Bewertung von plasmainduzierten Schäden an Intermetall-Dielektrika in FinFET-Cu-BEOL-Prozessen

Zusammenfassung

Hochdichte-Verkabelungen, ermöglicht durch fortschrittliche CMOS-Cu-BEOL-Technologien, führen zu eng beieinander liegenden Metalllagen. Hochaspektige Metallleitungen erfordern umfangreiche Plasmaätzprozesse, die Zuverlässigkeitsbedenken bei Intermetall-Dielektrika (IMD) hervorrufen können. Diese Studie stellt neuartige Testmuster zur Evaluierung des Einflusses plasmainduzierter Ladeeffekte auf die Integrität von IMD zwischen eng beieinander liegenden Metallleitungen vor. Starke Korrelationen zwischen Plasmaladeintensitäten und in IMD-Lagen gefundenen Schäden werden umfassend gefunden und analysiert.

Einleitung

Cu-basierte Back-End-of-Line (BEOL) Prozesse werden seit dem Übergang in den sub-100-nm-Regime umfangreich eingesetzt. Dicht gepackte Verkabelungen bestehen aus hochaspektigen Vias und Metallleitungen, die durch eine Reihe von plasmaunterstützten Ätzprozessen ermöglicht werden. Es ist bekannt, dass hochenergetische Plasmasbehandlungen zu signifikanter Degradation und latenter Schäden in Transistorgate-Dielektrikastapeln führen können, die als Hauptentladepfade während prozessinduzierter Ladeereignisse gelten. Um Zuverlässigkeitsbedenken hinsichtlich der Gate-Dielektrikqualität zu vermeiden, geben IC-Hersteller typischerweise Designregeln und Richtlinien vor, die Größe und Länge von Verbindungsmetalllagen begrenzen. Mit zunehmender Anzahl von Metalllagen in komplexen Verdrahtungssystemen ist es schwer, Entladepfade durch Intermetall-Dielektrikfilme während prozessinduzierter Ladung zu vermeiden. Mit der Einführung von Low-k-Materialien in BEOL-Prozessen, die RC-Verzögerungsprobleme lindern, können Isolationsfilme anfälliger für Ladespannungen werden. Die durch plasmainduzierte Ladespannungen auf kompakten Verbindungsstrukturen resultierenden Schäden, die für die Realisierung komplexer BEOL-Verdrahtungen verantwortlich sind, können Ausbeute und Zuverlässigkeit fortschrittlicher CMOS-ICs stark beeinflussen. In dieser Studie integrieren wir zuvor berichtete in-situ-PID-Rekorder mit neu vorgeschlagenen differentiellen Testmustern, um mögliche IMD-Schäden zu überwachen, wenn zusätzliche Entladepfade unter fortschrittlichen Cu-BEOL-Prozessen möglich werden. Die an verschiedenen Positionen über den Wafer gemessenen Plasmaladepegel des Rekorders können mit Plasmaladeschäden an IMD-Filmen durch die neuen Testmuster korreliert werden. Spannungsinduzierte Versagensverhalten an IMD-Strukturen können dann durch diese Testmuster leicht aufgedeckt werden, die in Standardteststrukturen für die routinemäßige Überwachung neuer Versagensmodi und möglicher IMD-Zuverlässigkeitsbedenken eingesetzt werden können.

Baustruktur und Methodik

Fehleranalyseergebnisse an FinFET-integrierten Schaltungen deuten darauf hin, dass latente Schäden in Form erhöhter Fangzustände innerhalb von Intermetall-Dielektrikalagen zwischen zwei eng beieinander liegenden isolierten Verbindungsstrukturen auftreten können, wie in Abbildung 1 illustriert. Da Leitungsbreite und Abstand zwischen Via- und Metallverbindungen in fortschrittlichen CMOS-BEOL-Prozessen aggressiv reduziert werden, können auf großen Metallleitungen gesammelte Ladungen, die als Antennen dienen, durch IMD über Metalle und Vias/Gates und Metallleitungen entladen werden, was zu Hochfeld- und/oder Hochstromspannungen auf diesen Dielektrikfilmen führt. Durch Platzierung des in-situ-PID-Rekorders neben den beiden differentiellen Testmustern auf jedem Die können zunächst die Referenz-Plasmaladepegel über einen 12-Zoll-Wafer etabliert werden.

