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HINTERGRUND
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht das Prioritätsrecht aus der US-Patentanmeldung mit der Anmelde-Nr. 12/563,437 und dem Titel „IN-LINE CHARACTERIZATION”, eingereicht beim amerikanischen Patent- und Markenamt (United States Patent and Trademark Office) am 21. September 2009, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung zielen auf eine Inline-Charakterisierung mit Temperaturprofilerstellung ab.
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Eine zuverlässige Inline-Charakterisierung spielt bei der Entwicklung neuer Technologien und in der Produktherstellung eine immer entscheidendere Rolle. Zumindest ein Grund dafür liegt darin, dass bestimmte Mechanismen, welche die Zuverlässigkeit mindern, relativ empfindlich auf die Wahl der anzuwendenden Fertigungsprozesse und der in den Prozessen verwendeten Materialien reagieren. Beispiele dafür sind Verschlechterungen hervorrufende Mechanismen (degradation mechanism), die zu einer Temperaturinstabilität bei Vorspannung (BTI, bias temperature instability) führen und daher zumindest in modernen integrierten Schaltungstechnologien (IC-Technologien) bezüglich der Zuverlässigkeit das Hauptproblem darstellen.
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Eine genaue Inline-BTI-Prüfung ist jedoch nicht allgemein möglich, da sich die zu prüfenden Einheiten nach einem Punkt, z. B. dem Prüfbeginn, wenn die Belastung zurückgenommen wird, von der angewendeten Belastung tendenziell relativ schnell erholen (d. h. schnelle Erholung). Die Tendenz von Einheiten zu einer schnellen Erholung ist insbesondere bei erhöhten Belastungstemperaturen ein Problem. In diesen Fällen besteht eine negative Temperaturinstabilität bei Vorspannung (NBTI) in P-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (PMOSFETs) üblicherweise aus zwei Verschlechterungen hervorrufenden Mechanismen, darunter zum Beispiel das Entstehen eines Grenzflächenzustands (interface-state) zwischen einem Kanal (Si) und Gate-Isolierstoffen (wie zum Beispiel SiO2). Das Entstehen eines Grenzflächenzustands ist ein durch Wärme ausgelöster Prozess, der die Leistungsfähigkeit der Einheit und des Schaltkreises beeinträchtigt.
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Es wurde beobachtet, dass sich die NBTI-Verschiebung auf Grund des Entstehens eines Grenzflächenzustands während der Prüfung von Einheiten schnell erholt, wenn die Belastungsvorspannung nicht mehr anliegt. Zur Erfassung der tatsächlichen Verschlechterung vor der Erholung werden spezielle Hochgeschwindigkeitsinstrumente benötigt. Die Verwendung derartiger Instrumente ist in Fertigungsumgebungen allgemein nicht praktikabel.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die eine wärmeisolierte zu prüfende Einheit enthält, an die nacheinander eine erste bzw. zweite Spannung angelegt wird, ein lokales Heizelement, um die zu prüfende Einheit im Wesentlichen gleichzeitig auf eine erste bzw. zweite Temperatur zu erwärmen, während nacheinander die erste bzw. zweite Spannung angelegt wird, und die eine Temperaturmesseinheit zum Messen der Temperatur der zu prüfenden Einheit enthält.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die eine wärmeisolierte zu prüfende Einheit enthält, an die nacheinander eine erste bzw. zweite Spannung angelegt wird, und die ein lokales Heizelement enthält, um die zu prüfende Einheit unabhängig von dem aufeinanderfolgenden Anlegen der ersten bzw. zweiten Spannung auf eine erste bzw. zweite Temperatur zu erwärmen, und die einen Sensor zum Messen einer Eigenschaft der zu prüfenden Einheit enthält.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Durchführen einer Inline-Prüfung einer zu prüfenden Einheit bereitgestellt, welches das Wärmeisolieren der zu prüfenden Einheit beinhaltet, wobei eine erste bzw. zweite Spannung an die zu prüfende Einheit angelegt wird, wenn die zu prüfende Einheit wärmeisoliert ist, und die zu prüfenden Einheit während des Anlegens der Spannungen, jedoch unabhängig von dem Anlegen der Spannungen, auf eine erste bzw. zweite Temperatur erwärmt wird.
