CSIR: Времянной мониторинг плазменного заряда для BEOL фабricации FinFET

Аннотация

Новое устройство для мониторинга плазменно-индуцированного повреждения в задней части линии (BEOL) процесса с возможностью разделения заряда впервые предложено и продемонстрировано. Этот новый зарядовой разделенный in-situ рекордер (CSIR) может независимо отслеживать количество и полярность плазменных зарядовых эффектов во время производственного процесса передовых схем с плавковыми полевыми транзисторами (FinFET). Он не только раскрывает реальное время и in-situ плазменные заряды на антеннах, но и разделяет положительные и отрицательные зарядовые эффекты, предоставляя два независимых показания. Поскольку CMOS технологии движутся к более тонким металлическим линиям в будущем, новая схема разделения заряда предоставляет мощный инструмент для оптимизации BEOL процесса и дальнейшего улучшения надежности устройств.

Введение

Плазменно-усиленные процессы широко используются в формировании схем с плавковыми полевыми транзисторами (FinFET), которые состоят из множества высокоаспектных структур и тонких металлических линий. Во время производства, этапы травления и осаждения для реализации этих 3D композиций могут приводить к значительному плазменно-индуцированному напряжению к FinFET устройствам. По мере продвижения CMOS FinFET технологии, ширина и шаг металлических линий уменьшаются агрессивнее, чем их высота, что требует формирования высокоаспектных траншей, определенных крайне тонкими линиями. Неизбежно это усугубляет тяжесть плазменно-индуцированного повреждения (PID) транзисторам, и его соответствующий эффект на надежность схем становится одной из ключевых проблем в развитии FinFET технологий. При формировании малых контактов, виа и тонких металлических линий обычно применяют сильную мощность и высокую селективность плазмы. Кроме того, при травлении объемного плавка, спуттерирование реактивных ионов на поверхности плавка может приводить к дефектам в объемном плавке, критичным для характеристик транзисторов. Для обеспечения металлических плавковых затворов и плотных интерконнектных структур сложные металлические стеки все чаще используются в передовых FinFET технологиях. Кроме того, высоко-k затворной диэлектрик, используемый в передовых технологиях, обычно приводит к усиленному стресс-индуцированному захвату после плазменного процесса. Во время плазменного заряда, разрядной путь через узкие плавки и к подложке может приводить к более неравномерным уровням напряжения по всей подложке. Плазменно-индуцированное напряжение на затворном оксиде транзистора известно как приводящее к дальнейшей деградации целостности затворного диэлектрика.

Плазменно-индуцированное повреждение на затворной диэлектрической пленке может приводить к деградации производительности в сильно неравномерных сценариях зарядки, даже к потерям выхода, как результат надежностных отказов. Таким образом, в передовых FinFET технологиях тестовые устройства с увеличенными антенными структурами обычно используются для мониторинга PID эффектов, которые предоставляют обратную связь для дальнейшей оптимизации процесса.

Наиболее распространенная и широко используемая мера PID — временная характеристика пробоя тестовых образцов с большими антенными структурами. Скрытое повреждение на этих PID паттернах обычно отражается измерением время-зависимой деградации затворных диэлектрических слоев, следовательно, не давая реального времени обратной связи плазменных процессов. Кроме того, конвенциональные тестовые устройства не могут сообщить источники и полярность плазменно-индуцированной скорости зарядки или максимального накопления потенциала на антенне. PID рекордер с плавающим затвором, связанным антенной структурой, был предложен с in-situ детекционной способностью в нашем предыдущем исследовании. В этой работе мы предложили пересмотренный PID рекордер с функцией разделения заряда. Через прямой диод и обратный диод, соединенные с общей антенной структурой, новый дизайн предоставляет отдельные пути для положительных и отрицательных зарядов. Следовательно, уровни зарядки обеих полярностей могут быть независимо записаны. Этот новый зарядовой разделенный in-situ рекордер (CSIR), требующий только малые антенны, позволяет будущее изучение плазменного зарядного эффекта в средней части линии (MEOL) процессах.

