CSIR：FinFET BEOL製造におけるリアルタイムプラズマ電荷モニタリング

概要

バックエンドオブライン（BEOL）プロセスにおけるプラズマ誘起損傷を、電荷分離機能を備えて監視する新規デバイスを初めて提案・実証した。この新規電荷分離インシツレコーダ（CSIR）は、先進フィン型電界効果トランジスタ（FinFET）回路製造プロセス中のプラズマ帯電効果の量と極性を独立して追跡できる。アンテナ上のリアルタイムかつインシツなプラズマ帯電レベルを明らかにするだけでなく、正と負の帯電効果を分離し、2つの独立した読み取り値を提供する。CMOS技術が将来さらに微細な金属配線へ進む中、この新しい電荷分離スキームはBEOLプロセス最適化とデバイス信頼性向上の強力なツールとなる。

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金属配線で構成されるフィン型電界効果トランジスタ（FinFET）回路形成に広く用いられる。製造中、これら3D構造実現のためのエッチングと堆積ステップがFinFETデバイスに著しいプラズマ誘起ストレスを与える。CMOS FinFET技術進展に伴い、金属線幅とピッチが高さより積極的に縮小し、極めて微細なラインで定義される高アスペクト比トレンチ形成が必要になる。不可避的にこれはトランジスタへのプラズマ誘起損傷（PID）の深刻化を招き、回路信頼性への影響がFinFET技術開発の主要懸念の一つとなる。

微小コンタクト、ビア、微細金属配線形成では、一般に強力で高選択性プラズマが適用される。また、バルクフィンエッチング時のフィン表面への反応性イオンスパッタリングがバルクフィン欠陥を生じ、トランジスタ特性にクリティカルな影響を与える。フィンメタルゲートと高密度インターコネクト構造実現のため、先進FinFET技術では複雑な金属スタックが多用される。さらに、先進技術で用いられる高誘電率ゲート誘電体は、プラズマプロセス後のストレス誘起トラッピングを増強する傾向がある。プラズマ帯電時、狭いフィンと基板を通る放電パスがウェーハ全体でより非均一なストレスレベルをもたらす。トランジスタゲート酸化膜へのプラズマ誘起ストレスは、ゲート誘電体完全性の更なる劣化を招くことが知られている。

ゲート誘電体膜へのプラズマ誘起損傷は、高度に非均一な帯電シナリオで性能劣化、甚だしくは歩留まり低下を招き、信頼性故障の結果となる。したがって先進FinFET技術では、拡大アンテナ構造を持つテストデバイスでPID効果を監視し、プロセス最適化へのフィードバックを得ている。

PIDの最も一般的で広く用いられる指標は、大型アンテナ構造を持つテストサンプルのタイムツーブレークダウン特性である。これらPIDパターン上の潜在損傷は、ゲート誘電体層の時間依存性劣化測定で反映されるため、プラズマプロセスのリアルタイムフィードバックを与えられない。また、従来テストデバイスではプラズマ誘起帯電率やアンテナ上の最大電位蓄積の発生源と極性を特定できない。アンテナ構造で結合したフローティングゲートを持つPIDレコーダがインシツ検出能力を備えて先行研究で提案されている。本研究では、電荷分離機能を持つ改良型PIDレコーダを提案する。共通アンテナ構造に順方向ダイオードと逆方向ダイオードを接続することで、新設計は正と負の電荷に別々のパスを提供し、両極性の帯電レベルを独立記録可能にする。この新しい電荷分離インシツレコーダ（CSIR）は小さなアンテナのみを必要とし、ミドルエンドオブライン（MEOL）プロセスでのプラズマ帯電効果研究を将来可能にする。

手法

プラズマ帯電極性

先行研究で、ポリ/金属層形成エッチングプロセス中、プラズマ不均一性とアンテナ電位変動が帯電率の劇的差異や、異なる位置での極性変化をもたらすことが報告されている。プラズマチャンバー内マクロ環境とミクロパターンの両方がウェーハ上の帯電率分布に影響する。すなわち、BEOLエッチング中のプラズマ帯電率は空間的・時間的に変化する。ラジオ周波数（RF）プラズマプロセス中、ウェーハ表面は帯電電流密度J_pを受け、これはイオン電流密度J_iと電子電流密度J_eで構成される。イオン電流は時間でほぼ一定、イオン密度J_iとボーム速度で決まる。プラズマ電位V_p(t)がゲート電位V_Gより高い時間が大半であるため、電子電流はプラズマ電位が最小値付近にある短い期間のみ流れる。Q_FGプロセス中、どちらの電流成分が大きいかでゲート電圧が多くのRFサイクルで増減し、トンネル電流がアンテナ上のJ_pとバランスする定常ゲート電圧に達する。図1に示す通り、エッチングプロセス各段階でのウェーハ中心線上のプラズマ帯電率分布J_p(x,y,t)は大きさと極性の両方で変化し、式(1)で表される。

