Evaluación del daño inducido por plasma en dieléctricos intermetálicos en procesos BEOL de Cu con FinFET

Resumen

Los interconectados de alta densidad, habilitados por tecnologías avanzadas CMOS Cu BEOL, conducen a capas metálicas muy próximas. Las líneas metálicas de alto aspecto requieren procesos extensivos de grabado por plasma, lo que puede causar preocupaciones de fiabilidad en las capas dieléctricas intermetálicas (IMD). Este estudio presenta patrones de prueba recién propuestos para evaluar el efecto del efecto de carga inducido por plasma en la integridad del IMD entre líneas metálicas muy próximas. Se encuentran y analizan exhaustivamente fuertes correlaciones entre las intensidades de carga de plasma y los daños encontrados en las capas IMD.

Introducción

Los procesos BEOL basados en Cu se han utilizado extensivamente a medida que las tecnologías migran al régimen sub-100 nm. Los interconectados densamente empaquetados consisten en vías y líneas metálicas de alto aspecto, posibles gracias a una serie de procesos de grabado mejorados por plasma. Es bien conocido que los tratamientos de plasma de alta energía pueden conducir a degradación significativa y daños latentes en las pilas dieléctricas de compuerta de transistores, que se cree son la principal ruta de descarga durante eventos de carga inducidos por proceso. Para prevenir preocupaciones de fiabilidad en la calidad del dieléctrico de compuerta, los fabricantes de IC típicamente proporcionan reglas y guías de diseño que limitan el tamaño y longitud de capas de interconexión metálicas. Con el aumento del número de capas metálicas en sistemas de cableado complejos, es difícil evitar rutas de descarga a través de película dieléctrica intermetálica durante carga inducida por proceso. Con la introducción de material low-k en procesos BEOL, aliviados problemas de retardo RC, las películas de aislamiento pueden ser más susceptibles a tensiones de carga. Los daños resultantes de tensiones inducidas por carga de plasma en estructuras de interconexión compactas responsables de realizar los intrincados cableados BEOL pueden afectar grandemente el rendimiento y fiabilidad de ICs CMOS avanzados. En este estudio, incorporamos grabadores PID in situ reportados previamente, con patrones de prueba diferenciales recién propuestos para monitorear posible daño en IMD cuando rutas de descarga adicionales se vuelven posibles bajo procesos avanzados Cu BEOL. Los niveles de carga de plasma reportados por el grabador en diferentes ubicaciones a través de la oblea pueden correlacionarse con daño por carga de plasma en películas IMD a través de los nuevos patrones de prueba. Los comportamientos de fallo inducidos por tensión en estructuras IMD pueden revelarse fácilmente a través de estos patrones, utilizables en estructuras de prueba estándar para monitoreo rutinario de nuevos modos de fallo y posibles preocupaciones de fiabilidad IMD.

Estructura del Dispositivo y Metodología

Resultados de análisis de fallo en circuitos integrados FinFET sugieren que daños latentes de aumento de estados de trampa dentro de capas dieléctricas intermetálicas entre dos estructuras de interconexión aisladas muy próximas pueden ocurrir, como se ilustra en la Fig. 1. A medida que el ancho de línea y el espaciado entre vías e interconexiones metálicas se reducen agresivamente en procesos BEOL CMOS avanzados, las cargas recolectadas en grandes cables metálicos, que sirven como antenas, pueden descargarse a través del IMD entre metales y vías/compuertas y cables metálicos, resultando en tensiones de alto campo y/o alta corriente en estas películas dieléctricas. Al colocar el grabador PID in situ junto a los dos patrones de prueba diferenciales en cada die, los niveles de referencia de carga de plasma a través de una oblea de 12 pulgadas pueden establecerse primero.

Para asegurar que la corriente de carga de plasma pase a través de la capa dieléctrica entre capas metálicas, el nodo M2 en el patrón de prueba de la Fig. 2 se aísla antes de la fabricación de la estructura de antena. Se proponen e ilustran en la Fig. 2a, b dos nuevos diseños de patrones de prueba diferenciales destinados a aumentar la posibilidad de causar daño latente durante tensiones de carga de plasma. El dispositivo con patrón tipo I solo experimentará tensión de alta corriente cuando electrones se recolecten en su antena correspondiente, ya que la corriente de descarga es rectificada por la unión n+/p en serie en la ruta conductora. Mientras tanto, el dispositivo con patrón tipo II está sometido a tensiones en ambas direcciones. Es decir, tanto la carga de iones como la de electrones se registrarán en este dispositivo de monitoreo. Consecuentemente, las muestras en este estudio se fabrican mediante el proceso estándar FinFET/Cu BEOL en nodo tecnológico de 16 nm. Las estructuras de antena en un grabador PID así como los dispositivos con patrones tipo I y II colocados en cada die están todos diseñados con una gran estructura de metal 3. Ambos tipos de dispositivos de monitoreo están diseñados con configuración diferencial, lo que puede acentuar y posteriormente minimizar el ruido de desalineación que podría llevar a lecturas erróneas en efectos PID.