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KURZE BESCHREIBUNGEN DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Der als Erfindung angesehene Gegenstand wird insbesondere in den Ansprüchen zum Schluss der Beschreibung dargelegt und eindeutig beansprucht. Obige und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1 eine grafische Darstellung einer Prüfmethodik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine grafische Darstellung einer Prüfmethodik gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine grafische Darstellung einer Prüfmethodik gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine grafische Darstellung einer Prüfmethodik gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine grafische Darstellung einer Prüfmethodik gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
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6A und 6B schematische Abbildungen einer Struktur einer zu prüfenden Einheit;
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7 einen Ablaufplan, der ein Verfahren zur Durchführung einer Inline-Prüfung der Strukturen aus den 6A und 6B veranschaulicht;
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8 eine schematische Abbildung einer Struktur einer zu prüfenden Einheit; und
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9 einen Ablaufplan, der ein Verfahren zur Durchführung einer Inline-Prüfung der Struktur aus 8 veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein schneller Temperaturwechsel zwischen einem Belastungszustand und einem Prüfzustand einer zu prüfenden Einheit (DUT, device under test) beschleunigt den Verschlechterungen hervorrufenden Mechanismus der einer Inline-Überwachung zu unterziehenden DUT während des Belastungszustands und „friert” dann die Verschlechterung während des Prüfzustands „ein” bzw. unterbricht diese, um eine Erholung zu vermeiden. Eine Prüfung der Belastung der DUT bezüglich einer Temperaturinstabilität bei Vorspannung (BTI) kann somit bei höheren Temperaturen durchgeführt werden, um die Verschiebung zu beschleunigen, während eine anschließende Prüfung bei niedrigeren Temperaturen ausgeführt werden kann, um eine tatsächlich durch BTI verursachte Verschiebung zu erfassen, bevor eine nennenswerte Erholung einsetzt. Die dafür eingesetzten Methodikern und Strukturen ermöglichen problemlose und schnelle Temperaturänderungen während der Inline-Prüfung, so dass eine allgemeine Charakterisierung von temperaturabhängigen Eigenschaften der Einheit realisiert werden kann.
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Normalerweise erfolgt das Prüfen eines Inline-BTI-Mechanismus der DUT zum Beispiel durch Erhöhen der Temperatur einer Spannvorrichtung (chuck), auf dem sich die DUT befindet, um einen Belastungszustand zu erzeugen sowie durch Beibehalten der Temperatur der Spannvorrichtung während dieses Belastungszustand. Die Temperatur der Spannvorrichtung liegt üblicherweise bei etwa 85°C oder darüber, um die Verschlechterung der DUT zu beschleunigen. Nachdem die Spannvorrichtungstemperatur stabilisiert wurde, was normalerweise etwa 30 Minuten dauert, wird die DUT für einen gewissen Zeitraum, der üblicherweise etwa 10 Sekunden dauert, an einem Belastungspunkt vorgespannt. Das Vorspannen kann sich auf das Anlegen einer elektrischen Belastungsspannung an die DUT beziehen. Nach der Belastungsdauer wird die Spannung auf einen Prüfpunkt gesenkt und dort stabilisiert, bevor die ersten Prüfdaten erfasst werden. Dies kann innerhalb von etwa 1 Sekunde geschehen.
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Die Reihe von durchzuführenden Prüfungen kann mehrere Drain-Strom/Gate-Spannungs-Kurven mit verschiedenen Vorspannungszuständen an jedem Knoten beinhalten, und der vollständige Prüfablauf dauert normalerweise länger als ein paar Sekunden, um die durch BTI ausgelösten Verschiebungen in den Parametern der Einheit vollständig zu charakterisieren. In jedem Fall verbleibt die Temperatur der Spannvorrichtung selbst während des Prüfablaufs auf der erhöhten Belastungstemperatur. Folglich stellen die Ergebnisse lediglich die Ergebnisse einer erholten Einheit dar und spiegeln nicht die tatsächliche Verschlechterung der DUT wider. In einem Beispiel kann es nach einer Verzögerung in einer Prüfung von lediglich einer Sekunde zu einer Erholung von etwa 50% kommen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird eine neue Prüfmethodik bereitgestellt. Hier wird die Temperatur der Spannvorrichtung auf oder um Raumtemperatur oder sogar niedriger gehalten, während die erhöhte Belastungstemperatur durch ein integriertes lokales Heizelement erzielt wird, das sich nahe oder neben der DUT befindet. Das lokale Heizelement kann aus Widerstandselementen wie dotierten Polysiliziumstreifen, Diffusionswiderständen bzw. Back-End-of-Line-(BEOL-)TaN-Widerständen bestehen, die eine örtlich begrenzte Erwärmung von mehr als 100°C bereitstellen können. Ein Maß der örtlich begrenzten Erwärmung stellt die in dem lokalen Heizelement umgesetzte Leistung dar, die durch Einstellen der Versorgungsspannung gezielt dimensioniert werden kann, um einen großen Temperaturbereich für verschiedene Belastungs- und Prüfzustände zu erreichen. Die für das Erreichen der ausgewählten Temperatur mit dem lokalen Heizelement benötigte Zeit liegt in der Größenordnung von Millisekunden (ms). Da die örtlich begrenzte Erwärmung im Wesentlichen unmittelbar nach dem Ausschalten des lokalen Heizelements beseitigt wegfällt, kann folglich ein Inline-Prüfzustand nach einem Belastungszustand mit relativ hoher Zeit- sowie Temperaturauflösung durchgeführt werden. Dies ermöglicht auch das Erzielen von genauen Ergebnissen, bevor die Entspannung einsetzt.