Um sicherzustellen, dass der Plasmaladestrom durch die Dielektrikschicht zwischen den Metalllagen fließt, wird der M2-Knoten im Testmuster in Abbildung 2 vor der Herstellung der Antennenstruktur isoliert. Zwei neue differentielle Testmusterdesigns, die darauf abzielen, die Möglichkeit latenter Schäden während plasmainduzierter Ladespannungen zu erhöhen, werden vorgeschlagen und in Abbildung 2a, b illustriert. Das Bauelement mit Typ-I-Muster erfährt nur Hochstromspannung, wenn Elektronen auf seiner korrespondierenden Antenne gesammelt werden, da der Entladestrom durch die n+/p-Sperrschicht in Reihe auf dem leitenden Pfad gleichgerichtet wird. Das Bauelement mit Typ-II-Muster hingegen wird in beide Richtungen beansprucht, d. h. sowohl Ionen- als auch Elektronenladung werden auf diesem Überwachungsbauelement registriert. Folglich werden die Proben in dieser Studie im standardmäßigen FinFET/Cu-BEOL-Prozess im 16-nm-Technologieknoten hergestellt. Die Antennenstrukturen auf einem PID-Rekorder sowie die Bauelemente mit Typ-I- und II-Mustern, die auf jedem Die platziert sind, sind alle mit einer großen Metall-3-Struktur ausgelegt. Beide Überwachungsbauelementtypen sind in differentieller Konfiguration ausgelegt, was Fehlausrichtungsrauschen, das zu Fehlablesungen der PID-Effekte führen könnte, betont und anschließend minimiert.

Experimentelle Ergebnisse und Diskussion

Die Daten in Abbildung 3 werden durch Anlegen eines Spannungssweeps an Metall 2 von 0–20 V mit einer Sweep-Rate von 0,7 V/s erhalten, wobei Durchbruchsspannung und IMD-Leckstrom auf beiden Seiten einiger verschiedener Bauelemente mit Testmuster I ermittelt und verglichen werden können. Während der Herstellung der großen M3-Antenne von 82.000 μm² wird erwartet, dass der Plasmaprozess eine Aufladung der Antenne induziert. Die akkumulierte Ladung wird voraussichtlich über den Pfad mit dem geringsten Widerstand entladen. Die Daten zeigen, dass einige Proben einen frühen dielektrischen Durchbruch aufweisen, während der IMD bei anderen Bauelementen mit geringem Leckstrom relativ intakt bleibt.

Bei einem Ladeereignis wird erwartet, dass die schwächere Seite als dominanter Entladepfad dient, was zu einem stärkeren Ungleichgewicht im Schadensgrad zwischen links und rechts führt. Daher sind nur Bauelemente mit großem V_BD-Unterschied zwischen linker und rechter Seite wahrscheinlicher auf Plasmaladung zurückzuführen. Daher wird der kleinere V_BD im IMD-Durchbruch eines Paares als der mit dem PID-Spannungspegel korrelierte Wert registriert. Abbildung 4a zeigt drei typische Charakteristika, die auf Proben auf verschiedenen Dies über einen Wafer gefunden werden. Diese Proben können in Gruppen ohne Durchbruch auf beiden Seiten, einseitigen Durchbruch oder beidseitigen Durchbruch kategorisiert werden. Der Anteil der Bauelemente, die die jeweilige Charakteristik jeder Gruppe zeigen, ist im Kreisdiagramm von Abbildung 4b dargestellt. Es wurde festgestellt, dass Proben ohne Antenne eine viel geringere Chance auf einseitige Durchbruchscharakteristika haben. Symmetrisches Verhalten auf beiden Seiten findet sich in den meisten Bauelementen, die keine Plasmaladespannung erfahren haben. Dies deutet weiterhin darauf hin, dass die meisten asymmetrischen Charakteristika in einem differentiellen Paar von Ladespannungen herrühren, wenn eine Antennenstruktur angebracht ist.