Методы

Полярность плазменного заряда

Предыдущие исследования сообщали, что во время процесса травления при формировании поли- или металлических слоев, неоднородность плазмы, а также вариации антенного потенциала могут приводить к резкой разнице в скорости зарядки или даже полярности могут меняться в разных локациях. Макро-окружение в плазменной камере и микро-паттерны могут оба влиять на распределение скоростей зарядки на подложке. А именно, плазменная скорость зарядки в BEOL травлении варьируется пространственно и временно. Во время радиочастотных (RF) плазменных процессов поверхность подложки собирает зарядовый ток, J_p, состоящий из ионного тока J_i и электронного тока J_e. Ионный ток почти постоянно во времени и определяется ионной плотностью J_i и скоростью Бома. Поскольку плазменный потенциал V_p(t) выше затворного потенциала V_G большую часть времени, электронный ток течет только в короткие периоды, когда плазменный потенциал близок к минимуму. Во время процесса Q_FG, затворное напряжение может увеличиваться или уменьшаться за многие RF циклы, в зависимости от того, какой компонент токов больше, до достижения стационарного затворного напряжения, когда туннельный ток балансирует J_p на антенне. Как показано на Рис. 1, распределение плазменно-индуцированной скорости зарядки, J_p(x,y,t), по подложке во время процесса травления на разных стадиях меняется как по величине, так и по полярностям, где оно может быть выражено как в Ур. (1), где J_e представляет плотность электронного тока, а J_i — плотность ионного тока.

Разные плазменные зарядов полярности приводят к либо положительному, либо отрицательному антенному заряду, Q_P, накапливающемуся в разное время и локацию. Для ясности, в момент t₁, отрицательный J_p приводит к отрицательному антенному заряду Q−. В t₂, положительный J_p индуцирует положительный антенный заряд Q+ на идентичной локации на подложке, как показано на Рис. 1. Таким образом, положительный или отрицательный заряд может накапливаться на одной антенне в разное время во время процесса травления. Из предыдущих отчетов, пиковые уровни J_e и J_i находятся около -0,15 и 0,35 мА/см² соответственно. Было найдено, что DC и AC/двунаправленный затворной стресс на n-канальных и p-канальных FinFET приводит к разному латентному повреждению затворной диэлектрической пленки. Высоковольтные стрессы с положительным или отрицательным DC смещением и AC напряжение с частотой переключения 0,1 Гц применялись к конвенциональным FinFET тестовым образцам соответственно. Как показано на Рис. 2, время-пробоя (T_BD) транзистора, стрессированного положительным, отрицательным и затворным стрессом в обоих направлениях, сравниваются. Результаты указывают, что DC затворной стресс вызовет худшее повреждение на образцах, в то время как AC затворной стресс приводит к менее серьезному повреждению этих транзисторов, как предлагает более длительное T_BD для образцов, подвергнутых двунаправленному стрессу. Рисунок 2 также показывает, что оксидная деградация зависит не только от зарядовой полярности, но и от типа колодцев под n-канальными и p-канальными транзисторами, что ожидается быть вызванным разницей в разрядных путях этих тестовых устройств во время процесса. Следовательно, конвенциональный PID детектор, использующий T_BD как индикатор тяжести повреждения, не может отразить плазменный зарядовой уровень во время процесса. С другой стороны, плазменный зарядовой рекордер, предложенный в нашей предыдущей работе, записывает уровень стресса путем инъекции или извлечения электрона в/из плавающего затвора (FG), связанного антенной, собирающей заряд. Записанные данные, плавающий затворной заряд (Q_FG), считываются впоследствии после фабрикации. Запись затем измеряется сдвигом порогового напряжения на читающем транзисторе, чей канал контролируется и направляется тем же плавающим затвором. Поднятый потенциал на антенне с Q_P от плазменной зарядки может индуцировать как положительное, так и отрицательное антенное напряжение во время формирования одного металлического слоя. Кроме того, для разных металлических слоев используются разные производственные параметры. Например, время травления, используемая химия и температуры камеры могут варьироваться. Эти параметры могут влиять на распределение антенного заряда по подложке во время травления. В других случаях транзистор с соединениями к нескольким металлическим слоям подвергается еще более сложным плазменным зарядовой последовательностям, как проиллюстрировано Рис. 3a.

На разных стадиях BEOL процесса плазменный зарядовой ток на конкретной антенне может переключаться между ионным и электронным током, то есть чистый Q_P может также смещаться от положительного к отрицательному. Записи на образцах с антенной, состоящей из металл 2, металл 3, металл 4 и множественных металлических слоев, суммированы на Рис. 3b. Данные предполагают чистую зарядку одного металлического слоя на конкретной изменении полярности от слоя к слоям. Кроме того, усредняющий эффект, найденный на Q_FG образцов с антенными структурами множественных металлических слоев, дополнительно подтверждается измеренными данными на Рис. 3b. С обоими положительным и отрицательным V_G на антенне, окончательный Q_FG будет затем усреднен электронной инъекцией и извлечением в/из FG, которые могут происходить последовательно. Этот эффект компенсации ограничит рекордер в раскрытии реальных стрессовых условий, переживаемых устройством во время плазменных процессов. Пересмотренный CSIR разработан для решения проблемы о том, как индивидуально записывать положительные и отрицательные зарядовые эффекты без интерференции и обеспечивать более детальные данные о зарядовой ситуации в плазменной камере.

