Charge Spliting In Situ Recorder (CSIR) untuk Pemeriksaan Real-Time Efek Pengisian Plasma dalam Proses FinFET BEOL

Metode

Polaritas Pengisian Plasma

Studi sebelumnya melaporkan bahwa, selama proses etsa dalam membentuk lapisan poli atau logam, ketidakhomogenan plasma serta variasi potensi antena dapat menyebabkan perbedaan drastis dalam laju pengisian atau bahkan polaritas dapat berubah di lokasi yang berbeda [24, 25]. Lingkungan makro di ruang plasma dan pola mikro keduanya dapat mempengaruhi distribusi tingkat pengisian pada wafer [26]. Yaitu, tingkat pengisian plasma dalam etsa back-end-of-line (BEOL) bervariasi secara spasial dan tepat waktu. Selama proses plasma frekuensi radio (RF), permukaan wafer mengumpulkan arus pengisian, J _p , yang terdiri dari arus ion J _i dan arus elektron J _e [26]. Arus ion hampir konstan terhadap waktu dan ditentukan oleh kerapatan ion J _i dan kecepatan Bohm [26]. Karena potensial plasma V _p (t ) lebih tinggi dari potensial gerbang V _G untuk sebagian besar waktu, arus elektron mengalir hanya selama periode pendek ketika potensial plasma mendekati minimum. Selama Q _FG proses, tegangan gerbang dapat meningkat atau menurun selama banyak siklus RF, tergantung pada komponen arus mana yang lebih besar, sampai tegangan gerbang kondisi-mapan tercapai ketika arus tunneling seimbang J _p pada antena. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, distribusi tingkat pengisian plasma, J _P (x ,y ,t ), di seluruh wafer selama proses etsa pada tahap yang berbeda berubah baik dalam besaran maupun dalam polaritas, di mana hal itu dapat dinyatakan seperti dalam Persamaan. (1) di mana J _e mewakili kerapatan arus elektron, dan J _i mewakili rapat arus ion.

Distribusi laju pengisian yang diinduksi plasma di garis tengah wafer selama proses etsa pada waktu yang berbeda. Polaritas pengisian plasma di lokasi tertentu dapat berubah seiring waktu

Polaritas pengisian plasma yang berbeda menghasilkan muatan antena positif atau negatif, Q _P , terakumulasi pada waktu dan lokasi yang berbeda. Untuk memperjelas, pada saat t ₁ , J negative negatif _p menyebabkan muatan antena negatif Q . Di t ₂ , J positive yang positif _p menginduksi muatan antena positif Q+ pada lokasi yang sama pada wafer, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. Dengan demikian, muatan positif atau negatif dapat terakumulasi pada antena yang sama pada waktu yang berbeda selama proses etsa. Dari laporan sebelumnya [27], level puncak J _e dan J _i sekitar 0,15 dan 0,35 mA/cm ² , masing-masing. Telah ditemukan [28, 29] bahwa tegangan gerbang DC dan AC/bi-directional pada n-channel dan p-channel FinFET menghasilkan kerusakan laten yang berbeda pada film dielektrik gerbang. Tegangan tegangan tinggi dengan bias DC positif atau negatif dan tegangan AC dengan frekuensi switching 0,1 Hz masing-masing diterapkan pada sampel uji FinFET konvensional. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, time-to-breakdown (T _BD ) dari transistor yang ditekankan oleh tegangan positif, negatif, dan gerbang di kedua arah dibandingkan. Hasilnya menunjukkan bahwa tegangan gerbang DC akan menyebabkan kerusakan yang lebih buruk pada sampel, sedangkan tegangan gerbang AC menghasilkan kerusakan yang lebih ringan pada transistor ini, seperti yang disarankan oleh T yang lebih panjang. _BD untuk sampel yang mengalami tegangan dua arah. Gambar 2 juga menunjukkan bahwa degradasi oksida tidak hanya bergantung pada polaritas pengisian, tetapi juga pada jenis sumur di bawah transistor saluran-n dan saluran-p, yang diperkirakan disebabkan oleh perbedaan jalur pengosongan dari pengujian ini. perangkat selama proses. Oleh karena itu, detektor PID konvensional, yang menggunakan T _BD sebagai indikator tingkat keparahan kerusakan tidak dapat mencerminkan tingkat pengisian plasma selama proses berlangsung. Di sisi lain, perekam pengisian plasma yang diusulkan dalam pekerjaan kami sebelumnya mencatat tingkat stres dengan menyuntikkan atau mengeluarkan elektron ke/dari gerbang apung (FG) yang digabungkan dengan antena pengumpul muatan. Data yang direkam, biaya gerbang mengambang (Q _FG ), dibaca kemudian setelah fabrikasi [24, 25]. Perekaman kemudian diukur dengan pergeseran tegangan ambang pada transistor baca, yang salurannya dikendalikan dan diarahkan oleh gerbang mengambang yang sama. Potensi yang meningkat pada antena dengan Q _P dari pengisian plasma dapat menginduksi tegangan antena positif dan negatif selama pembentukan lapisan logam tunggal. Selanjutnya, untuk lapisan logam yang berbeda, parameter manufaktur yang berbeda digunakan. Misalnya, waktu etsa, bahan kimia yang digunakan, dan suhu ruang dapat bervariasi. Parameter ini dapat mempengaruhi distribusi muatan antena di seluruh wafer selama etsa. Dalam kasus lain, transistor dengan koneksi ke beberapa lapisan logam tunduk pada urutan pengisian plasma yang lebih kompleks, seperti yang diilustrasikan Gambar 3a.

