CSIR: Pemantauan Muatan Plasma Real-Time untuk Fabrikan BEOL FinFET

Latar Belakang

Proses yang ditingkatkan plasma banyak digunakan dalam pembentukan rangkaian fin field-effect transistor (FinFET), yang terdiri dari banyak struktur aspek rasio tinggi dan garis logam halus. Selama manufaktur, langkah etch dan depo untuk merealisasikan komposisi 3D ini dapat mengakibatkan stres plasma yang signifikan pada perangkat FinFET. Seiring dengan kemajuan teknologi FinFET CMOS, lebar garis dan pitch logam menurun lebih agresif daripada tingginya, yang mendorong kebutuhan untuk membentuk terowongan aspek rasio tinggi yang didefinisikan oleh garis yang sangat halus. Tidak terhindarkan, ini mempromosikan keparahan kerusakan yang diinduksi plasma (PID) pada transistor, dan efeknya yang terkait pada keandalan rangkaian menjadi salah satu kunci perhatian dalam pengembangan teknologi FinFET. Dalam pembuatan kontak kecil, via, dan garis logam halus, daya tinggi dan plasma selektivitas tinggi biasanya digunakan. Selain itu, dalam etch fin bulk, sputtering ion reaktif pada permukaan fin dapat menyebabkan defek di dalam fin bulk, yang krusial untuk karakteristik transistor. Untuk mengaktifkan gerbang logam fin dan struktur interkoneksi padat, tumpukan logam kompleks lebih sering digunakan dalam teknologi FinFET lanjutan. Selain itu, dielektrik gerbang tinggi-k yang digunakan dalam teknologi lanjutan biasanya mengarah pada penangkap stres yang ditingkatkan setelah proses plasma. Selama chargin plasma, jalur discharge melalui fin sempit dan ke substrat dapat mengarah pada tingkat stres yang tidak merata di seluruh wafer. Kerusakan plasma pada oksida gerbang transistor diketahui mengakibatkan degradasi lebih lanjut integritas dielektrik gerbang.

Kerusakan plasma pada film dielektrik gerbang dapat mengakibatkan degradasi performa dalam skenario chargin yang sangat tidak merata, bahkan kehilangan hasil, sebagai hasil dari kegagalan keandalan. Oleh karena itu, dalam teknologi FinFET lanjutan, perangkat uji dengan struktur antena diperbesar biasanya digunakan untuk memantau efek PID, yang memberikan umpan balik untuk optimasi proses lebih lanjut.

Ukuran yang paling umum dan banyak digunakan dari PID adalah karakteristik waktu-ke-kerusakan dari sampel uji dengan struktur antena besar. Kerusakan laten pada pola PID ini biasanya dicerminkan dengan mengukur degradasi yang bergantung pada waktu lapis dielektrik gerbang, sehingga gagal memberikan umpan balik real-time dari proses plasma. Selain itu, perangkat uji konvensional tidak dapat memberitahu sumber dan polaritas laju chargin plasma atau potensi pembentukan maksimum pada antena. Perekam PID dengan gerbang terapung yang dicopel oleh struktur antena telah diusulkan dengan kemampuan deteksi in situ dalam studi kami sebelumnya. Dalam karya ini, kami mengusulkan perekam PID yang direvisi dengan fitur pemisahan muatan. Melalui dioda maju dan dioda mundur yang terhubung ke struktur antena yang sama, desain baru ini menyediakan jalur terpisah untuk muatan positif dan negatif. Oleh karena itu, tingkat chargin dari kedua polaritas dapat dicatat secara independen. Perekam muatan plasma in situ baru (CSIR) yang hanya memerlukan antena kecil memungkinkan studi lebih lanjut tentang efek chargin plasma dalam proses MEOL.

Metode

Polaritas Chargin Plasma

Studi sebelumnya melaporkan bahwa, selama proses etch dalam pembentukan lapis poli atau logam, ketidakhomogenan plasma serta variasi potensi antena dapat mengakibatkan perbedaan yang drastis dalam laju chargin atau bahkan polaritas mungkin berubah di lokasi yang berbeda. Makro-lingkungan dalam ruang plasma dan pola mikro dapat mempengaruhi distribusi laju chargin pada wafer. Namanya, laju chargin plasma dalam proses etch BEOL bervariasi secara spasial dan waktu. Dalam proses plasma RF, permukaan wafer mengumpulkan arus chargin, J_p, yang terdiri dari arus ion J_i dan arus elektron J_e. Arus ion hampir konstan dengan waktu dan ditentukan oleh densitas ion J_i dan kecepatan Bohm. Karena potensi plasma V_p(t) lebih tinggi dari potensi gerbang V_G sebagian besar waktu, arus elektron hanya mengalir selama periode pendek ketika potensi plasma dekat minimumnya. Dalam proses Q_FG, tegangan gerbang mungkin meningkat atau menurun selama banyak siklus RF, tergantung pada komponen arus mana yang lebih besar, hingga tegangan gerbang steady-state tercapai ketika arus tunneling menyeimbangkan J_p pada antena. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 1, distribusi laju chargin plasma, J_P(x,y,t), di garis tengah wafer selama proses etch pada berbagai tahap berubah baik dalam magnitudo maupun polaritas, di mana dapat diekspresikan sebagai dalam Persamaan (1) di mana J_e mewakili densitas arus elektron, dan J_i mewakili densitas arus ion.

