FinFETBEOLプロセスにおけるプラズマ充電効果のリアルタイム検査用のChargeSpliting In Situ Recorder（CSIR）

背景

プラズマ強化プロセスは、多くの高アスペクト比構造と微細な金属線で構成されるフィン電界効果トランジスタ（FinFET）回路の形成に広く使用されています[1]。製造中、これらの3D組成を実現するためのエッチングと堆積のステップは、FinFETデバイスに大きなプラズマ誘起応力をもたらす可能性があります[2、3、4]。 CMOS FinFETテクノロジーが進歩するにつれて、金属の線幅とピッチはその高さよりも積極的に減少し、非常に細い線で定義される高アスペクト比のトレンチを形成する必要性が高まります。必然的に、これはトランジスタへのプラズマ誘起損傷（PID）の深刻さを促進し、回路の信頼性に対するそれに対応する影響は、FinFET技術を開発する際の重要な懸念事項の1つになります[5、6、7]。小さな接点、ビア、細い金属線を形成する際には、一般的に強力な電力と高選択性のプラズマが適用されます[8]。さらに、バルクフィンをエッチングする際に、フィン表面への反応性イオンのスパッタリングは、トランジスタの特性にとって重要なバルクフィンの欠陥につながる可能性があります[9]。フィンメタルゲートと高密度相互接続構造を可能にするために、複雑なメタルスタックが高度なFinFETテクノロジでより頻繁に使用されます[10、11]。さらに、高い- k 高度な技術で使用されるゲート誘電体は、通常、プラズマプロセス後の応力誘起トラップの強化につながります[12、13、14]。プラズマ充電中、狭いフィンを通って基板に至る放電経路は、ウェーハ全体にわたってより不均一な応力レベルにつながる可能性があります[15]。トランジスタのゲート酸化物にプラズマによって引き起こされる応力は、ゲート誘電体の完全性をさらに低下させることが知られています[16、17]。

ゲート誘電体膜のプラズマによる損傷は、信頼性の低下[21、22]の結果として、非常に不均一な充電シナリオでの性能低下、さらには歩留まりの低下[18、19、20]につながる可能性があります。したがって、高度なFinFETテクノロジでは、アンテナ構造を拡大したテストデバイスが一般にPID効果の監視に使用され、プロセスをさらに最適化するためのフィードバックを提供します。

PIDの最も一般的で広く使用されている測定値は、大きなアンテナ構造を持つテストサンプルの故障までの時間特性です。これらのPIDパターンの潜在的な損傷は、通常、ゲート誘電体層の時間依存劣化を測定することによって反映されるため、プラズマプロセスのリアルタイムフィードバックを提供できません[23]。さらに、従来のテストデバイスでは、プラズマによって誘発される充電率の発生源と極性、および/またはアンテナに蓄積する可能性のある最大値を知ることができません。アンテナ構造によって結合されたフローティングゲートを備えたPIDレコーダは、私たちの以前の研究[24、25]でその場検出機能を備えて提案されました。本研究では、電荷分割機能を備えた改良型PIDレコーダーを提案しました。共通のアンテナ構造に接続された順方向ダイオードと逆方向ダイオードを介して、新しい設計は正電荷と負電荷に別々のパスを提供します。したがって、両方の極性の充電レベルを個別に記録できます。小さなアンテナのみを必要とするこの新しい電荷分割インサイチュレコーダー（CSIR）は、ラインのミドルエンド（MEOL）プロセスにおけるプラズマ充電効果の将来の研究を可能にします。