Waktu-ke-breakdown (T _BD ) dari FinFET saluran-n dan saluran-p yang ditekankan oleh pengisian positif, negatif, dan positif + negatif pada elektroda gerbang. T _BD perangkat di bawah tegangan polaritas yang berbeda menunjukkan bahwa kerusakan yang terakumulasi pada dielektrik gerbang tidak hanya bergantung pada polaritas pengisian, tetapi juga sumur di bawah FinFET yang sesuai

a Efek pengisian plasma untuk lapisan logam yang berbeda bervariasi pada lokasi yang berbeda di seluruh wafer. b Muatan positif dan negatif dapat saling mengimbangi di lapisan logam yang ditumpuk

Pada berbagai tahap proses BEOL, arus pengisian plasma pada antena tertentu dapat beralih antara arus ion dan elektron, yaitu net Q _P juga dapat bergeser dari positif ke negatif. Rekaman sampel dengan antena yang terdiri dari logam 2, logam 3, logam 4, dan beberapa lapisan logam dirangkum pada Gambar 3b. Data menunjukkan pengisian bersih dari lapisan logam tunggal [24] pada polaritas perubahan tertentu dari lapisan ke lapisan. Selain itu, efek rata-rata ditemukan pada Q _FG sampel dengan struktur antena dari beberapa lapisan logam selanjutnya didukung oleh data yang diukur pada Gambar. 3b. Dengan baik positif maupun negatif V _G di antena, Q . terakhir _FG kemudian akan dirata-ratakan dengan injeksi dan ejeksi elektron ke/dari FG yang mungkin terjadi secara berurutan. Efek kompensasi ini akan membatasi perekam untuk mengungkapkan kondisi tegangan nyata yang dialami perangkat selama proses plasma. CSIR yang direvisi dirancang untuk mengatasi masalah tentang cara merekam efek pengisian positif dan negatif satu per satu tanpa gangguan dan untuk menyediakan data yang lebih detail tentang situasi pengisian daya di ruang plasma.

Pola Uji untuk Pemisahan Muatan

Dalam penelitian ini, pengisian ion positif dan pengisian elektron negatif pada antena dapat dipisahkan dengan usulan pemisahan muatan in situ recorder (CSIR) baru, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4a. CSIR terdiri dari dua gerbang mengambang, FG₁ dan FG₂ yang merekam berbagai jenis efek pengisian secara terpisah. Struktur antena terhubung ke dua gerbang kopling melalui dioda maju (D1) dan dioda mundur (D2), masing-masing. Di bagian kiri struktur, muatan positif akan mengalir ke gerbang kopling 1 (CG₁ ) sampai D1. Saat CG₁ bermuatan positif, tegangan digabungkan ke gerbang mengambang melalui slot kontak di kedua sisi. Gerbang mengambang akan bermuatan negatif saat elektron menyuntikkan dari substrat. Bagian kanan struktur di sisi lain adalah jalur pengisian negatif, memungkinkan arus mengalir dari antena ke gerbang kopling 2 (CG₂ ) hingga D2, menghasilkan Q positive positif _FG . Gambar 4b selanjutnya menunjukkan tampilan penampang CSIR dengan dioda pn on-chip, mengarahkan jalur pengisian positif dan negatif ke gerbang kopling terpisah, CG₁ dan CG₂ , yang memasangkan potensi pada antena ke FG₁ dan FG₂ , masing-masing.

