Avaliação de Danos Induzidos por Plasma em Dielétricos Intermetálicos em Processos FinFET Cu BEOL

Resumo

Interconexões de alta densidade, habilitadas por tecnologias avançadas de Cu BEOL CMOS, levam a camadas metálicas colocadas próximas. Linhas metálicas de alta proporção de aspecto requerem extensos processos de gravação a plasma, que podem causar preocupações de confiabilidade em camadas dielétricas intermetálicas (IMD). Este estudo apresenta padrões de teste recém-propostos para avaliar o efeito do efeito de carregamento induzido por plasma na integridade do IMD entre linhas metálicas próximas. Fortes correlações entre intensidades de carregamento de plasma e danos encontrados em camadas IMD são encontradas e analisadas abrangentemente.

Introdução

Processos BEOL (back-end of line) baseados em Cu têm sido amplamente utilizados à medida que as tecnologias migram para o regime sub-100 nm. Interconexões compactas consistem de vias e linhas metálicas de alta proporção de aspecto tornadas possíveis por uma série de processos de gravação aprimorados por plasma [1,2,3]. É bem conhecido que tratamentos de plasma de alta energia podem levar a degradação significativa e danos latentes em pilhas dielétricas de porta de transistores, que se acredita serem o principal caminho de descarga durante eventos de carregamento induzidos por processo. Para prevenir preocupações de confiabilidade na qualidade do dielétrico de porta, fabricantes de CI tipicamente fornecem regras e diretrizes de projeto que limitam o tamanho e comprimento de camadas de interconexão metálica [4, 5]. Com o aumento do número de camadas metálicas em sistemas de fiação complexos, é difícil evitar caminho de descarga através de filme dielétrico intermetálico durante carregamento induzido por processo. Com a introdução de material low-k em processos BEOL [6, 7], aliviando problemas agravados de atraso RC, os filmes de isolamento podem ser mais suscetíveis a tensões de carregamento [8, 9]. Danos resultantes de tensões induzidas por carregamento de plasma em estruturas de interconexão compactas responsáveis por realizar as intrincadas fiações BEOL podem afetar grandemente o rendimento e a confiabilidade de CIs CMOS avançados. Neste estudo, incorporamos gravadores PID in situ previamente relatados [10,11,12], com padrões de teste diferenciais recém-propostos para monitorar possível dano ao IMD quando caminho de descarga adicional torna-se possível sob processos avançados Cu BEOL. Níveis de carregamento de plasma relatados pelo gravador em diferentes locais através da wafer podem ser correlacionados com dano de carregamento de plasma em filmes IMD através dos novos padrões de teste. Comportamentos de falha induzidos por tensão em estruturas IMD podem então ser facilmente revelados através desses padrões de teste que podem ser usados em estrutura de teste padrão para monitoramento de rotina de novos modos de falha e possíveis preocupações de confiabilidade do IMD.

Estrutura do Dispositivo e Metodologia

Resultados de análise de falha em circuitos integrados FinFET sugerem que danos latentes de aumento de estados de armadilha dentro de camadas dielétricas intermetálicas entre duas estruturas de interconexão isoladas próximas podem ocorrer, como ilustrado na Fig. 1. À medida que a largura de linha e espaçamento entre via e interconexões metálicas reduzem agressivamente em processos BEOL CMOS avançados, cargas coletadas em grandes fios metálicos, servindo como antenas, podem descarregar através do IMD entre metais e vias/portas e fios metálicos, resultando em tensões de alto campo e/ou alta corrente nesses filmes dielétricos. Ao colocar o gravador PID in situ [10,11,12] ao lado dos dois padrões de teste diferenciais em cada die, os níveis de referência de carregamento de plasma através de uma wafer de 12 polegadas podem primeiro ser estabelecidos.

Para garantir que a corrente de carregamento de plasma passe pela camada dielétrica entre camadas metálicas, o nó M2 no padrão de teste na Fig. 2 é isolado antes da fabricação da estrutura de antena. Dois novos projetos de padrões de teste diferenciais destinados a aumentar a possibilidade de causar dano latente durante tensões de carregamento de plasma são propostos e ilustrados na Fig. 2a, b. O dispositivo com padrão tipo I experimentará apenas tensão de alta corrente quando elétrons forem coletados em sua antena correspondente. Isso porque a corrente de descarga é retificada pela junção n+/p em série no caminho condutivo. Enquanto isso, o dispositivo com padrão tipo II é submetido a tensões em ambas as direções [13]. Ou seja, tanto carregamento de íons quanto de elétrons serão registrados neste dispositivo de monitoramento. Consequentemente, amostras neste estudo são feitas pelo processo padrão FinFET/Cu BEOL no nó de tecnologia de 16 nm. As estruturas de antena em um gravador PID assim como os dispositivos com padrões tipo I e II colocados em cada die são todos projetados com uma grande estrutura de metal 3. Ambos os tipos de dispositivos de monitoramento são projetados com configuração diferencial, que pode acentuar e subsequentemente minimizar ruído de desalinhamento que poderia levar a leituras falhas nos efeitos PID.