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Insbesondere erwärmt das lokale Heizelement wie in 1 gezeigt die DUT auf die lokale Belastungstemperatur Tlocal stress, während an die DUT für die Dauer des Belastungszustands eine Spannung Vstress angelegt wird. Wenn die Prüfbedingung gestartet wird, wird das lokale Heizelement ausgeschaltet, und die lokale Temperatur kehrt unverzüglich auf die Temperatur der Einspannvorrichtung Tlocal test zurück, während die angelegte Spannung auf Vtest herabgesetzt wird. An diesem Punkt beginnt die Messung der Verschlechterung der DUT, z. B. eine Messung der Änderung des Drain-Stroms ΔId durch die DUT.
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Da die lokale Temperatursteuerung unabhängig von einer Spannungs-/Stromvorspannung sein kann, kann eine große Vielfalt von Temperatur-/Vorspannungsbelastungen und Prüfzuständen durchgeführt werden. 2 zeigt zum Beispiel einen anderen Belastungs-/Prüfablauf mit einer Prüfung einer vor dem Belastungsvorgang neu hinzugefügten, frischen Einheit bei einer relativ niedrigen Temperatur T0. Im Ablauf der 2 geht einer Methodik, die gleichartig wie die Methodik aus 1 ist, ein Anfangszustand während T0 voraus, wenn die lokale Temperatur bei Tchuck und die angelegte Spannung bei Vtest liegen.
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Wie in 3 gezeigt, kann ein anderer Ablauf als Belastungszustand mit relativ hoher Temperatur AC, gefolgt von einem Prüfzustand mit niedriger Temperatur charakterisiert werden. In einem anderen in 4 gezeigten Fall zeichnet sich der Ablauf durch Belastungsbedingungen mit Wärmezyklen aus, bei denen eine Widerstandsänderung ΔR bei einer relativ niedrigen Temperatur als Zwischenergebnis bewertet wird. In noch einem anderen Fall wird der Ablauf wie in 5 gezeigt als allgemeine Einheiten-Inline-Charakterisierung von temperaturabhängigen Eigenschaften der Einheit verstanden, wobei die Messung des Steuerstroms als Funktion der Temperatur Ion (T) der DUT vorgenommen wird.
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Unter Bezugnahme auf die 6A und 6B werden eine Struktur 60 bzw. eine Vorrichtung zur Umsetzung der Inline-Prüfmethodik gezeigt. In der Struktur 60 ist eine DUT 61 (d. h. Einheit A) von einem lokalen Heizelement 62 umgeben, z. B. von Diffusionswiderständen oder anderen geeigneten Einheiten, und sie ist von einem Wärmeisolator 63 umschlossen, um die Wirksamkeit der Heizung zu erhöhen. Bei dem Wärmeisolator 63 kann es sich zum Beispiel um eine Grabenisolation (STI, shallow-trench isolation), um die DUT 61 angelegte Luftspalte und/oder vergrabene Oxide (BOX, buried oxides) handeln, die unterhalb der DUT 61 in Silizium-auf-Isolator-(SOI-)Technologien angeordnet sind. Eine Temperaturmesseinheit 64 wie ein Widerstand, ein Metalldraht, eine Diode oder eine andere geeignete Einheit kann nahe oder neben der DUT 61 innerhalb des lokalen Heizelements 62 hinzugefügt werden, um eine Temperatur innerhalb eines Bereichs, der von Interesse ist, zu überwachen. Andere Kennwerte der DUT 61 wie Änderungen des Drain-Stroms, Änderungen des Widerstands oder Änderungen des Steuerstroms können durch externe Prüfvorrichtungen über mit der DUT 61 verbundene Prüfkontakte ermittelt werden. Wie in 6B gezeigt, ist eine Prüfeinheit 67 nahe der DUT 61 angeordnet, um eine Verbindung mit externen Prüfvorrichtungen herzustellen und das Prüfen der DUT 61 durchzuführen.