a Pemisahan muatan perekam in situ dengan dua gerbang mengambang terpisah dengan menghubungkan ke dioda maju (D1) dan dioda balik (D2) untuk masing-masing mendeteksi pengisian elektron/ion. b Ilustrasi penampang muatan baru yang membelah perekam in situ dengan dioda pn on-chip, mengarahkan muatan positif dan negatif ke gerbang kopling yang terpisah, CG₁ dan CG₂

Ketika bagian kiri perekam diaktifkan di CSIR di bawah antena bermuatan positif, bagian kanan tidak aktif karena muatan diblokir oleh dioda terbalik, dan sebaliknya. Kedua dioda on-chip terdiri dari n+/p-well. Untuk D2, untuk mempertahankan tegangan negatif di sumur-p, wilayah-p perlu dikelilingi oleh sumur-n yang dalam, menghalangi jalur pengisian langsung ke substrat. Distribusi potensial simulasi pada penampang di CSIR di bawah periode pengisian positif dan negatif antena ditunjukkan pada Gambar. 5a dan b, masing-masing. Dengan asumsi bahwa potensial pada antena mencapai 5 V, melalui dioda di sebelah kiri, muatan positif mengalir ke gerbang kontrol di sebelah kiri, yang menghasilkan tegangan positif yang tinggi (V _CG1 ). Pada saat yang sama, muatan positif diblokir oleh dioda di sebelah kanan, menghasilkan V mendekati nol _CG2 . Perbedaan potensial pada dua gerbang kontrol diverifikasi oleh kontur potensial yang disimulasikan pada Gambar 5a. Pengaruh pengisian negatif pada antena ditunjukkan pada Gambar. 5b. Profil potensial yang disimulasikan memverifikasi bahwa dioda pn on-chip dapat secara efektif mengarahkan dan memblokir potensi ke CG₁ dan CG₂ , gratis, seperti yang dirancang. Dengan cara ini, efek pengisian positif dan negatif yang sesuai dengan sumber yang berbeda dalam perawatan plasma dapat diperoleh secara independen, mencegah kompensasi biaya dan masalah interferensi pada detektor.

Simulasi distribusi potensial pada CSIR dengan tegangan gerbang antena positif dan negatif. Dioda pn maju dan mundur berhasil memisahkan polaritas muatan antena

Hasil dan diskusi

Pergeseran tegangan ambang terukur (ΔV _B ) pada perangkat yang dikendalikan oleh FG₁ dengan dioda maju dan oleh FG₂ dengan dioda terbalik dan sampel tanpa dioda dibandingkan pada Gambar. 6. Data sepanjang garis tengah wafer mengungkapkan bahwa perekam dengan gerbang mengambang tunggal tidak dikenakan netralisasi muatan bahkan dalam pemrosesan lapisan logam tunggal. Efek rata-rata dari perekam tanpa dioda membuktikan bahwa tingkat pengisian puncak tidak akan tercermin dengan benar. Di sisi lain, pembacaan dari CSIR baru dapat memberikan tingkat pengisian positif dan negatif, secara mandiri. Untuk menyelidiki lebih lanjut efek pengisian plasma dalam pembentukan logam 2 (M2), muatan yang dikumpulkan pada FG₁ dan FG₂ dari CSIR masing-masing mati dapat dihitung secara independen dengan Persamaan. (2),

$$ {Q}_{\mathrm{FG}}={C}_{\mathrm{T}}\times \Delta {V}_{\mathrm{T}}\times {\alpha}_{\mathrm {RG}}\titik $$ (2)

dimana Q _FG adalah muatan di gerbang mengambang. C _B adalah kapasitansi total dari gerbang apung, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7. V _B adalah pergeseran tegangan ambang terdeteksi di gerbang baca perekam, sementara α _RG adalah rasio kopling dari gerbang baca.