メソッド

プラズマ充電極性

以前の研究では、ポリ層または金属層を形成する際のエッチングプロセス中に、プラズマの不均一性とアンテナ電位の変動が充電率の大幅な違いにつながる可能性があり、極性さえも異なる場所で変化する可能性があることが報告されています[24、 25]。プラズマチャンバー内のマクロ環境とマイクロパターンの両方が、ウェーハ上の帯電率の分布に影響を与える可能性があります[26]。つまり、バックエンドオブライン（BEOL）エッチングのプラズマ帯電率は、空間的かつタイムリーに変化します。無線周波数（RF）プラズマプロセス中に、ウェーハの表面に充電電流 J が流れます。 _p 、イオン電流 J で構成されます _i と電子電流 J _e [26]。イオン電流は時間とともにほぼ一定であり、イオン密度 J によって決定されます。 _i とボーム速度[26]。プラズマ電位 V _p （ t ）ゲート電位 V よりも高い _G ほとんどの場合、電子電流はプラズマ電位が最小に近い短い期間にのみ流れます。 Q 中 _FG プロセスでは、トンネル電流のバランスがとれるときに定常状態のゲート電圧に達するまで、電流のどの成分が大きいかに応じて、ゲート電圧が多くのRFサイクルにわたって増加または減少する可能性があります J _p アンテナに。図1に示すように、プラズマ充電率の分布 J _P （ x 、 y 、 t ）、さまざまな段階でのエッチングプロセス中のウェーハ全体で、大きさと極性の両方が変化します。ここで、式（1）のように表すことができます。 （1）ここで J _e 電子電流密度を表し、 J _i イオン電流密度を表します。

異なる時間でのエッチングプロセス中のウェーハの中心線におけるプラズマ誘起帯電率の分布。特定の場所でのプラズマ充電極性は、時間の経過とともに変化する可能性があります

プラズマ帯電の極性が異なると、アンテナ電荷が正または負になります。 Q _P 、異なる時間と場所で蓄積されます。明確にするために、時間 t ₁ 、負の J _p 負のアンテナ電荷につながる Q −。 t で ₂ 、正の J _p 図1に示すように、ウェーハ上の同じ位置に正のアンテナ電荷Q +を誘導します。したがって、正または負の電荷は、エッチングプロセス中の異なる時間に同じアンテナに蓄積する可能性があります。以前のレポート[27]から、 J のピークレベル _e および J _i 約-0.15および0.35mA / cm ² 、 それぞれ。 nチャネルおよびpチャネルFinFETのDCおよびAC /双方向ゲート応力は、ゲート誘電体膜に異なる潜在的損傷をもたらすことがわかっています[28、29]。従来のFinFETテストサンプルには、正または負のDCバイアスの高電圧ストレスとスイッチング周波数0.1HzのAC電圧がそれぞれ適用されます。図2に示すように、故障までの時間（ T _BD ）両方向の正、負、およびゲート応力によって応力が加えられたトランジスタの。結果は、より長い T によって示唆されるように、DCゲート応力がサンプルにさらに悪い損傷を与える一方で、ACゲート応力がこれらのトランジスタにそれほど深刻な損傷をもたらさないことを示しています。 _BD 双方向の応力を受けたサンプルの場合。図2は、酸化物の劣化が充電極性だけでなく、nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタの下のウェルのタイプにも依存することも示しています。これは、これらのテストの放電経路の違いによって引き起こされると予想されます。プロセス中のデバイス。したがって、 T を使用する従来のPID検出器 _BD 損傷の重大度の指標は、プロセス中のプラズマ充電レベルを反映できないためです。一方、以前の研究で提案されたプラズマ充電レコーダーは、電荷収集アンテナによって結合されたフローティングゲート（FG）に電子を注入または放出することによって応力レベルを記録します。記録されたデータ、フローティングゲート電荷（ Q _FG ）、製造後に続いて読み取られます[24、25]。次に、記録は読み取りトランジスタのしきい値電圧シフトによって測定され、そのチャネルは同じフローティングゲートによって制御および方向付けられます。 Q によるアンテナの上昇電位 _P プラズマ充電によるものは、単一の金属層の形成中に正と負の両方のアンテナ電圧を誘導する可能性があります。さらに、異なる金属層に対して、異なる製造パラメータが使用される。たとえば、エッチング時間、使用する化学薬品、チャンバーの温度は異なる場合があります。これらのパラメータは、エッチング中のウェーハ全体のアンテナ電荷分布に影響を与える可能性があります。他の場合には、図3aに示すように、複数の金属層に接続されたトランジスタは、さらに複雑なプラズマ充電シーケンスの影響を受けます。