Resultados Experimentais e Discussão

Dados na Fig. 3 são obtidos aplicando uma varredura de tensão no metal 2 de 0-20 V à taxa de varredura de 0,7 V/seg, enquanto a tensão de ruptura e corrente de vazamento do IMD em qualquer lado de alguns dispositivos diferentes com padrão de teste I podem então ser obtidos e comparados. Durante a fabricação da grande antena M3 de 82.000 μm², o processo de plasma é esperado para induzir carregamento da antena. A carga acumulada é esperada para descarregar através do caminho com a menor resistência. Dados revelam que algumas amostras exibem ruptura dielétrica precoce, enquanto o IMD em outros dispositivos permanece relativamente intacto com baixa vazamento.

Em um evento de carregamento, espera-se que o lado mais fraco sirva como caminho de descarga dominante, levando a desequilíbrio mais proeminente no nível de danos entre esquerda e direita. Portanto, apenas dispositivos com grande diferença de V_BD entre os lados esquerdo e direito são mais prováveis de resultar de carregamento de plasma. Portanto, o menor V_BD na ruptura do IMD em um par é registrado como o nível correlacionado ao nível de tensão PID. A Figura 4a mostra três tipos típicos de características encontradas em amostras em diferentes dies através de uma wafer. Essas amostras podem ser categorizadas como grupos sem ruptura em nenhum lado, ruptura de um lado ou ruptura de ambos os lados. A porção de dispositivos mostrando as características particulares de cada grupo é mostrada no gráfico de pizza da Fig. 4b. Verificou-se que amostras sem antena têm chance muito menor de ter características de ruptura de um lado. Comportamentos simétricos em ambos os lados são encontrados na maioria dos dispositivos que não experimentaram tensão de carregamento de plasma. Isso sugere ainda que a maioria das características assimétricas em um par diferencial vêm de tensões de carregamento quando a estrutura de antena está anexada.

Usando o V_BD obtido pelo método acima, os mapas de wafer do nível PID e V_BD de dispositivos dos padrões tipo I e II são comparados na Fig. 5. Alta similaridade entre mapas de wafer do V_BD de ambos os tipos de dispositivos de monitoramento e os níveis de referência de carregamento correspondentes é obtida do gravador PID, veja Fig. 5a. A tensão PID acredita-se registrar eventos de carregamento de elétrons e íons durante processos metálicos [14]. No entanto, amostras através de uma wafer são encontradas predominantemente sujeitas a mais carregamento de elétrons do que de íons [14]. Acreditamos que alguma correlação regional pode ser vista entre a wafer na Fig. 5a, b. Enquanto o mapa de wafer na Fig. 5c do padrão II que não mostra similaridade óbvia àquela na Fig. 5a sugere que tensão bidirecional [15] pode levar a efeito secundário nas camadas dielétricas, que precisa de investigação adicional. Tensões de ruptura medidas dos novos padrões de teste vs. níveis PID de referência comparados na Fig. 6 revelam ainda que quanto maior o nível PID em um die, menor seu V_BD nos novos padrões de teste. Além disso, correlações negativas significativas entre V_BD e níveis de carregamento de plasma podem ser estabelecidas. Para investigar o efeito de tensões unidirecionais e bidirecionais no dano ao IMD, V_BD medido de dispositivos com padrões tipo I e tipo II é resumido e comparado na Fig. 7. A distribuição de V_BD obtida de dispositivos em 60 dies através de wafers indica que dispositivos experimentando tensões de carregamento bidirecional são mais propensos a mostrar ruptura do IMD a uma tensão mais baixa. Isso pode ser explicado pelo nível de tensão assimétrico à medida que a polaridade muda através de um IMD [16]. Além disso, corrente de vazamento induzida por tensão (SILC) medida com 10 V através da camada dielétrica é outro indicador para o aumento de estados de armadilha [17] dentro do filme IMD. Para minimizar ainda mais o efeito de variação die-a-die causado por variação de processo, a razão de vazamento de cada par é usada como índice para avaliar ainda mais o dano ao IMD. A Figura 8 mostra que essencialmente não há correlação entre a razão de corrente de vazamento nos dois tipos de dispositivos no mesmo die. Ou seja, desalinhamento entre camadas metal 1 e via2 tem efeitos mínimos em ambos os padrões. Observa-se que a razão de corrente, R, definida como I_LR/I_LL, é um índice melhor para remover ruído de variação die-a-die nesses padrões. Em dispositivos completamente não polarizados, a tensão de carregamento principal ocorre na direita ou esquerda que deve ser completamente aleatória. Aqui, alguns efeitos de viés são encontrados nas razões de corrente, onde sua distribuição média não está em 1. Para garantir que apenas o dano resultante dos efeitos de carregamento de plasma sejam contabilizados, R é a razão de corrente normalizada, como descrito na Fig. 9. No gráfico de distribuição através do centro da wafer, R_N de dispositivos do padrão tipo I segue de perto o nível de tensão de plasma dos gravadores PID. Por outro lado, R_N de dispositivos suscetíveis a tensão bidirecional não pode ser totalmente explicado pelos níveis PID registrados. Isso pode ser causado por nível R_N significativamente mais alto em dispositivos do padrão II, como resultado de eventos adicionais de carregamento de íons através da wafer.

Conclusões

O efeito de carregamento induzido por plasma na integridade de filmes IMD é investigado através de padrões de teste diferenciais recém-propostos em plataformas avançadas FinFET Cu BEOL. Danos na forma de ruptura precoce e aumento de SILC em camadas IMD são encontrados diretamente correlacionados aos níveis de carregamento de plasma através de wafers de 12 polegadas.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Não aplicável.