Weitbereichsdetektor des plasmainduzierten Ladeeffekts für fortschrittliche CMOS-BEOL-Prozesse

Einführung

In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Halbleiterprozesstechnologie die kritische Dimension in großen integrierten Schaltkreisen weiter herunterskaliert [1, 2, 3]. Fortschrittliche FinFET-Logikprozesse sind komplexer geworden, um dichter gepackte Transistoren in multifunktionalen und leistungsfähigeren Si-Chips zu realisieren. Durch Plasma verstärkte reaktive Ionenätzschritte [4, 5] werden in fortgeschrittenen nanoskaligen Prozessen unvermeidlich, um Strukturen mit hohem Aspektverhältnis zu erreichen, die für Schaltungen mit hoher Packungsdichte unerlässlich sind [6]. Bei CMOS-Technologieknoten über 45 nm änderten sich die Transistorgates vom herkömmlichen Polysilizium-Gate mit Siliziumdioxid zu High-k-Metall-Gate-Stacks [7, 8]. Diese Änderung macht die Vorrichtungen anfälliger für plasmainduzierte Schäden und kann zu unvorhergesehenen latenten Schäden an den dielektrischen Schichten mit hohem k führen. [9]. In modernen Herstellungsprozessen von FinFETs sind zahlreiche HF-Plasmaschritte wie Ätz-, Abscheidungs- und Reinigungsprozesse unvermeidlich, die höhere Frequenzen von plasmainduzierten Ladevorgängen erzeugen [10]. Auf Metallstrukturen können sowohl positive als auch negative Aufladungen auftreten. Da diese Ladungen durch die leitfähigen Pfade fließen, die aus bereits bestehenden Metallleitungen, Durchkontaktierungen und Kontakten bestehen, kann die unerwünschte Entladung durch empfindliche Teile der Schaltungen, insbesondere durch das Gatedielektrikum des Transistors, zu erheblichen Zuverlässigkeitsproblemen führen. Beispielsweise verursachen beim Trockenätzschritt streuende auftreffende Ionen und gesputterte Materialien an der Reaktionsoberfläche mehr Defekte in den Bulk-Fins [11, 12]. Um zu vermeiden, dass das Plasmaaufladungsereignis zu irreversiblen Schäden an Schaltungen führt, werden Entwurfsregeln angegeben, die die Größe von Metallstrukturen begrenzen. Ein weiteres Beispiel für die Linderung von PID ist die Verwendung von Schutzdioden, die den Plasmaladestrom von empfindlichen Schaltkreisen wegleiten könnten [13]. Die Einführung von Gateoxid zur In-Situ-Dampferzeugung (ISSG) berichtete über eine Verbesserung seiner Toleranz gegenüber Plasmaschäden [14]. Darüber hinaus wurde auch festgestellt, dass das Trimmen der Kammer und das Modifizieren des PECVD-Ti-Abscheidungsprozesses den plasmainduzierten Schaden verringerten [15]. Die meisten dieser Verfahren führen jedoch zu unerwünschten Einschränkungen der Flexibilität des Schaltungsdesigns oder der Verarbeitungskompromisse.

Herkömmlicherweise wurden On-Wafer-Testmuster verwendet, um die Plasma-induzierten Schäden (PID) zu überwachen [16]. Der gebräuchlichste und am weitesten verbreitete Parameter zur Überwachung von PID auf dem Wafer ist die Time-to-Breakdown (TDDB)-Charakteristik der Transistorgates mit großen Antennenstrukturen. Der latente Schaden an Gatedielektrika kann durch Messen der Degradation der Gatedielektrikumschicht unter Spannungs- oder Strombelastungstests aufgedeckt werden. Daher sind diese Muster nicht in der Lage, Echtzeit-Feedback zu den Plasmaprozessen zu geben [17]. In unseren früheren Arbeiten wurde ein Plasma-induzierter Ladeeffekt-Detektor auf dem Wafer in fortschrittlichen FinFET-Technologien demonstriert. Der PID-Detektor verwendet eine kapazitive Kopplungsstruktur, um eine Reaktion auf das Floating-Gate zu induzieren [18, 19, 20]. Daher wird die dielektrische Gateschicht nicht beschädigt, wie dies bei einem herkömmlichen PID-Detektor der Fall ist. Auf diesen neuen Detektoren misst man die sich verschiebenden I-V-Kurven, um sowohl die Intensität, Dauer als auch Polarität der Ladungen auf dem Antennengate herauszufinden. Es hat sich herausgestellt, dass diese Detektoren einem Sättigungseffekt unterliegen können, wenn die Plasmaintensität an bestimmten Aufnahmestellen kritische Werte überschreitet. Um den Dynamikbereich des PID-Detektors zu erweitern, wurden in dieser Arbeit neue Antennen-Gate-Designs untersucht, bei denen eine Erweiterung der Erfassungsbereiche erfolgreich demonstriert wurde.

