CSIR: Monitor en tiempo real de carga plasma para fabricación BEOL FinFET

Resumen

Se propone y demuestra por primera vez un dispositivo novedoso para monitorear daño inducido por plasma en proceso back-end-of-line (BEOL) con capacidad de división de carga. Este nuevo registrador in situ de división de carga (CSIR) puede rastrear independientemente cantidad y polaridad de efectos carga plasma durante fabricación circuitos transistor efecto campo aleta (FinFET) avanzados. No solo revela niveles carga plasma en tiempo real y in situ en antenas, sino que también separa efectos carga positiva y negativa proporcionando dos lecturas independientes. A medida que tecnologías CMOS exigen líneas metálicas más finas en futuro, nuevo esquema división carga proporciona herramienta poderosa para optimización proceso BEOL y mejoras fiabilidad dispositivo.

Introducción

Procesos mejorados plasma se usan ampliamente en formación circuitos transistor efecto campo aleta (FinFET), compuestos por muchas estructuras alto aspecto ratio y líneas metálicas finas. Durante fabricación, pasos grabado y deposición para realizar estas composiciones 3D pueden llevar significativo estrés inducido plasma a dispositivos FinFET. A medida que tecnología CMOS FinFET avanza, anchura y paso línea metálica reducen más agresivamente que su altura, impulsando necesidad formar trincheras alto aspecto ratio definidas por líneas extremadamente finas. Inevitablemente, esto promueve severidad daño inducido plasma (PID) a transistores, y su efecto correspondiente en fiabilidad circuito se convierte una preocupación clave desarrollando tecnologías FinFET. En formación contactos pequeños, vías y líneas metálicas finas, plasma fuerte potencia y alta selectividad se aplican generalmente. Además, grabado aleta bulk, sputtering iones reactivos superficie aleta puede llevar defectos bulk aleta, críticos para características transistores. Para permitir compuerta metal aleta e interconexiones densas, pilas metal complejas se usan más a menudo en tecnologías FinFET avanzadas. Adicionalmente, dieléctrico compuerta high-k usado en tecnología avanzada usualmente lleva trampa inducida estrés aumentada tras proceso plasma. Durante carga plasma, camino descarga a través aletas estrechas y sustrato puede llevar niveles estrés más no uniformes across oblea completa. Estrés plasma inducido en óxido compuerta transistor conocido resulta degradación adicional integridad dieléctrico compuerta.

Daño plasma inducido en película dieléctrico compuerta puede llevar degradación rendimiento en escenarios carga altamente no uniformes, incluso pérdida rendimiento, como resultado fallos fiabilidad. Así, en tecnologías FinFET avanzadas, dispositivos prueba con estructuras antena agrandadas se usan generalmente para monitorear efectos PID, que proveen retroalimentación para optimización proceso.

Medida más común y usada PID es característica tiempo-ruptura muestras prueba con estructuras antena grandes. Daño latente en estos patrones PID típicamente reflejado midiendo degradación tiempo-dependiente capas dieléctrico compuerta, por tanto fallando dar retroalimentación tiempo real procesos plasma. Además, dispositivos prueba convencionales no pueden decir fuentes y polaridad tasa carga inducida plasma y/o potencial máximo acumulación en antena. Un registrador PID con compuerta flotante acoplada por estructura antena ha sido propuesto con capacidad detección in situ en estudio previo. En este trabajo, proponemos registrador PID revisado con característica división carga. A través diodo directo y diodo inverso conectados a estructura antena común, nuevo diseño provee caminos separados cargas positiva y negativa. Por tanto, niveles carga ambas polaridades pueden registrarse independientemente. Este nuevo registrador in situ división carga (CSIR) requiriendo solo antenas pequeñas permite futuro estudio efecto carga plasma en procesos middle-end of the line (MEOL).