Distribusi laju chargin plasma yang diinduksi di garis tengah wafer selama proses etch pada waktu yang berbeda. Polaritas chargin plasma pada lokasi tertentu mungkin berubah seiring waktu

Polaritas chargin plasma yang berbeda menghasilkan muatan antena positif atau negatif, Q_P, yang terakumulasi pada waktu dan lokasi yang berbeda. Untuk memperjelas, pada waktu t₁, J_p negatif menghasilkan muatan antena negatif Q−. Pada t₂, J_p positif menginduksi muatan antena positif Q+ pada lokasi yang sama pada wafer, seperti diilustrasikan dalam Gambar 1. Oleh karena itu, muatan positif atau negatif dapat terakumulasi pada antena yang sama pada waktu yang berbeda selama proses etch. Dari laporan sebelumnya, level puncak J_e dan J_i sekitar −0,15 dan 0,35 mA/cm², masing-masing. Temukan bahwa stres gerbang DC dan AC/bi-direksional pada FinFET n-channel dan p-channel menghasilkan kerusakan laten yang berbeda pada film dielektrik gerbang. Tegangan stres DC positif atau negatif dan tegangan AC dengan frekvensi switching 0,1 Hz diterapkan pada sampel uji FinFET konvensional, masing-masing. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 2, waktu-ke-kerusakan (T_BD) dari transistor yang diestres oleh chargin positif, negatif, dan gerbang keduanya dibandingkan. Hasilnya menunjukkan bahwa stres gerbang DC akan menyebabkan kerusakan yang lebih buruk pada sampel, sedangkan stres gerbang AC menghasilkan kerusakan yang kurang parah pada transistor ini, seperti yang disarankan oleh T_BD yang lebih lama untuk sampel yang diestres secara bi-direksional. Gambar 2 juga menunjukkan bahwa degrada oksida tidak hanya bergantung pada polaritas chargin, tetapi juga pada tipe well di bawah transistor n-channel dan p-channel, yang diharapkan disebabkan oleh perbedaan dalam jalur discharge dari perangkat uji ini selama proses. Oleh karena itu, detektor PID konvensional, yang menggunakan T_BD sebagai indikator keparahan kerusakan tidak dapat mencerminkan tingkat chargin plasma selama proses. Di sisi lain, perekam chargin plasma yang diusulkan dalam pekerjaan kami sebelumnya mencatat tingkat stres dengan menyuntikkan atau mengeluarkan elektron dari/ke gerbang terapung (FG) yang dicopel oleh antena pengumpul muatan. Data yang dicatat, muatan gerbang terapung (Q_FG), dibaca setelah fabrikasi. Perekaman kemudian diukur oleh perpindahan tegangan ambang pada transistor baca, yang salurannya dikontrol dan diarahkan oleh gerbang terapung yang sama. Potensi yang ditingkatkan pada antena dengan Q_P dari chargin plasma dapat menginduksi tegangan antena positif dan negatif selama pembentukan satu lapis logam. Lebih jauh, untuk lapis logam yang berbeda, parameter manufaktur yang berbeda digunakan. Misalnya, waktu etch, kimia yang digunakan, dan suhu ruang kamar mungkin bervariasi. Parameter ini dapat mempengaruhi distribusi muatan antena di seluruh wafer selama etch. Dalam kasus lain, transistor dengan koneksi ke beberapa lapis logam tertunduk pada urutan chargin plasma yang lebih kompleks, seperti diilustrasikan Gambar 3a.

