CSIR : Surveillance en temps réel de la charge plasma pour la fabrication BEOL FinFET

Résumé

Un nouveau dispositif pour surveiller les dommages induits par plasma dans le processus back-end-of-line (BEOL) avec capacité de séparation de charge est proposé et démontré pour la première fois. Ce nouveau enregistreur in situ à séparation de charge (CSIR) peut tracer indépendamment la quantité et la polarité des effets de charge plasma pendant le processus de fabrication de circuits à transistors à effet de champ à ailerons (FinFET) avancés. Non seulement il révèle les niveaux de charge plasma en temps réel et in situ sur les antennes, mais il sépare aussi les effets de charge positive et négative et fournit deux lectures indépendantes. Alors que les technologies CMOS poussent vers des lignes métalliques plus fines à l'avenir, le nouveau schéma de séparation de charge fournit un outil puissant pour l'optimisation du processus BEOL et d'autres améliorations de fiabilité des dispositifs.

Contexte

Les processus assistés par plasma sont largement utilisés dans la formation de circuits à transistors à effet de champ à ailerons (FinFET), qui sont composés de nombreuses structures à rapport d'aspect élevé et de lignes métalliques fines. Pendant la fabrication, les étapes de gravure et de dépôt pour réaliser ces compositions 3D peuvent entraîner un stress significatif induit par plasma sur les dispositifs FinFET. À mesure que la technologie CMOS FinFET progresse, la largeur et le pas des lignes métalliques se réduisent plus agressivement que leur hauteur, nécessitant la formation de tranchées à rapport d'aspect élevé définies par des lignes extrêmement fines. Inévitablement, cela favorise la gravité des dommages induits par plasma (PID) sur les transistors, et son effet correspondant sur la fiabilité des circuits devient l'une des préoccupations clés dans le développement des technologies FinFET. Dans la formation de petits contacts, vias et lignes métalliques fines, une forte puissance et un plasma à haute sélectivité sont généralement appliqués. De plus, dans la gravure de l'aileron massif, le bombardement d'ions réactifs sur la surface de l'aileron peut mener à des défauts dans l'aileron massif, critiques pour les caractéristiques des transistors. Afin de permettre la grille métallique d'aileron et les structures d'interconnexion denses, des empilements métalliques complexes sont plus souvent utilisés dans les technologies FinFET avancées. En outre, le diélectrique de grille à haut-k utilisé dans la technologie avancée mène généralement à un piégeage accru induit par stress après processus plasma. Pendant la charge plasma, le chemin de décharge à travers les ailerons étroits et vers le substrat peut mener à des niveaux de stress plus non-uniformes à travers une wafer entière. Le stress induit par plasma sur l'oxyde de grille du transistor est connu pour résulter dans la dégradation supplémentaire de l'intégrité du diélectrique de grille.

Le dommage induit par plasma sur le film diélectrique de grille peut mener à une dégradation de performance dans des scénarios de charge hautement non-uniformes, même perte de rendement, comme résultat de défaillances de fiabilité. Ainsi, dans les technologies FinFET avancées, des dispositifs de test avec structures d'antenne élargies sont généralement utilisés pour surveiller les effets PID, qui fournissent des rétroactions pour l'optimisation du processus.

La mesure la plus courante et largement utilisée du PID est la caractéristique de temps-de-ruine des échantillons de test avec grandes structures d'antenne. Le dommage latent sur ces motifs PID est généralement reflété en mesurant la dégradation temporelle des couches diélectriques de grille, donc échouant à donner la rétroaction en temps réel des processus plasma. En outre, les dispositifs de test conventionnels ne peuvent pas dire les sources et la polarité du taux de charge induit par plasma et ou accumulation de potentiel maximal sur l'antenne. Un enregistreur PID avec une grille flottante couplée par structure d'antenne a été proposé avec capacité de détection in situ dans notre étude précédente. Dans ce travail, nous proposons un enregistreur PID révisé avec une fonction de séparation de charge. À travers une diode directe et une diode inverse connectées à une structure d'antenne commune, le nouveau design fournit des chemins séparés pour les charges positives et négatives. Par conséquent, les niveaux de charge des deux polarités peuvent être enregistrés indépendamment. Ce nouvel enregistreur in situ à séparation de charge (CSIR) ne nécessitant que de petites antennes permet l'étude future de l'effet de charge plasma dans les processus middle-end of the line (MEOL).