故障までの時間（ T _BD ）ゲート電極の正、負、および正+負の充電によってストレスを受けたnチャネルおよびpチャネルFinFETの。 T _BD 異なる極性ストレス下のデバイスの特性は、ゲート誘電体に蓄積された損傷が充電極性だけでなく、対応するFinFETの下のウェルにも依存することを示唆しています

a さまざまな金属層のプラズマ帯電効果は、ウェーハ全体のさまざまな場所で異なります。 b 正電荷と負電荷は、積み重ねられた金属層で互いに補償し合う可能性があります

BEOLプロセスのさまざまな段階で、特定のアンテナでのプラズマ充電電流は、イオン電流と電子電流、つまり正味の Q の間で切り替わる可能性があります。 _P 正から負にシフトすることもできます。金属2、金属3、金属4、および複数の金属層で構成されるアンテナを備えたサンプルの記録を図3bに要約します。データは、特定の層から層への極性の変化に対する単一の金属層の正味の帯電[24]を示唆しています。さらに、 Q で見られる平均化効果 _FG 複数の金属層のアンテナ構造を持つサンプルの分析は、図3bの測定データによってさらに裏付けられています。正と負の両方の V _G アンテナでは、最後の Q _FG 次に、連続して発生する可能性のあるFGへの電子の注入とFGからの電子の放出によって平均化されます。この補正効果により、レコーダーは、プラズマプロセス中にデバイスが経験した実際のストレス状態を明らかにするように制限されます。改訂されたCSIRは、干渉なしに正と負の充電効果を個別に記録する方法に関する問題に対処し、プラズマチャンバー内の充電状況に関するより詳細なデータを提供するように設計されています。

電荷分離のテストパターン

この研究では、図4aに示すように、アンテナの正イオン帯電と負電子帯電を、提案された新しい電荷分割insituレコーダ（CSIR）で分離することができます。 CSIRは、2つのフローティングゲートFG ₁ で構成されています。 およびFG ₂ さまざまなタイプの充電効果を個別に記録します。アンテナ構造は、順方向ダイオード（D1）と逆方向ダイオード（D2）をそれぞれ介して2つの結合ゲートに接続します。構造の左半分では、正電荷がカップリングゲート1（CG ₁ ）に流れ込みます。 ）からD1まで。 CG ₁ の場合 が正に帯電している場合、電圧は両側の接点スロットを介してフローティングゲートに結合されます。電子が基板から注入されると、フローティングゲートは負に帯電します。一方、構造の右半分は負の充電経路であり、アンテナからカップリングゲート2（CG ₂ ）に電流を流すことができます。 ）D2を介して、正の Q _FG 。図4bは、オンチップpnダイオードを備えたCSIRの断面図をさらに示しており、正と負の充電経路を別々の結合ゲートCG ₁ に向けています。 およびCG ₂ 、アンテナの電位をFG ₁ に結合します およびFG ₂ それぞれ。

a 電子/イオンの充電を検出するために、それぞれ順方向ダイオード（D1）と逆方向ダイオード（D2）に接続することにより、2つの別個のフローティングゲートを備えた電荷分割インサイチュレコーダー。 b オンチップpnダイオードを備えた新しい電荷分割insituレコーダの断面図で、正と負の電荷を分離された結合ゲートCG ₁ に向けます。 およびCG ₂

レコーダの左半分が正に帯電したアンテナの下でCSIRで有効になっている場合、電荷が逆ダイオードによってブロックされるため、右半分は非アクティブになります。その逆も同様です。両方のオンチップダイオードはn + / pウェルで構成されています。 D2の場合、そのpウェルで負の電圧を維持するには、p領域を深いnウェルで囲み、基板への充電経路を直接ブロックする必要があります。アンテナの正および負の充電期間の下でのCSIRの断面でシミュレートされた電位分布をそれぞれ図5aおよびbに示します。アンテナの電位が5Vに達すると、左側のダイオードを介して、左側の制御ゲートに正電荷が流れ、その結果、高い正電圧（ V ）が発生します。 _CG1 ）。同時に、正電荷は右側のダイオードによってブロックされ、ゼロに近い V になります。 _CG2 。 2つの制御ゲートの電位差は、図5aのシミュレートされた電位コンターによって確認されます。アンテナに対する負の充電の影響を図5bに示します。シミュレートされた電位プロファイルは、オンチップpnダイオードが電位をCG ₁ に効果的に向けてブロックできることを確認します。 およびCG ₂ 、無料で、設計どおり。このようにして、プラズマ処理のさまざまなソースに対応する正と負の電荷効果を個別に取得できるため、検出器での電荷補償と干渉の問題を防ぐことができます。

