Détecteur à large plage d'effet de charge induit par plasma pour les processus BEOL CMOS avancés

Introduction

Ces dernières années, l'évolution de la technologie des procédés de semi-conducteurs continue de réduire la dimension critique dans les circuits intégrés à grande échelle [1,2,3]. Les processus logiques FinFET avancés sont devenus plus complexes pour réaliser des transistors plus compacts dans des puces Si multifonctionnelles et plus puissantes. Les étapes de gravure ionique réactive améliorées par plasma [4, 5] deviennent inévitables dans les processus avancés à l'échelle nanométrique pour obtenir des structures à rapport d'aspect élevé qui sont essentielles pour les circuits à haute densité de compactage [6]. Pour les nœuds de technologie CMOS au-delà de 45 nm, les grilles des transistors sont passées de la grille conventionnelle en polysilicium avec du dioxyde de silicium à des empilements de grilles métalliques à k élevé [7, 8]. Ce changement rend les dispositifs plus sensibles aux dommages induits par le plasma et pourrait entraîner des dommages latents imprévus aux couches diélectriques à k élevé. [9]. Dans les processus de fabrication de pointe des FinFET, de nombreuses étapes de plasma RF telles que les processus de gravure, de dépôt et de nettoyage sont inévitables, ce qui crée des fréquences plus élevées d'événements de charge induits par le plasma [10]. Des charges positives et négatives sur les structures métalliques peuvent se produire. Comme ces charges circulent à travers les chemins conducteurs constitués de lignes métalliques préexistantes, via et contacts, la décharge indésirable à travers les parties vulnérables des circuits, en particulier à travers le diélectrique de grille du transistor peut conduire à des problèmes de fiabilité importants. Par exemple, dans l'étape de gravure sèche, la diffusion d'ions et de matériaux pulvérisés à la surface de réaction provoque plus de défauts dans les ailettes en vrac [11, 12]. Pour éviter que l'événement de charge plasma ne provoque des dommages irréversibles aux circuits, des règles de conception qui limitent la taille des structures métalliques sont données. Un autre exemple d'atténuation du PID comprend l'utilisation de diodes de protection, qui pourraient dériver le courant de charge du plasma loin des circuits sensibles [13]. L'introduction de l'oxyde de grille In-Situ Steam Generation (ISSG) a permis d'améliorer sa tolérance aux dommages causés par le plasma [14]. De plus, le rognage de la chambre et la modification du processus de dépôt de PECVD-Ti ont également permis d'atténuer les dommages induits par le plasma [15]. Cependant, la plupart de ces méthodes entraînent des limitations indésirables de la flexibilité de la conception des circuits ou des compromis de traitement.

Classiquement, des modèles de test sur plaquette ont été utilisés pour surveiller les niveaux de dommages induits par le plasma (PID) [16]. Le paramètre le plus courant et le plus largement utilisé pour surveiller le PID sur plaquette est les caractéristiques de temps de claquage (TDDB) des grilles de transistor avec de grandes structures d'antenne. Les dommages latents sur les diélectriques de grille peuvent être révélés en mesurant la dégradation de la couche diélectrique de grille sous des tests de contrainte de tension ou de courant. Par conséquent, ces modèles ne sont pas en mesure de fournir une rétroaction en temps réel sur les processus plasma [17]. Dans nos travaux précédents, un détecteur d'effet de charge induit par plasma sur plaquette est démontré dans les technologies avancées FinFET. Le détecteur PID utilise une structure de couplage capacitif pour induire une réponse sur la grille flottante [18,19,20]. Par conséquent, la couche diélectrique de grille n'est pas endommagée comme c'est le cas dans un détecteur PID conventionnel. Sur ces nouveaux détecteurs, on mesure les courbes I-V de décalage pour connaître à la fois l'intensité, la durée ainsi que la polarité des charges sur la grille de l'antenne. Il s'avère que ces détecteurs peuvent être soumis à un effet de saturation lorsque l'intensité du plasma sur certains sites d'enregistrement dépasse des niveaux critiques. Pour étendre la plage dynamique du détecteur PID, de nouvelles conceptions de grille d'antenne ont été étudiées dans ce travail, où l'élargissement des plages de détection est démontré avec succès.