Тестовый паттерн для разделения заряда

В этом исследовании положительный ионный заряд и отрицательный электронный заряд на антенне могут быть разделены с новым зарядовой разделенный in-situ рекордером (CSIR), предложенным, как проиллюстрировано на Рис. 4a. CSIR состоит из двух плавающих затворов, FG₁ и FG₂, которые записывают разные типы зарядовых эффектов отдельно. Антенная структура соединяется с двумя связующими затворами через прямой диод (D1) и обратный диод (D2) соответственно. В левой половине структуры положительные заряды текут в связующий затвор 1 (CG₁) через D1. Когда CG₁ положительно заряжен, напряжение связывается с плавающим затвором через контактные слоты с обеих сторон. Плавающий затвор будет негативно заряжен, так как электроны инъецируются из подложки. Правая половина структуры с другой стороны — это отрицательный зарядовой путь, позволяющий току течь от антенны в связующий затвор 2 (CG₂) через D2, результатом чего является положительный Q_FG. Рисунок 4b дополнительно показывает поперечный вид CSIR с on-chip pn диодами, направляющими положительные и отрицательные заряды к отдельным связующим затворам, CG₁ и CG₂, которые связывают потенциал на антенне к FG₁ и FG₂ соответственно.

Когда левая половина рекордера включены в CSIR под положительно заряженной антенной, правая половина неактивна, так как заряд блокируется обратным диодом, и наоборот. Оба on-chip диода состоят из n+/p-колодец. Для D2, чтобы удержать отрицательное напряжение в его p-колодце, p-регион должен быть окружен глубоким n-колодцем, блокируя зарядовой путь напрямую к подложке. Смоделированное распределение потенциала на поперечнике в CSIR под положительными и отрицательными зарядними периодами антенны показано на Рис. 5a и b соответственно. Предполагая, что потенциал на антенне достигает 5 В, через диод слева положительный заряд течет в управляющий затвор слева, что приводит к высокому положительному напряжению (V_CG1). В то же время положительный заряд блокируется диодом справа, результатом чего является близкое к нулю V_CG2. Разница в потенциале на двух управляющих затворах проверяется смоделированными потенциальными контурами на Рис. 5a. Эффект отрицательной зарядки на антенне показан на Рис. 5b. Смоделированные потенциальные профили подтверждают, что on-chip pn диоды могут эффективно направлять и блокировать потенциал к CG₁ и CG₂, комплементарно, как спроектировано. Таким образом, положительные и отрицательные зарядовые эффекты, соответствующие разным источникам в плазменных обработках, могут быть независимо получены, предотвращая проблемы компенсации заряда и интерференции на детекторе.

Результаты и обсуждение

Измеренный сдвиг порогового напряжения (ΔV_T) на устройстве, контролируемом FG₁ с прямым диодом, и тем, что FG₂ с обратным диодом, и образцами без диода сравниваются на Рис. 6. Данные вдоль центральной линии подложки раскрывают, что рекордер с единственным плавающим затвором подвергается зарядовой нейтрализации даже в пределах обработки единственного металлического слоя. Усредняющий эффект рекордера без диода доказывает, что пиковые скорости зарядки не будут отражены правдиво. С другой стороны, показания от нового CSIR могут предоставлять положительные и отрицательные уровни зарядки независимо. Для дальнейшего изучения плазменного зарядового эффекта в формировании металл 2 (M2), собранный заряд на FG₁ и FG₂ CSIR каждого дай может быть независимо рассчитан по Ур. (2),

где Q_FG — заряд в плавающем затворе. C_T — общая емкость плавающего затвора, как проиллюстрировано на Рис. 7. ΔV_T — сдвиг порогового напряжения, детектированный на читающем затворе рекордера, тогда как α_RG — коэффициент связи от читающего затвора.

Когда заряд плавающего затвора изначально нулевой и Q_FG достигает насыщенного уровня, когда электрическое поле через затворной диэлектрический слой снижается до нуля, окончательный антенный затворной потенциал в конце плазменного процесса может быть выражен как:

где V_ANT — антенный затворной потенциал плазменной зарядкой, α_ANT — коэффициент связи к плавающему затвору от антенного затвора. V_FB — пласко-полосное напряжение от металлического затвора к плавок-подложке. При заданном процессном времени средняя плазменная зарядовая плотность тока, J_p, может быть спроецирована по Ур. (4).

где Δt — длительность плазменного процесса, C_ANT — общая емкость металлической антенны, а A_ANT — зарядовая площадь антенны. Все параметры, использованные в вышеуказанных расчетах, суммированы в Таблице 1.