異なるプラズマ帯電極性は、異なる時間・位置で正または負のアンテナ電荷Q_pを蓄積させる。図1で、時刻t₁で負のJ_pが負アンテナ電荷Q⁻を、t₂で正のJ_pが同一位置で正アンテナ電荷Q⁺を誘起する。したがって、単一エッチングプロセス中に同一アンテナ上で正負電荷が異なる時期に蓄積し得る。先行報告でJ_eとJ_iピークレベルは約-0.15と0.35 mA/cm²。DCおよびAC/双方向ゲートストレスがnチャネルとpチャネルFinFETでゲート誘電体膜への潜在損傷に差異をもたらすことが判明。正負DCバイアスと0.1 Hz切替周波数AC電圧ストレスを従来FinFETテストサンプルに印加し比較。図2で正、負、双方向ストレス下のタイムツーブレークダウン（T_BD)を比較。DCゲートストレスがより悪影響、ACストレスはT_BD長く損傷軽微。図2は酸化膜劣化が帯電極性だけでなく、n/pチャネルFinFET下のウェルタイプにも依存することを示し、これはプロセス中の放電パス差異によるものと予想。したがってT_BDを損傷指標とする従来PID検出器は、プロセス中プラズマ帯電レベルを反映できない。一方、先行研究で提案したプラズマ帯電レコーダは、アンテナで電荷収集するフローティングゲート（FG）への電子注入/放出でストレスレベルを記録し、記録データQ_FGを作製後読み取る。読み取りトランジスタの閾値電圧シフトで測定され、そのチャネルは同一FGで制御・方向付けされる。アンテナ上のプラズマ帯電Q_pによる電位上昇は、単一金属層形成中に正負両方のアンテナ電圧を誘起し得る。さらに異なる金属層では異なる製造パラメータ（エッチング時間、薬液、チャンバー温度等）が用いられ、これらはエッチング中のウェーハ上アンテナ電荷分布に影響する。他の場合、複数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帯電シーケンスを経験する（図3a）。

BEOLプロセス各段階で、特定アンテナでのプラズマ帯電電流がイオンと電子電流で切替わり、正味Q_pも正負にシフトし得る。金属2、3、4、複数金属層アンテナ構造サンプル記録を図3bに要約。データは単一金属層での正味帯電が層ごとに極性変化することを示唆。また、複数金属層アンテナ構造サンプルのQ_FGで見られる平均化効果も図3b測定データで支持。正負両方のV_Gがアンテナ上にある場合、最終Q_FGは電子注入と放出が逐次起こることで平均化される。この補償効果が検出器のプラズマプロセス実ストレス条件開示を制限する。改良型CSIRは、正負帯電効果を干渉なく個別記録し、プラズマチャンバー内帯電状況の詳細データ提供を目的として設計された。

電荷分離テストパターン

本研究では、アンテナ上の正イオン帯電と負電子帯電を、新規電荷分離インシツレコーダ（CSIR）で分離可能とした（図4a）。CSIRは2つのフローティングゲートFG₁とFG₂で構成され、異なる帯電効果を別々に記録。アンテナ構造が順方向ダイオード（D1）と逆方向ダイオード（D2）を介して2つの結合ゲートに接続。構造左半分では、正電荷がD1を通じて結合ゲート1（CG₁）へ流入。CG₁正帯電時、両側コンタクトスロット経由でフローティングゲートへ電圧結合、基板から電子注入でフローティングゲート負帯電。右半分は負帯電パスで、アンテナからD2経由で結合ゲート2（CG₂）へ電流流入、正Q_FG生成。図4bはオンチップpnダイオードを持つCSIR断面図で、正負帯電パスを個別結合ゲートCG₁、CG₂へ導き、それぞれFG₁、FG₂へアンテナ電位を結合。