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Wie in 7 gezeigt, kann ein Verfahren zum Durchführen einer Inline-Prüfung unter Verwendung der Struktur aus den 6A und 6B das Einstellen der Temperatur T einer Spannvorrichtung in Arbeitsschritt 700 beinhalten. Anschließend wird eine Variable N auf 1 festgesetzt (Arbeitsschritt 710), eine lokale Temperatur wird mit Hilfe des lokalen Heizelements 62 eingestellt (Arbeitsschritt 720), und die lokale Temperatur wird mit Hilfe der Temperaturmesseinheit 64 überprüft (Arbeitsschritt 730). Falls festgestellt wird, dass die lokale Temperatur nicht innerhalb vorher festgelegter Parameter liegt (Arbeitsschritt 740), kehrt die Steuerung mit Hilfe der ersten Schleife 741 zu Arbeitsschritt 720 zurück. Falls andererseits in Arbeitsschritt 740 festgestellt wird, dass die lokale Temperatur innerhalb der vorher festgelegten Parameter liegt, wird für die N-te Belastungsprüfung eine Vorspannung an die DUT 61 angelegt (Arbeitsschritt 750). Dann werden Parameter der Einheit wie der Drain-Strom, der Widerstand und der Steuerstrom bei Zeitpunkt T(N) gemessen (Arbeitsschritt 760). Die Variable N wird dann auf N + 1 festgesetzt (Arbeitsschritt 770), und die Steuerung kehrt entlang der Schleife 771 zu Arbeitsschritt 710 zurück.
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Unter Bezugnahme auf 8 kann zur weiteren Erhöhung einer Empfindlichkeit der Inline-Prüfung bei der Charakterisierung von temperaturabhängigen Eigenschaften der Einheit eine Bezugs-DUT 65 (d. h. Einheit B) außerhalb des Heizbereichs hinzugefügt werden, die während der gesamten Messung die Temperatur der Spannvorrichtung beibehält. Die Prüfknoten der DUT 61, z. B. ein Drain eines MOSFET-Transistors, eine Anode eines Widerstands usw., und die der Bezugs-DUT 65 werden einem Differenzverstärker 66 zugeführt, um die Differenz zwischen der DUT 61 und der Bezugs-DUT 65 zu bestimmen. Deshalb können die temperaturabhängigen Eigenschaften der Einheit bezogen auf die Bezugs-DUT 65 mit relativ verbesserter Genauigkeit charakterisiert werden. Wie in 6A gezeigt, kann die Bezugs-DUT 65 innerhalb des Wärmeisolators 63 angeordnet werden und ohne Hilfe des Differenzverstärkers 66 für Vergleichsmessungen bezogen auf die der DUT 61 verwendet werden.
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Wie in 9 gezeigt, kann ein Verfahren zum Durchführen einer Inline-Prüfung unter Verwendung der Struktur aus 8 das Einstellen der Temperatur T einer Spannvorrichtung in Arbeitsschritt 900 beinhalten. Anschließend wird eine Variable N auf 1 festgesetzt (Arbeitsschritt 910), eine lokale Temperatur wird mit Hilfe des lokalen Heizelements 62 eingestellt (Arbeitsschritt 920), und die lokale Temperatur wird mit Hilfe der Temperaturmesseinheit 64 überprüft (Arbeitsschritt 930). Falls festgestellt wird, dass die lokale Temperatur nicht innerhalb vorher festgelegter Parameter liegt (Arbeitsschritt 940), kehrt die Steuerung mit Hilfe der ersten Schleife 941 zu Arbeitsschritt 920 zurück. Falls andererseits in Arbeitsschritt 940 festgestellt wird, dass die lokale Temperatur innerhalb der vorher festgelegten Parameter liegt, wird für die N-te Belastungsprüfung eine Vorspannung an die DUT 61 sowie an die Bezugs-DUT 65 angelegt (Arbeitsschritt 950). Dann werden Einheiten-Parameter der DUT 61 sowie der Bezugs-DUT 65 wie der Drain-Strom, der Widerstand und der Steuerstrom am Zeitpunkt T(N) gemessen (Arbeitsschritt 960), und die Messungen werden verglichen (Arbeitsschritt 965). Die Variable N wird dann auf N + 1 festgesetzt (Arbeitsschritt 970), und die Steuerung kehrt entlang der Schleife 971 zu Arbeitsschritt 910 zurück.
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Obwohl die Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass diverse Änderungen durchgeführt und Elemente durch gleichwertige ersetzt werden können, ohne von dem Umfang der Offenbarung abzuweichen. Außerdem können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material den Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Umfang dieser abzuweichen. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die bestimmten beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, die als beste Art zur Durchführung dieser Offenbarung angesehen beschrieben wurden, sondern dass die Offenbarung sämtliche Ausführungsformen beinhaltet, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.