Распределение положительных и отрицательных скоростей зарядки по подложке во время обработки верхнего (металл 9) и нижнего металла (металл 2) слоев дополнительно сравниваются на Рис. 8. Это подразумевает, что зарядка на антенной структуре более выражена на более высоких металлических уровнях (металл 9), потому что на металл 9 его более высокая плазменная энергия заставляет J_p быть большим по величине, чем J_p металла 2. Также данные предполагают, что и электронные, и ионные скорости зарядки достигают пика вокруг центра для обоих случаев. Как ожидалось, дайы, близкие к центру подложки, испытывают высокий уровень зарядки, что может быть приписано более длинному разрядному пути во время плазменной обработки. Этот локационный эффект найден идентичным для обоих более электронных и ионных заряднике доминирующих условиях. Проецируемые плазменные скорости зарядки, J_P(x,y), усредненные за формирование единственного металлического слоя, металл 2 (M2) и металл 9 (M9), дополнительно сравниваются на Рис. 9. Эти карты подложки раскрывают, что электронная скорость зарядки, кажется, находится на плато, кроме края, в то время как ионные скорости зарядки показывают более высокую вариацию в средней секции подложки. В будущем эти карты подложки под разными процессными условиями ожидается предоставят инсайты в плазменную камеру или дальнейшие руководства по оптимизации путем лучшей компенсации зарядовых эффектов.

Эффект антенного отношения

Традиционные PID мониторинг устройства обычно проектируются для усиления PID эффекта путем прямого соединения затворов транзистора с большой антенной, оценивая уровни стресса увеличением общего Q_P, ожидаемого разряжаемого через малую канальную область. Антенное отношение (AR) пропорционально стрессовой плотности тока через затворной диэлектрик во время плазменных процессов. Большой Q_P на антенне известен как индуцирующий латентное повреждение и/или ловушки в диэлектрическом слое, что в конечном итоге приводит к деградации надежности. Как ожидалось, более высокое AR на конвенциональных FinFET действительно значительно повышает уровни стресса, вызывая более серьезную деградацию T_BD, а именно, отказ устройства в более коротком периоде эксплуатации, см. Рис. 10. С другой стороны, в CSIR плазменный зарядовой уровень, записанный как плавающий затворной заряд, Q_FG, показывает очень малое антенное воздействие. А именно, он не реагирует на увеличение площади антенны, как раскрыто данными, суммированными на Рис. 11.

В новом плавающий-затворном CSIR антенное отношение (AR) будет влиять на пиковый потенциал на связующих затворах во время плазменной зарядки. В масштабированных технологиях паразитные емкости на соединении и связующей структуре ожидается уменьшаться, приводя к меньшей AR чувствительности на результатах записи. Причины, ведущие к такому очевидному различию AR эффекта между CSIR и конвенциональными детекторами, следующие. В этих плавающий-затворных рекордерах заряд, накопленный на антенне, Q_P не будет разряжен через канальную область. Увеличенный Q_P поднимает V_CG, приводя к электронной инъекции или извлечению в/из плавающих затворов. Как показано в смоделированной емкости на Рис. 11a, емкость антенны, C_ant, увеличивается пропорционально площади антенны, A_ant. С общим зарядовым током, прямо пропорциональным площади антенны, увеличенное AR в CSIR не повлияет на потенциал на антенне. Измеренные данные раскрывают, что уровень Q_FG остается примерно одинаковым для CSIR с AR превышающим 100×.

Эта особенность не только экономит площадь тестового паттерна, но и позволяет находить J_P(x,y) с более высоким пространственным разрешением для изучения эффекта паттернирования на PID. Кроме того, детектор с малой антенной может облегчить проектирование тестовых паттернов для понимания PID в средней части линии (MEOL) и контактных процессах.

Наконец, сводка производительности нового CSIR для мониторинга PID в передовых BEOL FinFET процессах суммирована в Таблице 2. Чувствительный диапазон традиционного детектора — AR, в то время как чувствительный диапазон нового in-situ рекордера основан на длине плавающего затвора. Кроме того, площадь нового in-situ рекордера может быть очень малой. Самое главное, новый CSIR может предоставлять реальное время обратной связи плазменного процесса и отделять уровни ионной зарядки и электронной скорости зарядки независимо.

Заключение

Новый зарядовой разделенный in-situ рекордер (CSIR) для мониторинга плазменно-индуцированного повреждения впервые предложен и продемонстрирован. CSIR предоставляет мощный инструмент для понимания электронной зарядки и ионной скорости зарядки в плазменной камере одновременно. Карты подложки могут облегчить дальнейшее изучение корреляции между надежностью устройства и этими индивидуальными зарядовыми эффектами.

История изменений