正および負のアンテナゲート電圧を使用したCSIRでのシミュレートされた電位分布。順方向と逆方向のpnダイオードは、アンテナの電荷極性を正常に分離します

結果と考察

測定されたしきい値電圧シフト（Δ V _T ）FG ₁ によって制御されるデバイス上 順方向ダイオードとFG ₂ によるもの 逆ダイオードを使用した場合とダイオードを使用しない場合のサンプルを図6で比較します。ウェーハの中心線に沿ったデータは、単一のフローティングゲートを備えたレコーダが単一の金属層の処理内でも電荷中和を受けやすいことを示しています。ダイオードのないレコーダーの平均化効果は、ピーク充電率が正確に反映されないことを証明しています。一方、新しいCSIRからの読み取り値は、正と負の充電レベルを個別に提供できます。金属2（M2）形成におけるプラズマ帯電効果をさらに調査するために、FG ₁ で収集された電荷 およびFG ₂ 各ダイのCSIRの値は、式（1）によって独立して計算できます。 （2）、

ここで Q _FG フローティングゲートの電荷です。 C _T は、図7に示すように、フローティングゲートの総容量です。Δ V _T はレコーダの読み取りゲートで検出されたしきい値電圧シフトであり、α _RG は読み取りゲートからの結合比です。

デルタの分布 V _T FG ₁ で 順方向ダイオードとFG ₂ リバースダイオードあり、ウェーハの中心線に沿ったダイオードなしのFG

a CSIRデバイスの静電容量ネットワークモデルの概略図。 b フローティングゲートの総静電容量は、直列の静電容量と並列の静電容量の合計です

フローティングゲート電荷が最初はゼロで Q _FG ゲート誘電体層を横切る電界がゼロに減少すると飽和レベルに達すると、プラズマプロセスの終了時の最終的なアンテナゲート電位は次のように表すことができます。

その中で、 V _ANT はプラズマ充電とαによるアンテナゲート電位です _ANT アンテナゲートからフローティングゲートへの結合比を表します。 V _FB は、金属ゲートからフィン基板までのフラットバンド電圧です。与えられたプロセス時間の下で、平均プラズマ充電電流密度、 J _p 次に、式によって投影することができます。 （4）。

ここで、Δ t はプラズマプロセスの持続時間です[28、29]および C _ANT は金属アンテナの総静電容量ですが、 A _ANT アンテナの充電エリアです。上記の計算で使用されたすべてのパラメーターは、表1に要約されています。

上部（金属9）層と下部金属（金属2）層の処理中のウェーハ全体の正と負の帯電率の分布を図8でさらに比較します。これは、アンテナ構造の帯電がより高い金属でより顕著であることを意味します。レベル（金属9）、金属9では、その高いプラズマエネルギーが J を引き起こすため _p J より大きくする _p 大きさの点で金属2の。また、データは、両方のケースで、電子とイオンの両方の充電率が中心付近でピークに達することを示唆しています。予想通り、ウェーハの中心に近いダイは高い帯電レベルを経験します。これは、プラズマ処理中の放電経路が長いことに起因する可能性があります。この位置効果は、より多くの電子とイオンの帯電が支配的な条件の両方で同一であることがわかります。予測されるプラズマ充電率、 J _P （ x、y ）、単一の金属層、金属2（M2）と金属9（M9）の形成全体で平均して、図9でさらに比較します。これらのウェーハマップは、電子帯電率がエッジを除いてプラトーにあるように見えることを示しています、一方、イオン帯電率は、ウェーハの中央部分でより高い変動を示しました。将来的には、さまざまな処理条件下でのこれらのウェーハマップは、プラズマチャンバーへの洞察、または帯電効果をより適切に補償することによるさらなる最適化ガイドラインを提供することが期待されます。

