей емкости на рисунке 6b, STI конденсаторы, которые увеличивают емкость за счет регулировки длины металлического затвора на рисунке 6c, и боковые конденсаторы, которые используют площадь перекрытия металлического затвора и контакта для формирования дополнительного конденсатора на рисунке 6d.

Экспериментальные результаты и обсуждение

Рисунок 7 сравнивает общую емкость versus антенные соотношения, когда добавляются разные типы загрузочных конденсаторов. Общая емкость доминируется антенной емкостью, когда антенное соотношение больше 1K.

Когда добавленная загрузочная емкость становится сопоставима с антенной емкостью, общая емкость может быть затронута загрузочными конденсаторами. Поскольку максимальное количество зарядов, собранных антенной, фиксировано; увеличением общей емкости, ΔV ожидается уменьшится, согласно ΔQ = CΔV. Таким образом, чувствительность диапазона обнаружения может быть подавлена, предотвращая эффект насыщения, когда уровень плазмового заряжения превышает его исходные пределы. Вольтамперные характеристики для устройств AR = 10 с разными STI конденсаторами сравниваются на рисунке 8. Когда добавляется более крупный загрузочный конденсатор, процент антенной емкости в общей емкости уменьшается. Под тем же плазменным заряжающим потоком, общие плазменные заряды после периода пропорциональны площади антенны. Следовательно, когда общая емкость увеличивается, V_Ant ожидается снизится, позволяя обнаруживать высокие уровни плазменного потока. Как показано на рисунке 8, меньшие сдвиги находятся на I-V кривых для образцов с дополнительными загрузочными конденсаторами.

Ящик с усами пороговых напряжений, измеренных с образцами с AR = 1K и разными размерами MOM, STI и боковых конденсаторов, сравниваются на рисунке 9. Когда загрузочная емкость увеличивается, в среднем наблюдается меньший сдвиг порогового напряжения. В экспериментальном дизайне, C_L структурой STI слишком мал, чтобы показать влияние уровня заряжения. Сравнение на рисунке 10 подсказало, что три способа добавления загрузочных конденсаторов также могут эффективно снизить средний ответ на плазменное заряжение. Дополнительный загрузочный конденсатор может успешно расширить диапазон обнаружения детектора PID, в то время как чувствительность детекторов снижается. Для достижения широкого диапазона обнаружения уровня плазменного заряжения, серия детекторов PID с разным уровнем C_L может быть спроектирована в 1-D массиве для обнаружения уровней плазменного заряжения на обоих высоком и низком концах.

Заключение

Это исследование изучает новую конструкцию антенного затвора для расширения диапазона чувствительности уровней плазмоиндуцированного заряжения на детекторах мониторинга PID. Добавлением загрузочного конденсатора высокое антенное напряжение, подверженное утечке заряда, может быть предотвращено, позволяя регистрировать более высокий уровень заряжения на детекторах PID. Этот новый дизайн эффективно расширяет диапазон обнаружения уровней плазменного заряжения в передовых CMOS BEOL процессах.