CSIRで左半分が正帯電アンテナ下でイネーブル時、右半分は逆ダイオードで電荷遮断され非活性、逆も同様。両オンチップダイオードはn⁺/p-well構成。D2でp-well負電位維持のため、p領域をディープn-wellで囲み基板への直接帯電パス遮断。CSIR断面上のシミュレート電位分布を、アンテナ正負帯電期間で図5a、bに示す。アンテナ電位5 V想定で、左ダイオード経由で正電荷が左制御ゲートへ流入し高正電圧（V_CG1）生成、同時右ダイオードで正電荷遮断でV_CG2≈0。図5a等位線で2制御ゲート電位差確認。図5bで負帯電時、オンチップpnダイオードが設計通りCG₁とCG₂へ補完的に電位導通・遮断することをシミュレート電位プロファイルで検証。これによりプラズマ処理中の異なる発生源に対応する正負帯電効果を独立取得でき、検出器上の電荷補償と干渉問題を防止。

結果と考察

順方向ダイオード付きFG₁制御デバイス、逆方向ダイオード付きFG₂制御デバイス、ダイオードなしサンプルの測定閾値電圧シフト（ΔV_T)をウェーハ中心線で比較（図6）。単一フローティングゲートレコーダでも単一金属層処理内で電荷中和が生じることがデータで示唆。ダイオードなしレコーダの平均化効果でピーク帯電率が真に反映されない証拠。一方、新CSIR測定値は正負帯電レベルを独立提供。金属2（M2）形成時プラズマ帯電効果をさらに調査するため、CSIRの各ダイのFG₁とFG₂収集電荷を式(2)で独立算出。

フローティングゲート電荷初期ゼロで、ゲート誘電体層電界ゼロでQ_FG飽和時、プラズマプロセス終了時最終アンテナゲート電位は式(3)で表現。与えられたプロセス時間で平均プラズマ帯電電流密度J_pを式(4)で投影。パラメータは表1に要約。

トップ（金属9）とボトム金属（金属2）層処理時のウェーハ中心線上正負帯電率分布比較（図8）。金属9で帯電がより顕著、高プラズマエネルギーでJ_p大きくなるため。両電子・イオン帯電率ともウェーハ中心付近でピーク、中心近いダイが高帯電レベル、放電パス長による。この位置効果は電子優勢・イオン優勢両条件で同一。単一金属層形成平均化した投影プラズマ帯電率J_p(x,y)を金属2（M2）と金属9（M9）で比較（図9）。ウェーハマップで電子帯電率はエッジ除きプラトー、イオン帯電率はウェーハ中央部で大きな変動。将来、異なる処理条件下ウェーハマップがプラズマチャンバー洞察や帯電効果補償最適化ガイドライン提供期待。

アンテナ比効果

従来PID監視デバイスは通常、トランジスタゲートを大型アンテナに直接接続し、総Q_p増加でストレスレベル評価、小チャネル領域通過放電想定。アンテナ比（AR）はプラズマプロセス中ゲート誘電体ストレス電流密度に比例。大Q_pが潜在損傷/トラップ誘起し信頼性劣化。予想通り、従来FinFETで高ARはストレス顕著増大、T_BD劇的劣化、短期間でデバイス故障（図10）。一方CSIRでは、フローティングゲート電荷Q_FGとして記録されるプラズマ帯電レベルはアンテナ効果極めて小さい。アンテナ面積増大に応答しない（図11）。

新フローティングゲートベースCSIRでは、ARがプラズマ帯電時結合ゲートピーク電位に影響。スケール技術では接続・結合構造寄生容量減少でAR感度低下期待。CSIRと従来検出器でAR効果に顕著差異生じる理由：フローティングゲートレコーダではアンテナ蓄積電荷Q_pがチャネル領域通過放電せず、増大Q_pがV_CG上昇させフローティングゲートへ電子注入/放出。シミュレート容量（図11a）でアンテナ容量C_antがアンテナ面積A_ant比例増大。総電荷電流もアンテナ面積比例なので、CSIRでAR増大してもアンテナ電位影響せず。測定データでAR 100倍超でQ_FGレベルほぼ同一。

この特徴はテストパターン面積節約だけでなく、パターニング効果PID研究のためより高空間分解能でJ_p(x,y)発見可能に。また小アンテナ検出器はMEOLとコンタクトプロセスPID理解用テストパターン設計促進。新CSIRの先進BEOL FinFETプロセスPID監視性能要約を表2に示す。従来検出器センスレンジはAR、新インシツレコーダはフローティングゲート長ベース。新レコーダ面積は極小可能。最重要は新CSIRがプラズマプロセスリアルタイムフィードバック提供し、イオン帯電率と電子帯電率レベルを独立分離提供。

結論

プラズマ誘起損傷監視用新規電荷分離インシツレコーダ（CSIR）を初めて提案・実証。CSIRはプラズマチャンバー内電子帯電率とイオン帯電率を同時理解する強力ツール提供。ウェーハマップでこれら個別帯電効果とデバイス信頼性相関の更なる研究促進。