Méthodes

Polarité de charge plasma

Des études antérieures ont rapporté que, pendant le processus de gravure dans la formation de couches poly- ou métalliques, l'inhomogénéité du plasma ainsi que les variations du potentiel d'antenne peuvent mener à une différence drastique dans le taux de charge ou même les polarités peuvent changer à différents emplacements. L'environnement macro dans la chambre plasma et les micro-motifs peuvent tous deux affecter la distribution des taux de charge sur une wafer. À savoir, le taux de charge plasma dans la gravure back-end-of-line (BEOL) varie spatialement et temporellement. Pendant les processus plasma radiofréquence (RF), la surface de la wafer collecte le courant de charge, J_p, qui est composé d'un courant ionique J_i et d'un courant électronique J_e. Le courant ionique est presque constant dans le temps et est déterminé par la densité ionique J_i et la vitesse de Bohm. Puisque le potentiel plasma V_p(t) est plus élevé que le potentiel de grille V_G la plupart du temps, le courant électronique ne circule que pendant les courtes périodes où le potentiel plasma est près de son minimum. Pendant le processus Q_FG, la tension de grille peut augmenter ou diminuer sur de nombreux cycles RF, selon quelle composante des courants est plus grande, jusqu'à ce qu'une tension de grille d'état stable soit atteinte lorsque le courant de tunnel équilibre J_p sur l'antenne. Comme montré en Fig. 1, la distribution du taux de charge plasma, J_P(x,y,t), à travers la wafer pendant le processus de gravure à différents stades change en magnitude ainsi qu'en polarités, où il peut être exprimé comme dans l'Éq. (1) où J_e représente la densité de courant électronique, et J_i représente la densité de courant ionique.

Les différentes polarités de charge plasma résultent en soit une charge d'antenne positive ou négative, Q_P, accumulée à différents temps et emplacements. Pour clarifier, au temps t₁, un J_p négatif mène à une charge d'antenne négative Q⁻. À t₂, un J_p positif induit une charge d'antenne positive Q⁺ sur le même emplacement sur la wafer, comme illustré en Fig. 1. Ainsi, une charge positive ou négative peut s'accumuler sur une même antenne à différents moments pendant le processus de gravure. D'après des rapports précédents, les niveaux de crête de J_e et J_i sont autour de -0,15 et 0,35 mA/cm² respectivement. Il a été trouvé que les contraintes de grille DC et AC/bidirectionnelles sur FinFET n-canal et p-canal résultent en différents dommages latents au film diélectrique de grille. Des contraintes de haute tension avec biais DC positif ou négatif et tension AC avec fréquence de commutation de 0,1 Hz sont appliquées aux échantillons de test FinFET conventionnels, respectivement. Comme montré en Fig. 2, le temps-de-ruine (T_BD) d'un transistor stressé par charge positive, négative, et charge de grille dans les deux directions sont comparés. Les résultats indiquent que la contrainte de grille DC causera des dommages pires sur les échantillons, tandis que la contrainte de grille AC résulte en moins de dommages sévères à ces transistors, comme suggéré par le T_BD plus long pour les échantillons soumis à un stress bidirectionnel. La Figure 2 montre aussi que la dégradation de l'oxyde dépend non seulement de la polarité de charge, mais aussi du type de puits sous les transistors n-canal et p-canal, ce qui est attendu d'être causé par la différence dans les chemins de décharge de ces dispositifs de test pendant le processus. Donc, le détecteur PID conventionnel, qui utilise T_BD comme indicateur pour la gravité du dommage ne peut pas refléter le niveau de charge plasma pendant le processus. D'autre part, l'enregistreur de charge plasma proposé dans notre travail précédent enregistre le niveau de stress en injectant ou éjectant des électrons vers/depuis une grille flottante (FG) couplée par une antenne collectrice de charge. Les données enregistrées, charge de grille flottante (Q_FG), est lue subséquemment après fabrication. L'enregistrement est alors mesuré par décalage de tension de seuil sur le transistor de lecture, dont le canal est contrôlé et dirigé par la même grille flottante. Le potentiel élevé sur l'antenne avec Q_P de la charge plasma peut induire à la fois une tension d'antenne positive et négative pendant la formation d'une seule couche métallique. De plus, pour différentes couches métalliques, différents paramètres de fabrication sont utilisés. Par exemple, le temps de gravure, le chimique utilisé, et les températures de chambre peuvent varier. Ces paramètres peuvent affecter la distribution de charge d'antenne à travers une wafer pendant la gravure. Dans d'autres cas, un transistor avec connexions à plusieurs couches métalliques soumis à des séquences de charge plasma encore plus complexes, comme illustré Fig. 3a.