Methoden

Das 3D-Schema eines Plasma-induzierten Schadens (PID)-Detektors mit einem parasitären Kondensator, der mit dem Antennenknoten verbunden ist, ist in Abb. 1a gezeigt. Im Gegensatz zur PID-Überwachungsstruktur verwendet dieser Detektor einen langen Kontaktschlitz, um die Antennenspannung an das Floating-Gate zu koppeln. Das TEM-Querschnittsfoto ist in Fig. 1b gezeigt. Wie in der Abbildung gezeigt, sind Kontaktschlitze, die Ladungen sammeln, kapazitiv mit dem Floating-Gate gekoppelt.

a Die 3D-Darstellungen des zuvor berichteten In-Situ-PID-Detektors und des Antennenkondensators heben diese Struktur hervor. b Das TEM-Foto des PID-Detektors, wobei die Gate-Länge dieses Detektors 140 nm beträgt

Abbildung 2 vergleicht die aufgezeichneten Schwellenspannungsverteilungen dieser Detektoren über einen 12-Zoll-Wafer. Die negative Schwellenspannungsverschiebung zeigt an, dass negative Ladungen auf der Antenne gesammelt wurden, wodurch positive Ladungen in das Floating Gate gezogen wurden, was zu negativen Schwellenspannungsverschiebungen führte. Es wurde festgestellt, dass mit zunehmender Antennenfläche die steigende Gesamtkapazität zu einer Verringerung der gesamten Antennenspannungen führt, wodurch die Verschiebung von V . kleiner wird _t .

Schwellenspannungsbereich von Proben mit unterschiedlicher Antennengröße und der entsprechenden Gesamtkapazität der Antenne

Hier, in Fig. 3a, wird das Flussdiagramm zur Erläuterung der grundlegenden Betriebsprinzipien des PID-Detektors skizziert. Da die Plasmaladung (Q _Ameise ) werden an der Antenne gesammelt, das Potential des Antennengates, V _Ameise , variiert. V _Ameise wird dann an das Floating Gate (FG) gekoppelt, wodurch das Tunneln von Elektronen entweder in das oder aus dem FG gefördert wird. Nach Plasmaprozessen, V _t dieser Detektoren können je nach Polarität von Q . negativer oder positiver werden _Ameise . V _t kann mit dem FN-Tunnelstrommodell mit dem in Abb. 3b aufgeführten Parameter berechnet werden.

a Das Flussdiagramm von Plasmaladungen (Q _Ameise ) auf der Antenne gesammelt, um V . zu verschieben _t . Basierend auf dem FN-Tunneling-Modell, ΔV _t berechnet werden kann. b Die Parameterliste mit ihren Definitionen

Abbildung 4 veranschaulicht alle möglichen Kapazitäten des FG-basierten PID-Detektors. Aus Fig. 5 ergibt sich, dass mit zunehmender Antennenfläche ΔV _t neigt zur Sättigung. Als V _Ameise erreicht die Höchstwerte, Q _Ameise beginnt zu lecken, wenn die Spannung zu hoch ist. Um zu vermeiden, dass der Plasmaflusspegel die Detektorgrenze überschreitet, wird die Antennenkapazität bewusst durch Hinzufügen von Ladekondensatoren erhöht, die den Anteil der Antennenkapazität an der Gesamtkapazität verringern könnten.

Zusammensetzung der Kapazität auf der Antennenstruktur mit dem zusätzlichen Ladekondensator, der die Empfindlichkeit der PID-Detektoren modifizieren soll. Wo C _P ist die parasitäre Gesamtkapazität auf dem Floating Gate

Sowohl der Schwellenspannungspegel als auch der projizierte Antennenspannungspegel sättigen sich bei Mustern mit vergrößerter Antennenfläche

Abbildung 6a zeigt die 2D-Struktur des zuvor berichteten In-situ-PID-Detektors, und es werden drei Strukturen zur Realisierung zusätzlicher Kondensatoren vorgestellt. Dies sind MOM-Kondensatoren, die die größere Überlappungsfläche von Metallschichten verwenden, um die Gesamtkapazität in Abb. 6b zu erhöhen, STI-Kondensatoren, die die Kapazität durch Anpassen der Länge des Metallgates in Abb. 6c erhöhen, und Seitenwandkondensatoren, die verwenden der Überlappungsbereich von Metallgate und Kontakt, um einen zusätzlichen Kondensator zu bilden Abb. 6d.

Querschnittsdarstellung von a der In-situ-PID-Detektor und solche mit einem zusätzlichen Ladekondensator, realisiert durch b MOM, c STI und d Seitenwand bzw.