Métodos

Polaridad Carga Plasma

Estudios previos reportaron que durante proceso grabado formando capas poli- o metal, inhomogeneidad plasma y variaciones potencial antena pueden llevar diferencia drástica tasa carga o incluso polaridades pueden cambiar en diferentes ubicaciones. Macro-entorno cámara plasma y micro-patrones ambos afectan distribución tasas carga oblea. Específicamente, tasa carga plasma en grabado BEOL varía espacial y temporalmente. Durante procesos plasma radiofrecuencia (RF), superficie oblea recoge corriente carga J_p, compuesta corriente iónica J_i y corriente electrónica J_e. Corriente iónica casi constante tiempo y determinada densidad iónica J_i y velocidad Bohm. Dado potencial plasma V_p(t) mayor potencial compuerta V_G mayor tiempo, corriente electrónica fluye solo durante cortos períodos cuando potencial plasma cerca mínimo. Durante proceso Q_FG, voltaje compuerta puede aumentar o disminuir sobre muchos ciclos RF, dependiendo qué componente corrientes mayor, hasta voltaje compuerta estado estable alcanzado cuando corriente túnel balancea J_p en antena. Como muestra Fig. 1, distribución tasa carga plasma J_p(x,y,t) across oblea durante grabado en diferentes etapas cambia tanto magnitud como polaridades, expresado Ec. (1) donde J_e densidad corriente electrónica, J_i densidad corriente iónica.

Diferentes polaridades carga plasma resultan carga antena positiva o negativa Q_P acumulada diferente tiempo y ubicación. Aclarar, tiempo t₁, J_p negativo lleva carga antena negativa Q⁻. En t₂, J_p positivo induce carga antena positiva Q⁺ misma ubicación oblea, como ilustra Fig. 1. Así, carga positiva o negativa puede acumular misma antena diferente tiempo durante grabado. Reportes previos picos J_e y J_i alrededor −0,15 y 0,35 mA/cm² respectivamente. Se halló estrés compuerta DC y AC/bi-direccional en FinFET canal n y p resulta diferente daño latente película dieléctrico compuerta. Altos voltajes estrés polaridad positiva o negativa DC y voltaje AC frecuencia conmutación 0,1 Hz aplicados muestras prueba FinFET convencionales respectivamente. Como muestra Fig. 2, tiempo-ruptura (T_BD) transistor estresado positiva, negativa y estrés compuerta ambas direcciones comparados. Resultados indican estrés compuerta DC causa peor daño muestras, mientras estrés compuerta AC resulta daño menos severo transistores, sugerido por T_BD más largo muestras sometidas estrés bi-direccional. Figura 2 también muestra degradación óxido depende no solo polaridad carga, sino también tipo pozos bajo transistores canal n y p, esperado causado por diferencia caminos descarga estos dispositivos prueba durante proceso. Por tanto, detector PID convencional usando T_BD indicador severidad daño no refleja nivel carga plasma durante proceso. Por otro lado, registrador carga plasma propuesto trabajo previo registra nivel estrés inyectando o eyectando electrón a/desde compuerta flotante (FG) acoplada antena recolección carga. Datos registrados, carga compuerta flotante (Q_FG), leída posteriormente tras fabricación. Registro medido por desplazamiento voltaje umbral transistor lectura, cuyo canal controlado y dirigido por misma compuerta flotante. Potencial elevado antena con Q_P carga plasma puede inducir voltaje antena positivo y negativo durante formación sola capa metal. Además, diferentes capas metal, diferentes parámetros fabricación usados. Ejemplo, tiempo grabado, químico usado, temperaturas cámara pueden variar. Estos parámetros afectan distribución carga antena across oblea durante grabado. Otros casos, transistor conexiones múltiples capas metal sujeto incluso más complejas secuencias carga plasma, como ilustra Fig. 3a.

Diferentes etapas proceso BEOL, corriente carga plasma antena particular puede cambiar entre corriente iónica y electrónica, i.e., neto Q_P también cambiar positivo a negativo. Registros muestras antena consistiendo metal 2, metal 3, metal 4 y múltiples capas metal resumidos Fig. 3b. Datos sugieren carga neta sola capa metal en particular cambiar polaridad capa a capa. Además, efecto promedio hallado Q_FG muestras estructuras antena múltiples capas metal further supported por datos medidos Fig. 3b. Con ambos voltajes positivo y negativo V_G en antena, final Q_FG promediado por inyección y eyección electrón en/desde FG que pueden ocurrir secuencialmente. Este efecto compensación limitará registrador revelar condiciones estrés reales dispositivo experimentó durante procesos plasma. CSIR revisado diseñado abordar problema cómo registrar individualmente efectos carga positiva y negativa sin interferencia y suministrar datos más detallados situación carga cámara plasma.