À différents stades du processus BEOL, le courant de charge plasma à une antenne particulière peut basculer entre courant ionique et électronique, c'est-à-dire que le Q_P net peut aussi basculer de positif à négatif. Les enregistrements sur échantillons avec antenne consistant de métal 2, métal 3, métal 4, et plusieurs couches métalliques sont résumés en Fig. 3b. Les données suggèrent une charge nette d'une seule couche métallique sur un changement de polarité particulier de couche à couche. En outre, l'effet de moyennage trouvé sur le Q_FG des échantillons avec structures d'antenne de plusieurs couches métalliques est davantage soutenu par les données mesurées en Fig. 3b. Avec à la fois V_G positif et négatif sur l'antenne, le Q_FG final sera alors moyenné par injection et éjection d'électrons dans/depuis la FG qui peuvent se produire séquentiellement. Cet effet de compensation limitera l'enregistreur à révéler les vraies conditions de stress qu'un dispositif a expérimenté pendant les processus plasma. Le CSIR révisé est conçu pour adresser le problème sur comment enregistrer individuellement les effets de charge positive et négative sans interférence et pour fournir des données plus détaillées sur la situation de charge dans la chambre plasma.

Motif de test pour séparation de charge

Dans cette recherche, la charge ionique positive et la charge électronique négative sur l'antenne peuvent être séparées avec un nouvel enregistreur in situ à séparation de charge (CSIR) proposé, comme illustré en Fig. 4a. Un CSIR consiste en deux grilles flottantes, FG₁ et FG₂ qui enregistrent les différents types d'effet de charge séparément. La structure d'antenne se connecte aux deux grilles de couplage à travers une diode directe (D1) et une diode inverse (D2), respectivement. Dans la moitié gauche de la structure, les charges positives circuleront dans la grille de couplage 1 (CG₁) à travers D1. Quand CG₁ est chargé positivement, la tension est couplée à la grille flottante à travers les fentes de contact des deux côtés. La grille flottante sera chargée négativement car les électrons s'injectent depuis le substrat. La moitié droite de la structure d'autre part est le chemin de charge négative, permettant au courant de circuler de l'antenne dans la grille de couplage 2 (CG₂) à travers D2, résultant en Q_FG positif. La Figure 4b montre davantage la vue en coupe du CSIR avec diodes pn sur puce, dirigeant les chemins de charge positive et négative vers les grilles de couplage séparées, CG₁ et CG₂, qui couplent le potentiel sur l'antenne à FG₁ et FG₂, respectivement.