Distribusi delta V _B di FG₁ dengan dioda maju dan FG₂ dengan dioda terbalik, dan FG tanpa dioda di sepanjang garis tengah wafer

a Diagram skema model jaringan kapasitansi dalam perangkat CSIR. b Total kapasitansi gerbang apung adalah semua kapasitansi yang disebutkan secara seri ditambah yang paralel

Saat muatan gerbang mengambang awalnya nol dan Q _FG mencapai tingkat jenuh ketika medan listrik melintasi lapisan dielektrik gerbang dikurangi menjadi nol, potensial gerbang antena akhir pada akhir proses plasma dapat dinyatakan sebagai berikut,

$$ {V}_{\mathrm{ANT}}=\frac{V_{\mathrm{FB}}-\frac{Q_{\mathrm{FG}}}{C_{\mathrm{T}}}}{ \alpha_{\mathrm{ANT}}}\dots $$ (3)

di mana, V _SEMUT adalah potensi gerbang antena dengan pengisian plasma dan α _SEMUT mewakili rasio kopling ke gerbang mengambang dari gerbang antena. V _FB adalah tegangan pita datar dari gerbang logam ke substrat sirip. Di bawah waktu proses tertentu, kepadatan arus pengisian plasma rata-rata, J _p kemudian dapat diproyeksikan oleh Persamaan. (4).

$$ {J}_{\mathrm{p}}=\frac{V_{\mathrm{ANT}}\times {C}_{\mathrm{ANT}}}{A_{\mathrm{ANT}}\times \Delta t}\titik $$ (4)

di mana t adalah durasi proses plasma [28, 29] dan C _SEMUT adalah kapasitansi total antena logam, sedangkan A _SEMUT adalah area pengisian antena. Semua parameter yang digunakan dalam perhitungan di atas dirangkum dalam Tabel 1.

Distribusi tingkat pengisian positif dan negatif di seluruh wafer selama pemrosesan lapisan atas (logam 9) dan logam bawah (logam 2) selanjutnya dibandingkan pada Gambar 8. Ini menyiratkan bahwa pengisian pada struktur antena lebih menonjol pada logam yang lebih tinggi (logam 9), karena pada logam 9, energi plasmanya yang lebih tinggi menyebabkan J _p menjadi lebih besar dari J _p dari logam 2 dalam hal besarnya. Juga, data menunjukkan bahwa tingkat pengisian elektron dan ion memuncak di sekitar pusat untuk kedua kasus. Seperti yang diharapkan, dies yang tertutup di tengah wafer mengalami tingkat pengisian daya yang tinggi, yang dapat dikaitkan dengan jalur pengosongan yang lebih lama selama perawatan plasma. Efek lokasi ini ditemukan identik untuk kondisi dominan pengisian elektron dan ion yang lebih banyak. Tingkat pengisian plasma yang diproyeksikan, J _P (x,y ), rata-rata selama pembentukan lapisan logam tunggal, logam 2 (M2) dan logam 9 (M9), lebih lanjut dibandingkan pada Gambar. 9. Peta wafer ini mengungkapkan bahwa laju pengisian elektron tampaknya berada di dataran tinggi kecuali di tepi , sedangkan laju pengisian ion menunjukkan variasi yang lebih tinggi di bagian tengah wafer. Di masa mendatang, peta wafer ini dalam kondisi pemrosesan yang berbeda diharapkan dapat memberikan wawasan ke ruang plasma, atau pedoman pengoptimalan lebih lanjut dengan mengkompensasi efek pengisian daya dengan lebih baik.

Perbandingan laju pengisian positif dan negatif di garis tengah wafer untuk proses logam 2 dan logam 9. Tingkat pengisian mencapai puncaknya di sekitar bagian tengah yang berarti kerusakan akibat plasma lebih parah di bagian tengah wafer

Proyeksi laju pengisian elektron dan ion, J _e (x ,y ) dan J _i (x ,y ) diperoleh dengan perekam pemisahan muatan melintasi permukaan etsa selama pembentukan logam 2 logam 9