Resultados Experimentales y Discusión

Los datos en la Fig. 3 se obtienen aplicando un barrido de voltaje en metal 2 de 0-20 V a una tasa de 0.7 V/seg, mientras que el voltaje de ruptura y la corriente de fuga IMD en cualquiera de los lados de unos pocos dispositivos con patrón de prueba I pueden obtenerse y compararse. Durante la fabricación de la gran antena M3 de 82,000 μm², se espera que el proceso de plasma induzca carga de la antena. Se espera que la carga acumulada se descargue a través de la ruta con menor resistencia. Los datos revelan que algunas muestras exhiben ruptura dieléctrica temprana, mientras que el IMD en otros dispositivos permanece relativamente intacto con baja fuga.

En un evento de carga, se espera que el lado más débil sirva como ruta de descarga dominante, conduciendo a un desequilibrio más prominente en el nivel de daños entre izquierda y derecha. Por tanto, solo los dispositivos con gran diferencia de V_BD entre lados izquierdo y derecho son más propensos a resultar de carga de plasma. Por lo tanto, el V_BD menor en ruptura IMD en un par se registra como el nivel correlacionado al nivel de estrés PID. La Fig. 4a muestra tres tipos típicos de características encontradas en muestras en diferentes dies a través de una oblea. Estas muestras pueden categorizarse como grupos sin ruptura en ningún lado, ruptura en un lado o ruptura en ambos lados. La porción de dispositivos que muestran las características particulares de cada grupo se muestra en el gráfico circular de la Fig. 4b. Se encontró que en muestras sin antena tienen mucha menor probabilidad de tener características de ruptura en un lado. Comportamientos simétricos en ambos lados se encuentran en la mayoría de dispositivos que no han experimentado estrés de carga de plasma. Esto sugiere además que la mayoría de características asimétricas en un par diferencial provienen de tensiones de carga cuando la estructura de antena está adjunta.

Utilizando el V_BD obtenido por el método anterior, se comparan los mapas de oblea del nivel PID y V_BD de dispositivos de patrones tipo I y II en la Fig. 5. Se obtiene alta similitud entre mapas de oblea del V_BD de ambos tipos de dispositivos de monitoreo y los niveles de referencia de carga correspondientes del grabador PID, ver Fig. 5a. Se cree que el voltaje PID registra tanto eventos de carga de electrones como de iones durante procesos metálicos. Sin embargo, se encuentra que las muestras a través de una oblea están predominantemente sujetas a más carga de electrones que de iones. Creemos que alguna correlación regional puede verse entre la oblea en Fig. 5a, b. Mientras que el mapa de oblea en Fig. 5c del patrón II, que no muestra similitud obvia con el de Fig. 5a, sugiere que el estrés bidireccional podría llevar a efectos secundarios en las capas dieléctricas, que necesitan investigación adicional. Los voltajes de ruptura medidos de los nuevos patrones de prueba vs. los niveles PID de referencia comparados en la Fig. 6 revelan además que cuanto mayor el nivel PID en un die, menor su V_BD en los nuevos patrones de prueba. Además, correlaciones negativas significativas entre V_BD y niveles de carga de plasma pueden establecerse. Para investigar el efecto de tensiones unidireccionales y bidireccionales en daño IMD, el V_BD medido de dispositivos con patrones tipo I y tipo II se resume y compara en la Fig. 7. La distribución de V_BD obtenida de dispositivos en 60 dies a través de obleas indica que los dispositivos que experimentaron tensiones de carga bidireccionales son más propensos a mostrar ruptura IMD a un voltaje más bajo. Esto podría explicarse por el nivel de estrés asimétrico al cambiar la polaridad a través de un IMD. Además, la corriente de fuga inducida por estrés (SILC) medida con 10 V a través de la capa dieléctrica es otro indicador del aumento de estados de trampa dentro de la película IMD. Para minimizar aún más el efecto de variación die-a-die causado por variación de proceso, la relación de fuga de cada par se usa como índice para evaluar further el daño IMD. La Fig. 8 muestra que esencialmente no hay correlación entre la relación de corriente de fuga en los dos tipos de dispositivos en el mismo die. Es decir, la desalineación entre capas metal 1 y vía 2 tiene efectos mínimos en ambos patrones. Se nota que la relación de corriente, R, definida como I_LR/I_LL, es un mejor índice para eliminar ruido de variación die-a-die en estos patrones. En dispositivos completamente imparciales, la tensión de carga principal ocurre en el lado derecho o izquierdo que debería ser completamente aleatorio. Aquí, se encuentran algunos efectos de sesgo en las relaciones de corriente, donde su distribución media no está en 1. Para asegurar que solo el daño resultante de efectos de carga de plasma se contabilice, R se normaliza como relación de corriente normalizada, como se describe en la Fig. 9. En el gráfico de distribución a través del centro de la oblea, R_N de dispositivos de patrón tipo I sigue bastante de cerca el nivel de estrés de plasma de grabadores PID. Por otro lado, R_N de dispositivos susceptibles a estrés bidireccional no puede explicarse completamente por los niveles PID registrados. Esto podría deberse a un nivel R_N significativamente mayor en dispositivos de patrón II, como resultado de eventos adicionales de carga de iones a través de la oblea.

Conclusiones

El efecto de carga inducido por plasma en la integridad de películas IMD se investiga a través de patrones de prueba diferenciales recién propuestos en plataformas avanzadas FinFET Cu BEOL. Daños en forma de ruptura temprana y aumento de SILC en capas IMD se encuentran directamente correlacionados a los niveles de carga de plasma a través de obleas de 12 pulgadas.

Disponibilidad de Datos y Materiales

No aplicable.