Waktu-ke-kerusakan (T_BD) dari FinFET n-channel dan p-channel yang diestres oleh chargin positif, negatif, dan positif + negatif pada elektroda gerbang. T_BD dari perangkat di bawah stres polaritas yang berbeda menunjukkan bahwa kerusakan yang terakumulasi pada film dielektrik gerbang tidak hanya bergantung pada polaritas chargin, tetapi juga pada well di bawah FinFET yang sesuai

a Efek chargin plasma untuk lapis logam yang berbeda bervariasi pada lokasi yang berbeda di seluruh wafer. b Muatan positif dan negatif mungkin mengkompensasi satu sama lain dalam lapis logam yang tumpuk

Pada berbagai tahap proses BEOL, arus chargin plasma pada antena tertentu dapat beralih antara arus ion dan arus elektron, yaitu, Q_P bersih juga dapat bergeser dari positif ke negatif. Perekaman pada sampel dengan antena yang terdiri dari logam 2, logam 3, logam 4, dan beberapa lapis logam diringkas dalam Gambar 3b. Data menunjukkan chargin bersih dari satu lapis logam pada perubahan polaritas tertentu dari lapis ke lapis. Selain itu, efek perataan yang ditemukan pada Q_FG dari sampel dengan struktur antena beberapa lapis logam lebih didukung oleh data terukur dalam Gambar 3b. Dengan V_G positif dan negatif pada antena, Q_FG akhir kemudian akan diaveraging oleh injeksi dan ekstraksi elektron ke/dari FG yang mungkin terjadi secara berurutan. Efeksi kompensasi ini akan membatasi perekam untuk mengungkapkan kondisi stres aktual yang dialami perangkat selama proses plasma. CSIR yang direvisi dirancang untuk mengatasi masalah bagaimana mencatat secara individual efek chargin positif dan negatif tanpa interferensi dan untuk menyediakan data yang lebih rinci tentang situasi chargin di ruang plasma.

Pola Uji untuk Pemisahan Muatan

Dalam penelitian ini, chargin ion positif dan chargin elektron negatif pada antena dapat dipisahkan dengan perekam muatan plasma in situ baru (CSIR) yang diusulkan, seperti diilustrasikan dalam Gambar 4a. CSIR terdiri dari dua gerbang terapung, FG₁ dan FG₂ yang mencatat berbagai jenis efek chargin secara terpisah. Struktur antena terhubung ke dua gerbang copel melalui dioda maju (D1) dan dioda mundur (D2), masing-masing. Di setengah kiri struktur, muatan positif akan mengalir ke gerbang copel 1 (CG₁) melalui D1. Ketika CG₁ terisi positif, tegangan dicopel ke gerbang terapung melalui slot kontak di kedua sisi. Gerbang terapung akan terisi negatif saat elektron menyuntik dari substrat. Di setengah kanan struktur di sisi lain adalah jalur chargin negatif, yang memungkinkan arus mengalir dari antena ke gerbang copel 2 (CG₂) melalui D2, menghasilkan Q_FG positif. Gambar 4b lebih lanjut menunjukkan tampilan potongan CSIR dengan dioda pn on-chip, mengarahkan jalur chargin positif dan negatif ke gerbang copel yang terpisah, CG₁ dan CG₂, yang mencopel potensi pada antena ke FG₁ dan FG₂, masing-masing.

a Perekam muatan plasma in situ pemisahan muatan dengan dua gerbang terapung terpisah dengan menghubungkan ke dioda maju (D1) dan dioda mundur (D2) untuk mendeteksi chargin elektron/ion, masing-masing. b Ilustrasi potongan dari perekam muatan plasma in situ pemisahan muatan baru dengan dioda pn on-chip, mengarahkan muatan positif dan negatif ke gerbang copel yang terpisah, CG₁ dan CG₂

Ketika setengah kiri perekam diaktifkan dalam CSIR di bawah antena yang terisi positif, setengah kanan tidak aktif karena muatan diblokir oleh dioda mundur, dan sebaliknya. Kedua dioda on-chip terdiri dari n+/p-well. Untuk D2, untuk menahan tegangan negatif dalam p-wellnya, wilayah p perlu dikelilingi oleh n-well dalam, yang memblokir jalur chargin secara langsung ke substrat. Distribusi potensi yang disimulasikan pada potongan dalam CSIR selama periode chargin antena positif dan negatif ditunjukkan dalam Gambar 5a dan b, masing-masing. Asumsikan potensi pada antena mencapai 5 V, melalui dioda di kiri, muatan positif mengalir ke gerbang kontrol di kiri, yang menghasilkan tegangan positif tinggi (V_CG1). Pada saat yang sama, muatan positif diblokir oleh dioda di kanan, menghasilkan V_CG2 yang mendekati nol. Perbedaan potensi pada kedua gerbang kontrol diverifikasi oleh kontur potensi yang disimulasikan dalam Gambar 5a. Efek chargin negatif pada antena ditunjukkan dalam Gambar 5b. Profil potensi yang disimulasikan memverifikasi bahwa dioda pn on-chip dapat secara efektif mengarahkan dan memblokir potensi ke CG₁ dan CG₂, secara komplementer, seperti yang dirancang. Dengan cara ini, tingkat chargin positif dan negatif yang sesuai dengan sumber berbeda dalam perawatan plasma dapat diperoleh secara independen, mencegah masalah kompensasi dan interferensi muatan pada detektor.