Mithilfe der oben beschriebenen Methode erhaltenen V_BD-Werte werden die Wafermaps des PID-Pegels und der V_BD von Bauelementen der Typ-I- und II-Muster in Abbildung 5 verglichen. Eine hohe Ähnlichkeit zwischen den Wafermaps der V_BD beider Überwachungsbauelementtypen und den entsprechenden Referenzladepegeln des PID-Rekorders wird erzielt (Abb. 5a). Die PID-Spannung soll sowohl Elektronen- als auch Ionenladeereignisse während der Metallprozesse aufzeichnen. Proben über einen Wafer werden jedoch überwiegend Elektronenladung als Ionenladung ausgesetzt. Es wird angenommen, dass einige regionale Korrelationen zwischen den Wafern in Abbildung 5a, b bestehen. Während die Wafermap in Abbildung 5c vom Muster II, die keine offensichtliche Ähnlichkeit zu der in Abbildung 5a aufweist, darauf hindeutet, dass bidirektionale Spannung sekundäre Effekte auf die Dielektrikschichten haben könnte, die weiterer Untersuchung bedürfen. Gemessene Durchbruchsspannungen der neuen Testmuster vs. die Referenz-PID-Pegel, verglichen in Abbildung 6, zeigen weiter, dass je höher der PID-Pegel auf einem Die, desto niedriger sein V_BD in den neuen Testmustern. Zudem können signifikante negative Korrelationen zwischen V_BD und Plasmaladepegeln hergestellt werden. Um den Effekt ein- und bidirektionaler Spannungen auf IMD-Schäden zu untersuchen, wird V_BD aus Bauelementen mit Typ-I- und Typ-II-Mustern zusammengefasst und in Abbildung 7 verglichen. Die V_BD-Verteilung aus Bauelementen auf 60 Dies über Wafer zeigt, dass Bauelemente, die bidirektionalen Ladespannungen ausgesetzt sind, eher bei niedrigerer Spannung IMD-Durchbruch zeigen. Dies könnte durch asymmetrische Spannungsniveaus erklärt werden, wenn die Polarität über einem IMD wechselt. Darüber hinaus ist der spannungsinduzierte Leckstrom (SILC), gemessen mit 10 V über der Dielektrikschicht, ein weiterer Indikator für die Zunahme von Fangzuständen im IMD-Film. Um den Die-zu-Die-Variationseffekt durch Prozessvariationen weiter zu minimieren, wird das Leckstromverhältnis jedes Paares als Index zur weiteren Bewertung des IMD-Schadens verwendet. Abbildung 8 zeigt, dass im Wesentlichen keine Korrelation zwischen dem Leckstromverhältnis der beiden Bauelementtypen auf demselben Die besteht. Das heißt, Fehlausrichtung zwischen Metall-1- und Via-2-Lagen hat minimale Auswirkungen auf beide Muster. Beachte, dass das Stromverhältnis R, definiert als I_LR/I_LL, ein besserer Index zur Rauschentfernung von Die-zu-Die-Variationen an diesen Mustern ist. An vollständig unvoreingenommenen Bauelementen sollte die Hauptladespannung auf der rechten oder linken Seite vollständig zufällig sein. Hier werden einige Bias-Effekte auf den Stromverhältnissen gefunden, wo ihr Verteilungsmittelwert nicht bei 1 liegt. Um sicherzustellen, dass nur Schäden, die aus Plasmaladeeffekten resultieren, berücksichtigt werden, wird R als normiertes Stromverhältnis definiert, wie in Abbildung 9 beschrieben. In der Verteilungsgrafik über das Waferzentrum folgt R_N von Bauelementen des Typ-I-Musters ziemlich genau dem Plasmaspannungspegel der PID-Rekorder. Andererseits kann R_N von Bauelementen, die für bidirektionale Spannung empfänglich sind, nicht vollständig durch die aufgezeichneten PID-Pegel erklärt werden. Dies könnte durch signifikant höhere R_N-Pegel in Bauelementen des Musters II verursacht sein, als Ergebnis zusätzlicher Ionenladeereignisse über den Wafer.

Schlussfolgerungen

Der plasmainduzierte Ladeeffekt auf die Integrität von IMD-Filmen wird durch neu vorgeschlagene differentielle Testmuster auf fortschrittlichen FinFET-Cu-BEOL-Plattformen untersucht. Schäden in Form von frühem Durchbruch und erhöhtem SILC in IMD-Lagen korrelieren direkt mit den Plasmaladepegeln über 12-Zoll-Wafer.