金属2および金属9プロセスのウェーハの中心線における正および負の帯電率の比較。帯電率は中心付近でピークに達します。これは、プラズマによる損傷がウェーハの中心でより深刻であることを意味します

予測される電子とイオンの帯電率、 J _e （ x 、 y ）および J _i （ x 、 y ）は、金属2金属9の形成中にエッチング表面全体の電荷分割レコーダーによって取得されます

アンテナ比の影響

従来のPID監視デバイスは、通常、トランジスタのゲートを大きなアンテナに直接接続し、合計 Q の増加によってストレスレベルを評価することにより、PID効果を増幅するように設計されています。 _P 小さなチャネル領域から排出されると予想されます[30、31]。アンテナ比（AR）は、プラズマプロセス中のゲート誘電体を流れる応力電流密度に比例します[32]。大きい Q _P アンテナ上にあるものは、誘電体層に潜在的な損傷やトラップを引き起こし、最終的に信頼性の低下につながることが知られています[33]。予想どおり、従来のFinFETのARが高くなると、ストレスレベルが大幅に上昇し、より深刻なT _BD が発生します。 劣化、つまり、より短い動作期間内でのデバイスの故障については、図10を参照してください。一方、CSIRでは、プラズマ充電レベルはフローティングゲート電荷 Q として記録されます。 _FG 、アンテナ効果はほとんどありません。つまり、図11にまとめたデータからわかるように、アンテナ面積の増加には反応しません。

a 故障までの時間の特性 I _G 対アンテナサイズの増加に伴う従来のPID検出器の時間。 b T _BD ARが1000を超えると大幅に減少します

a アンテナの静電容量が増加すると、 V _CG ARから独立します。 b Q _FG ARが100×を超えると飽和します

新しいフローティングゲートベースのCSIRでは、アンテナ比（AR）がプラズマ充電中のカップリングゲートのピーク電位に影響を与えます。スケーリングされたテクノロジーでは、接続および結合構造の寄生容量が減少し、記録結果のAR感度が低下すると予想されます。 CSIRと従来の検出器の間でAR効果にこのような明らかな違いが生じる理由は次のとおりです。これらのフローティングゲートレコーダーでは、アンテナに蓄積された電荷 Q _P チャネル領域から排出されません。 Q の増加 _P V を上げます _CG 、フローティングゲートへの/フローティングゲートからの電子注入または放出につながります。図11aのシミュレートされた静電容量に示されているように、アンテナの静電容量 C _ant 、アンテナ面積に比例して増加します、 A _ant 。総充電電流はアンテナ面積に正比例するため、CSIRでARを増やしても、アンテナの電位に影響はありません。測定データから、 Q _FG レベルは、ARが100倍を超えるSCIRでもほぼ同じです。

この機能は、テストパターン領域を節約するだけでなく、 J を見つけることもできます。 _P （ x 、 y ）PIDに対するパターン化効果を研究するためのより高い空間分解能を備えています。さらに、小さなアンテナを備えた検出器は、ラインのミドルエンド（MEOL）および接触プロセスでのPIDを理解するためのテストパターンの設計を容易にすることができます。

最後に、高度なBEOL FinFETプロセスでPIDを監視するための新しいCSIRのパフォーマンスの概要を表2にまとめます。従来の検出器の検出範囲はARですが、新しいinsituレコーダの検出範囲はフローティングゲート長に基づいています。さらに、新しい現場レコーダーの面積は非常に小さい可能性があります。最も重要なことは、新しいCSIRは、プラズマプロセスのリアルタイムのフィードバックと、イオン帯電と電子帯電速度の別々のレベルを個別に提供できることです。

結論

プラズマによる損傷を監視するための新しい電荷分割insituレコーダ（CSIR）が初めて提案され、実証されました。 CSIRは、プラズマチャンバー内の電子帯電率とイオン帯電率を同時に理解するための強力なツールを提供します。ウェーハマップは、デバイスの信頼性との相関関係とこれらの個々の充電効果との間のさらなる研究を容易にすることができます。

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