Distribusi potensi yang disimulasikan dalam CSIR dengan tegangan gerbang antena positif dan negatif. Dioda pn maju dan mundur berhasil memisahkan polaritas muatan antena

Hasil dan Pembahasan

Perpindahan tegangan ambang yang diukur (ΔV_T) pada perangkat yang dikontrol oleh FG₁ dengan dioda maju dan oleh FG₂ dengan dioda mundur dan sampel tanpa dioda dibandingkan dalam Gambar 6. Data di sepanjang garis tengah wafer mengungkapkan bahwa perekam dengan satu gerbang terapung memang tunduk pada kompensasi muatan bahkan dalam proses satu lapis logam. Efek perataan dari perekam tanpa dioda membuktikan bahwa laju chargin puncak tidak akan dicerminkan secara benar. Di sisi lain, bacaan dari CSIR baru dapat menyediakan tingkat chargin positif dan negatif, secara independen. Untuk menyelidiki lebih lanjut efek chargin plasma dalam pembentukan logam 2 (M2), muatan yang dikumpulkan pada FG₁ dan FG₂ dari CSIR setiap die dapat dihitung secara independen oleh Persamaan (2),

di mana Q_FG adalah muatan dalam gerbang terapung. C_T adalah kapasitansi total gerbang terapung, seperti diilustrasikan dalam Gambar 7. ΔV_T adalah perpindahan tegangan ambang yang terdeteksi pada gerbang baca perekam, sedangkan α_RG adalah rasio copel dari gerbang baca.

Distribusi delta V_T pada FG₁ dengan dioda maju dan FG₂ dengan dioda mundur, dan FG tanpa dioda di sepanjang garis tengah wafer

a Diagram skematis model jaringan kapasitansi dalam perangkat CSIR. b Kapasitansi total gerbang terapung adalah semua kapasitansi yang disebutkan dalam seri ditambah yang dalam paralel

Ketika muatan gerbang terapung awalnya nol dan Q_FG mencapai tingkat jenuh ketika medan listrik di seluruh lapis dielektrik gerbang dikurangi ke nol, potensi gerbang antena akhir pada akhir proses plasma dapat diekspresikan sebagai berikut,

di mana V_ANT adalah potensi gerbang antena oleh chargin plasma dan α_ANT mewakili rasio copel ke gerbang terapung dari gerbang antena. V_FB adalah tegangan flatband dari gerbang logam ke fin-substrat. Di bawah waktu proses yang diberikan, densitas arus chargin plasma rata-rata, J_p dapat diproyeksikan oleh Persamaan (4).

di mana Δt adalah durasi proses plasma dan C_ANT adalah kapasitansi total antena logam, sedangkan A_ANT adalah area chargin antena. Semua parameter yang digunakan dalam perhitungan di atas diringkas dalam Tabel 1.

Distribusi laju chargin positif dan negatif di seluruh wafer selama proses lapis logam atas (logam 9) dan lapis logam bawah (logam 2) lebih dibandingkan dalam Gambar 8. Ini menyiratkan bahwa chargin pada struktur antena lebih signifikan pada level logam yang lebih tinggi (logam 9), karena pada logam 9, energi plasma yang lebih tinggi menyebabkan J_p lebih besar dari J_p dari logam 2 dalam hal magnitudo. Juga, data menunjukkan bahwa laju chargin elektron dan ion puncak di sekitar pusat untuk kedua kasusnya. Seperti yang diharapkan, die yang dekat dengan pusat wafer mengalami tingkat chargin tinggi, yang dapat dikaitkan dengan jalur discharge yang lebih lama selama perawatan plasma. Efek lokasi ini ditemukan identik untuk kondisi chargin elektron dan ion yang dominan. Laju chargin plasma yang diproyeksikan, J_P(x,y), yang diaverage selama pembentukan satu lapis logam, logam 2 (M2) dan logam 9 (M9), lebih dibandingkan dalam Gambar 9. Peta wafer ini mengungkapkan bahwa laju chargin elektron tampaknya berada di plat-form kecuali di tepi, sementara laju chargin ion menunjukkan variasi yang lebih tinggi di bagian tengah wafer. Di masa depan, peta wafer ini di bawah berbagai kondisi proses diharapkan memberikan wawasan tentang ruang plasma, atau pedoman optimasi lebih lanjut dengan mengkompensasi efek chargin yang lebih baik.