Efek Rasio Antena

Perangkat pemantauan PID tradisional biasanya dirancang untuk memperkuat efek PID dengan menghubungkan gerbang transistor secara langsung ke antena besar, mengevaluasi tingkat tegangan dengan meningkatkan total Q _P diharapkan akan dibuang melalui wilayah saluran kecil [30, 31]. Rasio antena (AR) sebanding dengan kerapatan arus tegangan melalui gerbang dielektrik selama proses plasma [32]. Besar Q _P pada antena diketahui menyebabkan kerusakan laten dan/atau jebakan pada lapisan dielektrik, yang pada akhirnya menyebabkan penurunan keandalan [33]. Seperti yang diharapkan, AR yang lebih tinggi pada FinFET konvensional meningkatkan tingkat stres secara signifikan, menyebabkan T_BD yang lebih parah degradasi, yaitu, kegagalan perangkat dalam periode operasi yang lebih singkat, lihat Gambar 10. Di sisi lain, dalam CSIR, tingkat pengisian plasma dicatat sebagai muatan gerbang mengambang, Q _FG , menunjukkan sangat sedikit efek antena. Yaitu, tidak merespons peningkatan area antena, seperti yang diungkapkan oleh data yang dirangkum dalam Gambar 11.

a Karakteristik time-to-breakdown I _G vs waktu detektor PID konvensional dengan ukuran antena yang semakin besar. b T _BD menurun drastis saat AR melebihi 1000

a Saat kapasitansi antena meningkat, V _CG menjadi independen dari AR. b T _FG jenuh karena AR melebihi 100×

Dalam CSIR berbasis gerbang mengambang baru, rasio antena (AR) akan mempengaruhi potensi puncak pada gerbang kopling selama pengisian plasma. Dalam teknologi yang diskalakan, kapasitansi parasit pada sambungan dan struktur kopling diharapkan berkurang, yang menyebabkan sensitivitas AR yang lebih rendah pada hasil perekaman. Alasan yang menyebabkan perbedaan yang jelas pada efek AR antara CSIR dan detektor konvensional adalah sebagai berikut. Dalam perekam gerbang mengambang ini, muatan terakumulasi pada antena, Q _P tidak akan dibuang melalui daerah saluran. Peningkatan Q _P mengangkat V _CG , yang mengarah ke injeksi atau ejeksi elektron ke/dari gerbang apung. Seperti ditunjukkan pada kapasitansi simulasi pada Gambar. 11a, kapasitansi antena, C _semut , meningkat secara proporsional ke area antena, A _semut . Dengan total arus muatan berbanding lurus dengan luas antena, peningkatan AR dalam CSIR tidak akan mempengaruhi potensi pada antena. Data pengukuran mengungkapkan bahwa Q _FG level tetap hampir sama untuk SCIR dengan AR melebihi 100×.

Fitur ini tidak hanya menyimpan area pola pengujian, tetapi juga memungkinkan pencarian J _P (x ,y ) dengan resolusi spasial yang lebih tinggi untuk mempelajari efek pola pada PID. Selain itu, detektor dengan antena kecil dapat memfasilitasi desain pola pengujian untuk memahami PID di middle-end of the line (MEOL) dan proses kontak.

Akhirnya, ringkasan kinerja CSIR baru untuk memantau PID dalam proses FinFET BEOL lanjut dirangkum dalam Tabel 2. Rentang indera detektor tradisional adalah AR, sedangkan rentang indra perekam in situ baru didasarkan pada panjang gerbang mengambang. Selanjutnya, area perekam in situ baru bisa sangat kecil. Yang terpenting, CSIR baru dapat memberikan umpan balik real-time dari proses plasma dan tingkat pengisian ion dan tingkat pengisian elektron yang terpisah, secara independen.

Kesimpulan

Pemisahan muatan baru dalam perekam in situ (CSIR) untuk memantau kerusakan yang diinduksi plasma pertama kali diusulkan dan didemonstrasikan. CSIR menyediakan alat yang ampuh untuk memahami pengisian elektron dan laju pengisian ion di ruang plasma secara bersamaan. Peta wafer dapat memfasilitasi studi lebih lanjut antara korelasi dengan keandalan perangkat dan efek pengisian daya individual ini.

Riwayat perubahan

Persiapan Struktur Nano Kuning–Kuning Au@TiO2 dan Aplikasinya untuk Degradasi dan Deteksi Metilen Biru Pelepasan Berturut-turut Penghambat Jaringan Metalloproteinase-1 Melalui Sistem Pengiriman Berbasis Grafena Oksida Dapat Mempromosikan Regenerasi Kulit