Patrón Prueba División Carga

En esta investigación, carga iónica positiva y carga electrónica negativa en antena pueden separarse con nuevo registrador in situ división carga (CSIR) propuesto, como ilustra Fig. 4a. CSIR consiste dos compuertas flotantes FG₁ y FG₂ que registran diferentes tipos efecto carga por separado. Estructura antena conecta dos compuertas acoplamiento a través diodo directo (D1) y diodo inverso (D2) respectivamente. Mitad izquierda estructura, cargas positivas fluirán compuerta acoplamiento 1 (CG₁) través D1. Cuando CG₁ cargada positivamente, voltaje acoplado compuerta flotante través ranuras contacto ambos lados. Compuerta flotante cargada negativamente inyectan electrones sustrato. Mitad derecha estructura por otro lado camino carga negativa, permitiendo corriente fluir antena compuerta acoplamiento 2 (CG₂) través D2, resultando Q_FG positivo. Figura 4b muestra vista transversal CSIR con diodos pn on-chip, dirigiendo carga positiva y negativa a compuertas acoplamiento separadas CG₁ y CG₂, que acoplan potencial antena a FG₁ y FG₂ respectivamente.

Cuando mitad izquierda registrador habilitada CSIR bajo antena cargada positivamente, mitad derecha inactiva carga bloqueada diodo inverso, y viceversa. Ambos diodos on-chip compuestos n+/p-pozo. Para D2, sustentar voltaje negativo p-pozo, región p necesita rodeada pozo n profundo, bloqueando camino carga directamente sustrato. Distribución potencial simulada sección transversal CSIR bajo períodos carga positiva y negativa antena mostrada Fig. 5a y b respectivamente. Asumiendo potencial antena alcanza 5 V, través diodo izquierda carga positiva fluye compuerta control izquierda, resultando alto voltaje positivo (V_CG1). Simultáneamente, carga positiva bloqueada diodo derecha resultando cercano-cero V_CG2. Diferencia potencial dos compuertas control verificada contornos potencial simulados Fig. 5a. Efecto carga negativa antena mostrado Fig. 5b. Perfiles potencial simulados verifican diodos pn on-chip efectivamente dirigen y bloquean potencial a CG₁ y CG₂ complementariamente, como diseñado. Así, efectos carga positiva y negativa correspondientes diferentes fuentes tratamientos plasma pueden obtenerse independientemente, previniendo compensación carga e interferencia en detector.

Resultados y Discusión

Desplazamiento voltaje umbral medido (ΔV_T) dispositivo controlado FG₁ con diodo directo y por FG₂ con diodo inverso y muestras sin diodo comparados Fig. 6. Datos línea central oblea revelan registrador sola compuerta flotante sí sujeto neutralización carga incluso dentro procesamiento sola capa metal. Efecto promedio registrador sin diodo prueba tasas carga pico no reflejadas verdaderamente. Por otro lado, lecturas nuevo CSIR pueden proporcionar niveles carga positiva y negativa independientemente. Investigar efecto carga plasma formación metal 2 (M2), carga recogida FG₁ y FG₂ CSIR cada die calculada independientemente Ec. (2),

Q_FG = C_T × ΔV_T × α_RG

donde Q_FG carga compuerta flotante. C_T capacitancia total compuerta flotante, como ilustra Fig. 7. ΔV_T desplazamiento voltaje umbral detectado compuerta lectura registrador, α_RG ratio acoplamiento compuerta lectura.

Cuando carga compuerta flotante inicialmente cero y Q_FG alcanza nivel saturado cuando campo eléctrico across capa dieléctrico compuerta reducido cero, potencial final antena compuerta fin proceso plasma expresado seguido,

V_ANT = (V_FB − Q_FG/C_T) / α_ANT

en que, V_ANT potencial antena compuerta carga plasma y α_ANT ratio acoplamiento compuerta flotante desde antena compuerta. V_FB voltaje plano banda compuerta metal a aleta-sustrato. Bajo tiempo proceso dado, densidad corriente carga plasma promedio J_p proyectada Ec. (4).