Perbandingan laju chargin positif dan negatif di garis tengah wafer untuk proses logam 2 dan logam 9. Laju chargin puncak di sekitar pusat yang berarti kerusakan yang diinduksi plasma lebih parah di tengah wafer

Laju chargin elektron dan ion yang diproyeksikan, J_e(x,y) dan J_i(x,y) diperoleh oleh perekam pemisahan muatan di seluruh permukaan etch selama pembentukan logam 2 dan logam 9

Efek Rasio Antena

Perangkat pemantau PID tradisional biasanya dirancang untuk memperkuat efek PID dengan menghubungkan gerbang transistor secara langsung ke antena besar, mengevaluasi tingkat stres dengan peningkatan Q_P total yang diharapkan akan discharge melalui wilayah saluran kecil. Rasio antena (AR) proporsional dengan densitas arus stres melalui dielektrik gerbang selama proses plasma. Q_P besar pada antena dikenal menginduksi kerusakan laten dan/atau jebakan dalam lapis dielektrik, yang pada akhirnya mengarah pada degrada keandalan. Seperti yang diharapkan, AR yang lebih tinggi pada FinFET konvensional secara signifikan meningkatkan tingkat stres, menyebabkan degrada T_BD yang lebih parah, yaitu kegagalan perangkat dalam periode operasi yang lebih pendek, lihat Gambar 10. Di sisi lain, dalam CSIR, tingkat chargin plasma yang dicatat sebagai muatan gerbang terapung, Q_FG, menunjukkan efek antena yang sangat kecil. Namanya, itu tidak merespons peningkatan area antena, seperti yang diungkapkan oleh data yang diringkas dalam Gambar 11.

a Karakteristik waktu-ke-kerusakan I_G vs waktu dari detektor PID konvensional dengan peningkatan ukuran antena. b T_BD menurun drastis saat AR melebihi 1000

a Seiring meningkatnya kapasitansi antena, V_CG menjadi independen dari AR. b Q_FG jenuh saat AR melebihi 100×

Dalam CSIR baru berbasis gerbang terapung, rasio antena (AR) akan mempengaruhi potensi puncak pada gerbang copel selama chargin plasma. Dalam teknologi yang diskalakan, kapasitansi parasit pada struktur koneksi dan copel diharapkan berkurang, yang mengarah pada sensitivitas AR yang lebih rendah terhadap hasil perekaman. Alasan yang menyebabkan perbedaan yang begitu jelas dalam efek AR antara CSIR dan detektor konvensional adalah sebagai berikut. Dalam perekam gerbang terapung ini, muatan yang terakumulasi pada antena, Q_P tidak akan discharge melalui area saluran. Q_P yang meningkat meningkatkan V_CG, yang mengarah pada injeksi atau ekstraksi elektron ke/dari gerbang terapung. Seperti yang ditunjukkan dalam kapasitansi yang disimulasikan dalam Gambar 11a, kapasitansi antena, C_ant, meningkat proporsional dengan area antena, A_ant. Dengan arus chargin total yang sebanding dengan area antena, AR yang meningkat dalam CSIR tidak akan mempengaruhi potensi pada antena. Data pengukuran mengungkapkan bahwa tingkat Q_FG tetap sama untuk CSIR dengan AR melebihi 100×.

Fitur ini tidak hanya menghemat area pola uji, tetapi juga memungkinkan menemukan 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 uji untuk memahami PID dalam proses MEOL dan kontak.

Akhirnya, ringkasan performa CSIR baru untuk memantau PID dalam proses BEOL FinFET lanjutan diringkas dalam Tabel 2. Rentang sensi detektor tradisional adalah AR, sementara rentang sensi perekam in situ baru didasarkan pada panjang gerbang terapung. Lebih jauh, area perekam in situ baru dapat sangat kecil. Yang paling penting, CSIR baru dapat memberikan umpan balik real-time dari proses plasma dan memisahkan tingkat laju chargin ion dan elektron, secara independen.

Kesimpulan

Perekam muatan plasma in situ pemisahan muatan baru (CSIR) untuk memantau kerusakan yang diinduksi plasma pertama kali diusulkan dan divalidasi. CSIR menyediakan alat yang kuat untuk memahami laju chargin elektron dan ion dalam ruang plasma secara bersamaan. Peta wafer dapat memfasilitasi studi lebih lanjut antara korelasi keandalan perangkat dan efek chargin individual ini.

Riwayat Perubahan