Experimentelle Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 7 vergleicht die Gesamtkapazität mit den Antennenverhältnissen, wenn verschiedene Arten von Ladekondensatoren hinzugefügt werden. Die Gesamtkapazität wird von der Antennenkapazität dominiert, wenn das Antennenverhältnis größer als 1 K ist.

Vergleich der Gesamtkapazität gegenüber den Antennenverhältnissen, wenn die drei Arten von Ladekondensatoren hinzugefügt werden

Wenn die hinzugefügte Ladekapazität mit der Antennenkapazität vergleichbar wird, könnte die Gesamtkapazität dann durch die Ladekondensatoren beeinflusst werden. Da die maximale Menge der von der Antenne gesammelten Ladungen festgelegt ist; durch Erhöhung der Gesamtkapazität, ΔV wird gemäß ΔQ . voraussichtlich verringert = C V . Somit könnte die Empfindlichkeit des Erfassungsbereichs unterdrückt werden, wodurch ein Sättigungseffekt verhindert wird, wenn der Plasmaladepegel seine ursprünglichen Grenzen überschreitet. Die Drainstromkennlinien für Geräte mit AR = 10 mit unterschiedlichen STI-Kondensatoren werden in Abb. 8 verglichen. Wenn ein größerer Ladekondensator hinzugefügt wird, wird der Prozentsatz der Antennenkapazität an der Gesamtkapazität reduziert. Bei gleichem Plasmaladungsfluss ist die Gesamtplasmaladung nach einer Periode proportional zur Antennenfläche. Wenn die Gesamtkapazität ansteigt, ist daher V _Ameise wird voraussichtlich gesenkt, was die Detektion hoher Plasmaflusswerte ermöglicht. Wie in Abb. 8 gezeigt, finden sich kleinere Verschiebungen auf den I-V-Kurven für die Proben mit zusätzlichen Ladekondensatoren.

I-V-Kurve verschiedener Größen von STI-Kondensatoren mit AR = 10. Wenn die externe Kapazität größer ist, liegt die I-V-Kurve näher an der der Referenzzellen

Kastendiagramme der Schwellenspannungen, die an Proben mit AR = 1 K und unterschiedlichen Größen von MOM-, STI- und Seitenwandkondensatoren gemessen wurden, werden in Abb. 9 verglichen. Wenn die Lastkapazität erhöht wird, wird im Durchschnitt eine geringere Schwellenspannungsverschiebung beobachtet. Im experimentellen Design ist C _L durch die STI-Struktur ist zu klein, um den Einfluss des Ladeniveaus zu zeigen. Der Vergleich in Abb. 10 deutet darauf hin, dass drei Möglichkeiten zum Hinzufügen von Ladekondensatoren auch die durchschnittliche Reaktion auf die Plasmaladung effektiv reduzieren können. Der zusätzliche Ladekondensator kann den Erfassungsbereich des PID-Detektors erfolgreich erweitern, während die Empfindlichkeit der Detektoren reduziert wird. Um eine weitreichende Erkennung des Plasmaladepegels zu erreichen, ist eine Reihe von PID-Detektoren mit unterschiedlichen C .-Werten erforderlich _L kann in einem 1-D-Array entworfen werden, um Plasmaladungsniveaus sowohl am oberen als auch am unteren Ende zu erkennen.

Schwellenspannungen, die an Proben mit unterschiedlichen Größen von MOM-, STI- und Seitenwandkondensatoren gemessen wurden, werden verglichen. Alle Geräte haben denselben AR von 1 K

Vergleich der durchschnittlichen ΔV _t gegen C _L implementiert durch die drei Typen von Kondensatorstrukturen, wobei ΔV _t ist definiert als das V _t Unterschied zwischen einer Detektorzelle und der Referenzzelle. Die Daten deuten darauf hin, dass eine reduzierte Sensitivität als C . erreicht werden kann _L erhöht

Schlussfolgerungen

Diese Studie untersucht ein neues Antennen-Gate-Design, um den Erfassungsbereich von plasmainduzierten Ladungsniveaus auf den PID-Überwachungsdetektoren zu erweitern. Durch Hinzufügen eines Ladekondensators kann eine hohe Antennen-Gate-Spannung, die einem Ladungsverlust ausgesetzt ist, verhindert werden, wodurch ein höherer Ladepegel an den PID-Detektoren registriert werden kann. Dieses neuartige Design erweitert effektiv den Erfassungsbereich von Plasmaladungsniveaus in fortschrittlichen CMOS-BEOL-Prozessen.

Verfügbarkeit von Daten und Material

Nicht zutreffend.

Abkürzungen

PID:

Plasmainduzierter Schaden

V _t :

Schwellenspannung

Q _Ameise :

Gebühren an der Antenne

V _Ameise :

Antennenspannung

MAM:

Metall-Oxid-Metall

AR:

Antennenverhältnis

C _L :

Ladekapazität

C _P :

Parasitäre Kapazität

C _Ameise :

Antennenkapazität