Méthodes

Le schéma 3D du détecteur de dommages induits par plasma (PID) avec un condensateur parasite connecté au nœud d'antenne est illustré à la Fig. 1a. A la différence de la structure de surveillance PID, ce détecteur utilise une longue fente de contact pour coupler la tension d'antenne sur la grille flottante. La photographie MET en coupe est illustrée à la Fig. 1b. Comme le montre la figure, les fentes de contact qui collectent les charges sont couplées capacitivement à la grille flottante.

un Les illustrations 3D du détecteur PID in-situ précédemment rapporté et du condensateur d'antenne sont mises en évidence dans cette structure. b La photo TEM du détecteur PID, où la longueur de porte de ce détecteur est de 140 nm

La figure 2 compare les distributions de tension de seuil enregistrées par ces détecteurs sur une plaquette de 12 pouces. Le décalage de tension de seuil négatif indique que des charges négatives ont été collectées sur l'antenne, attirant des charges positives dans la grille flottante, entraînant des décalages de tension de seuil négatifs. On constate qu'à mesure que la surface de l'antenne augmente, la capacité totale croissante entraîne une baisse des tensions globales de l'antenne, d'où un décalage plus petit de V _t .

Plage de tension de seuil d'échantillons avec différentes tailles d'antenne, et la capacité totale correspondante sur l'antenne

Ici, sur la figure 3a, l'organigramme expliquant les principes de fonctionnement de base du détecteur PID est présenté. Comme la charge plasma (Q _Fourmi ) sont collectés sur l'antenne, le potentiel de la grille d'antenne, V _Fourmi , varie. V _Fourmi est ensuite couplé à la grille flottante (FG), favorisant l'effet tunnel des électrons dans ou hors de FG. Après les procédés plasma, V _t de ces détecteurs peuvent devenir plus négatifs ou plus positifs en fonction de la polarité de Q _Fourmi . V _t peut être calculé par le modèle de courant tunnel FN avec le paramètre répertorié dans la figure 3b.

un L'organigramme des charges plasma (Q _Fourmi ) collecté sur l'antenne pour décaler V _t . Basé sur le modèle de tunneling FN, ΔV _t peut être calculé. b La liste des paramètres avec ses définitions

La figure 4 illustre toutes les capacités possibles sur le détecteur PID basé sur FG. D'après la figure 5, on constate que lorsque la surface de l'antenne augmente, ΔV _t a tendance à saturer. Comme V _Fourmi atteint les niveaux maximum, Q _Fourmi commence à fuir lorsque le niveau de tension est trop élevé. Pour éviter que le niveau de flux de plasma dépasse la limitation du détecteur, la capacité de l'antenne est délibérément augmentée en ajoutant des condensateurs de charge qui pourraient réduire la proportion de la capacité de l'antenne dans la capacité totale.

Composition de la capacité sur la structure de l'antenne avec le condensateur de charge supplémentaire, qui est conçu pour modifier la sensibilité des détecteurs PID. Où C _P est la capacité parasite globale sur la grille flottante

Le niveau de tension de seuil ainsi que le niveau de tension d'antenne projeté saturent sur les modèles avec une zone d'antenne accrue

La figure 6a montre la structure 2D du détecteur PID in-situ précédemment rapporté, et trois structures de réalisation de condensateurs supplémentaires sont présentées. Ce sont des condensateurs MOM, qui utilisent la plus grande zone de chevauchement des couches métalliques pour augmenter la capacité totale de la figure 6b, des condensateurs STI, qui augmentent la capacité en ajustant la longueur de la grille métallique de la figure 6c, et des condensateurs à paroi latérale, qui utilisent la zone de chevauchement de la grille métallique et du contact pour former un condensateur supplémentaire Fig. 6d.