Quand la moitié gauche de l'enregistreur sont activées dans le CSIR sous une antenne chargée positivement, la moitié droite est inactive car la charge est bloquée par la diode inverse, et vice versa. Les deux diodes sur puce sont composées de n+/puits-p. Pour D2, pour soutenir une tension négative dans son puits-p, la région-p a besoin d'être entourée par un puits-n profond, bloquant le chemin de charge directement vers le substrat. La distribution de potentiel simulée sur la coupe transversale dans un CSIR sous périodes de charge positive et négative de l'antenne est montrée en Fig. 5a et b, respectivement. En supposant que le potentiel sur une antenne atteint 5 V, à travers la diode à gauche, la charge positive circule vers la grille de contrôle à gauche, ce qui résulte en une haute tension positive (V_CG1). Au même moment, la charge positive est bloquée par la diode à droite, résultant en un V_CG2 proche de zéro. La différence de potentiel sur les deux grilles de contrôle sont vérifiées par les contours de potentiel simulés en Fig. 5a. L'effet de charge négative sur l'antenne est montré en Fig. 5b. Les profils de potentiel simulés vérifient que les diodes pn sur puce peuvent efficacement diriger et bloquer le potentiel vers CG₁ et CG₂, complémentairement, comme conçu. De cette façon, les effets de charge positive et négative correspondant à différentes sources dans les traitements plasma peuvent être obtenus indépendamment, prévenant les problèmes de compensation et d'interférence de charge sur le détecteur.

Résultats et discussion

Le décalage de tension de seuil mesuré (ΔV_T) sur dispositif contrôlé par FG₁ avec diode directe et celui par FG₂ avec diode inverse et échantillons sans diode sont comparés en Fig. 6. Les données le long de la ligne centrale d'une wafer révèlent qu'un enregistreur avec une seule grille flottante est sujet à la neutralisation de charge même dans le traitement d'une seule couche métallique. L'effet de moyennage d'un enregistreur sans diode prouve que les taux de charge de crête ne seront pas reflétés fidèlement. D'autre part, les lectures du nouveau CSIR peuvent fournir les niveaux de charge positive et négative, indépendamment. Pour investiguer davantage l'effet de charge plasma dans la formation du métal 2 (M2), la charge collectée sur FG₁ et FG₂ du CSIR de chaque die peut être calculée indépendamment par l'Éq. (2),

où Q_FG est la charge dans la grille flottante. C_T est la capacitance totale de la grille flottante, comme illustré en Fig. 7. ΔV_T est le décalage de tension de seuil détecté à la grille de lecture de l'enregistreur, tandis que α_RG est le rapport de couplage depuis la grille de lecture.

Quand la charge de grille flottante est initialement zéro et Q_FG atteint le niveau saturé quand le champ électrique à travers la couche diélectrique de grille est réduit à zéro, le potentiel final de grille d'antenne à la fin d'un processus plasma peut être exprimé comme suit,

dans lequel, V_ANT est le potentiel de grille d'antenne par charge plasma et α_ANT représente le rapport de couplage vers la grille flottante depuis la grille d'antenne. V_FB est la tension de bande plate depuis la grille métallique vers le substrat-aileron. Sous un temps de processus donné, la densité de courant de charge plasma moyenne, J_p peut être alors projetée par l'Éq. (4).

où Δt est la durée d'un processus plasma et C_ANT est la capacitance totale de l'antenne métallique, tandis que A_ANT est la zone de charge d'une antenne. Tous les paramètres utilisés dans les calculs ci-dessus sont résumés dans le Tableau 1.

La distribution des taux de charge positive et négative à travers une wafer pendant le traitement de la couche métallique supérieure (métal 9) et inférieure (métal 2) sont davantage comparées en Fig. 8. Cela implique que la charge sur la structure d'antenne est plus proéminente aux niveaux métalliques plus élevés (métal 9), car sur le métal 9, son énergie plasma plus élevée cause J_p à être plus grand que J_p du métal 2 en termes de magnitude. Aussi, les données suggèrent que les taux de charge électron et ion culminent autour du centre pour les deux cas. Comme attendu, les dies proches du centre de la wafer expérimentent un niveau de charge élevé, ce qui peut être attribué au chemin de décharge plus long pendant le traitement plasma. Cet effet de localisation est trouvé être identique pour les conditions dominées par la charge électron et ion. Les taux de charge plasma projetés, J_P(x,y), moyennés sur la formation d'une seule couche métallique, métal 2 (M2) et métal 9 (M9), sont davantage comparés en Fig. 9. Ces cartes de wafer révèlent que le taux de charge électron semble être à un plateau sauf au bord, tandis que les taux de charge ion montrèrent une variation plus élevée dans la section centrale de la wafer. À l'avenir, ces cartes de wafer sous différentes conditions de traitement sont attendues pour fournir des insights sur la chambre plasma, ou d'autres lignes directrices d'optimisation en compensant mieux les effets de charge.