J_p = V_ANT × C_ANT / (A_ANT × Δt)

donde Δt duración proceso plasma y C_ANT capacitancia total antena metal, A_ANT área carga antena. Todos parámetros usados cálculos arriba resumidos Tabla 1.

Distribución tasas carga positiva y negativa across oblea durante procesamiento capa metal superior (metal 9) y inferior (metal 2) comparadas Fig. 8. Implica carga estructura antena más prominente niveles metal mayores (metal 9), porque metal 9 mayor energía plasma causa J_p mayor magnitud J_p metal 2. También datos sugieren ambas tasas carga electrónica iónica pico alrededor centro ambos casos. Como esperado, dies cerca centro oblea experimentan alto nivel carga, atribuible camino descarga más largo durante tratamiento plasma. Este efecto ubicación hallado idéntico tanto condiciones carga electrónica iónica dominantes. Tasas carga plasma proyectadas J_p(x,y) promediadas formación sola capa metal, metal 2 (M2) y metal 9 (M9), comparadas Fig. 9. Estos mapas oblea revelan tasa carga electrónica meseta excepto borde, mientras tasas carga iónica mostraron mayor variación sección media oblea. Futuro, estos mapas oblea bajo diferentes condiciones procesamiento esperados proveer insights cámara plasma, o guías optimización mejor compensando efectos carga.

Efecto Ratio Antena

Dispositivos monitoreo PID tradicionales típicamente diseñados amplificar efecto PID conectando compuertas transistor directamente gran antena, evaluando niveles estrés aumento total Q_P esperado descargar región canal pequeña. Ratio antena (AR) proporcional densidad corriente estrés través dieléctrico compuerta durante procesos plasma. Grande Q_P antena conocido induce daño latente y/o trampas capa dieléctrico, que ultimamente llevan degradación fiabilidad. Como esperado, AR mayor FinFET convencionales eleva significativamente niveles estrés, causando degradación T_BD más severa, fallo dispositivo dentro período operación más corto, ver Fig. 10. Por otro lado, en CSIR, nivel carga plasma registrado como carga compuerta flotante Q_FG muestra muy poco efecto antena. Específicamente, no responde aumento área antena, como revelan datos Fig. 11.

En nuevo registrador basado compuerta flotante CSIR, ratio antena (AR) afectará potencial pico compuertas acoplamiento durante carga plasma. Tecnologías escaladas, capacidades parásitas conexión estructura acoplamiento esperadas reducirse, llevando menos sensibilidad AR resultados registro. Razones llevar tal diferencia obvia efecto AR entre CSIR detectores convencionales seguidos. En estos registradores compuerta flotante, carga acumulada antena Q_P no descargará región canal. Aumentado Q_P eleva V_CG, llevando inyección o eyección electrones en/desde compuertas flotantes. Como muestra capacitancia simulada Fig. 11a, capacitancia antena C_ant aumenta proporcionalmente área antena A_ant. Con corriente carga total directamente proporcional área antena, AR aumentado CSIR no afectará potencial antena. Datos medición revelan nivel Q_FG permanece mismo CSIR AR excediendo 100×.

Esta característica no solo ahorra área patrón prueba, sino también permite encontrar J_p(x,y) mayor resolución espacial estudiando efecto patrón PID. Además, detector pequeña antena facilita diseño patrones prueba entendimiento PID middle-end of the line (MEOL) y procesos contacto.

Finalmente, resumen rendimiento nuevo CSIR monitoreo PID avanzado proceso BEOL FinFET resumido Tabla 2. Rango sentido detector tradicional AR, mientras rango sentido nuevo registrador in situ basado longitud compuerta flotante. Además, área nuevo registrador in situ puede ser muy pequeña. Lo más importante, nuevo CSIR puede proveer retroalimentación tiempo real proceso plasma y separar niveles tasa carga iónica y electrónica independientemente.

Conclusiones

Un novedoso registrador in situ división carga (CSIR) para monitorear daño inducido plasma propuesto y demostrado por primera vez. CSIR proporciona herramienta poderosa entender tasas carga electrónica e iónica en cámara plasma simultáneamente. Mapas oblea pueden facilitar estudio adicional correlación fiabilidad dispositivo y estos efectos carga individuales.