Illustration en coupe de a le détecteur PID in-situ, et ceux avec un condensateur de charge supplémentaire réalisé par b MAMAN, c IST, et d paroi latérale, respectivement

Résultats expérimentaux et discussion

La figure 7 compare la capacité totale par rapport aux rapports d'antenne lorsque différents types de condensateurs de charge sont ajoutés. La capacité totale est dominée par la capacité de l'antenne lorsque le rapport d'antenne est supérieur à 1 K.

Comparaison de la capacité totale par rapport aux rapports d'antenne lorsque les trois types de condensateurs de charge sont ajoutés

Lorsque la capacité de charge ajoutée devient comparable à la capacité de l'antenne, la capacité totale peut alors être affectée par les condensateurs de charge. Etant donné que le montant maximum des charges collectées par l'antenne est fixe; en augmentant la capacité totale, ΔV est attendu diminué, selon ΔQ = C ΔV . Ainsi, la sensibilité de la plage de détection pourrait être supprimée, empêchant l'effet de saturation lorsque le niveau de charge du plasma dépasse ses limites d'origine. Les caractéristiques de courant de drain pour les appareils de AR = 10 avec différents condensateurs STI sont comparées à la Fig. 8. Lorsqu'un condensateur de charge plus grand est ajouté, le pourcentage de capacité d'antenne dans la capacité totale est réduit. Sous le même flux de charge plasma, les charges plasma totales après une période sont proportionnelles à la surface de l'antenne. Par conséquent, lorsque la capacité globale augmente, V _Fourmi devrait être abaissé, permettant la détection de niveaux élevés de flux de plasma. Comme le montre la figure 8, des décalages plus faibles se trouvent sur les courbes I-V pour les échantillons avec des condensateurs de charge supplémentaires.

Courbe I-V de différentes tailles de condensateur STI avec AR = 10. Lorsque la capacité externe est plus grande, la courbe I-V est plus proche de celle des cellules de référence

Des diagrammes en boîte des tensions de seuil mesurées à partir d'échantillons avec AR = 1 K et différentes tailles de condensateurs MOM, STI et Sidewall sont comparés sur la Fig. 9 Lorsque la capacité de charge est augmentée, moins de décalage de tension de seuil est observé en moyenne. Dans la conception expérimentale, C _L par la structure STI est trop petite pour montrer l'impact du niveau de charge. La comparaison de la figure 10 a suggéré que trois façons d'ajouter des condensateurs de charge peuvent également réduire efficacement la réponse moyenne à la charge du plasma. Le condensateur de charge supplémentaire peut étendre avec succès la plage de détection du détecteur PID, tandis que la sensibilité des détecteurs est réduite. Pour obtenir une détection à large plage du niveau de charge du plasma, une série de détecteurs PID avec différents niveaux de C _L peut être conçu dans un réseau 1D pour détecter les niveaux de charge plasma à la fois haut et bas.

Les tensions de seuil mesurées sur des échantillons avec différentes tailles de condensateurs MOM, STI et Sidewall sont comparées. Tous les appareils ont le même RA de 1 K

Comparaison du ΔV moyen _t contre C _L mis en œuvre par les trois types de structures de condensateurs, où ΔV _t est défini comme le V _t différence entre une cellule de détection et la cellule de référence. Les données suggèrent qu'une sensibilité réduite peut être obtenue en tant que C _L augmenté

Conclusions

Cette étude examine une nouvelle conception de grille d'antenne pour étendre la plage de détection des niveaux de charge induits par le plasma sur les détecteurs de surveillance PID. En ajoutant un condensateur de charge, une tension de grille d'antenne élevée sujette à une fuite de charge peut être évitée, ce qui permet d'enregistrer un niveau de charge plus élevé sur les détecteurs PID. Cette nouvelle conception élargit efficacement la plage de détection des niveaux de charge du plasma dans les processus CMOS BEOL avancés.

Disponibilité des données et du matériel

Non applicable.

Abréviations

PID :

Dommages induits par le plasma

V _t :

Tension de seuil

Q _Fourmi :

Charges sur l'antenne

V _Fourmi :

Tension d'antenne

MAMAN :

Métal-oxyde-métal

RA :

Rapport d'antenne

C _L :

Capacité de charge

C _P :

Capacité parasite

C _Fourmi :

Capacité d'antenne