Effet du rapport d'antenne

Les dispositifs de surveillance PID traditionnels sont typiquement conçus pour amplifier l'effet PID en connectant les grilles du transistor directement à une grande antenne, évaluant les niveaux de stress par l'augmentation du Q_P total attendu pour être déchargé à travers une petite région de canal. Le rapport d'antenne (AR) est proportionnel à la densité de courant de stress à travers le diélectrique de grille pendant les processus plasma. Un grand Q_P sur l'antenne est connu pour induire des dommages latents et/ou pièges dans la couche diélectrique, qui mènent ultimement à une dégradation de fiabilité. Comme attendu, un AR plus élevé sur FinFETs conventionnels élève significativement les niveaux de stress, causant une dégradation T_BD plus sévère, à savoir, défaillance du dispositif dans une période d'opération plus courte, voir Fig. 10. D'autre part, dans un CSIR, le niveau de charge plasma enregistré comme la charge de grille flottante, Q_FG, montre très peu d'effet d'antenne. À savoir, il ne répond pas à l'augmentation de la surface d'antenne, comme révélé par les données résumées en Fig. 11.

Dans le nouvel enregistreur basé sur grille flottante CSIR, le rapport d'antenne (AR) affectera le potentiel de crête sur les grilles de couplage pendant la charge plasma. Dans les technologies mises à l'échelle, les capacitances parasites sur la connexion et la structure de couplage sont attendues pour réduire, menant à moins de sensibilité AR sur les résultats d'enregistrement. Les raisons menant à une telle différence évidente à l'effet AR entre CSIR et détecteurs conventionnels sont les suivantes. Dans ces enregistreurs à grille flottante, la charge accumulée sur l'antenne, Q_P ne sera pas déchargée à travers la zone de canal. L'augmentation de Q_P élève V_CG, menant à l'injection ou l'éjection d'électrons dans/depuis les grilles flottantes. Comme montré dans la capacitance simulée en Fig. 11a, la capacitance de l'antenne, C_ant, augmente proportionnellement à la surface d'antenne, A_ant. Avec le courant de charge total directement proportionnel à la surface d'antenne, l'AR accru dans un CSIR n'affectera pas le potentiel sur l'antenne. Les données de mesure révèlent que le niveau Q_FG reste à peu près le même pour CSIR avec AR dépassant 100×.

Cette caractéristique non seulement économise la surface de motif de test, mais permet aussi de trouver J_P(x,y) avec une résolution spatiale plus élevée pour étudier l'effet de patterning sur PID. En plus, un détecteur avec petite antenne peut faciliter la conception de motifs de test pour comprendre PID dans les processus middle-end of the line (MEOL) et contacts.

Finalement, le résumé de performance du nouveau CSIR pour surveiller PID dans le processus BEOL FinFET avancé est résumé dans le Tableau 2. La plage de détection du détecteur traditionnel est AR, tandis que la plage de détection du nouvel enregistreur in situ est basée sur la longueur de grille flottante. De plus, la surface du nouvel enregistreur in situ peut être très petite. Le plus important, le nouveau CSIR peut fournir la rétroaction en temps réel du processus plasma et séparer les niveaux de taux de charge ionique et électronique, indépendamment.

Conclusions

Un nouvel enregistreur in situ à séparation de charge (CSIR) pour surveiller les dommages induits par plasma est proposé et démontré pour la première fois. Le CSIR fournit un outil puissant pour comprendre les taux de charge électronique et ionique dans une chambre plasma simultanément. Les cartes de wafer peuvent faciliter l'étude ultérieure entre la corrélation à la fiabilité du dispositif et ces effets de charge individuels.