CSIR: Echtzeit-Plasmaladungsüberwachung für FinFET BEOL-Fertigung

Zusammenfassung

Ein neuartiges Gerät zur Überwachung von plasma-induzierten Schäden im Back-End-of-Line (BEOL) Prozess mit Ladungstrennungsfähigkeit wird erstmals vorgeschlagen und demonstriert. Dieser neuartige Ladungstrennende In-situ-Rekorder (CSIR) kann die Menge und Polarität von Plasma-Ladungseffekten während der Herstellung fortschrittlicher Fin-Feldeffekttransistor (FinFET) Schaltungen unabhängig nachverfolgen. Nicht nur offenbart er die Echtzeit- und In-situ-Plasma-Ladungspegel auf den Antennen, sondern er trennt auch positive und negative Ladungseffekte und liefert zwei unabhängige Messwerte. Da CMOS-Technologien in Zukunft feinere Metallleitungen anstreben, bietet das neue Ladungstrennungsschema ein mächtiges Werkzeug für BEOL-Prozessoptimierung und weitere Verbesserungen der Bauelementzuverlässigkeit.

Hintergrund

Plasma-unterstützte Prozesse werden weit in der Herstellung von Fin-Feldeffekttransistor (FinFET) Schaltungen eingesetzt, die aus vielen Hochseitenverhältnis-Strukturen und feinen Metallleitungen bestehen. Während der Fertigung können Ätz- und Abscheidungsschritte zur Realisierung dieser 3D-Kompositionen signifikante plasma-induzierte Spannungen auf den FinFET-Bauelementen verursachen. Da sich CMOS FinFET-Technologie weiterentwickelt, verringern sich Metallleitbreite und -abstand aggressiver als ihre Höhe, was die Notwendigkeit fördert, hochseitenverhältnis Gräben zu bilden, die durch extrem feine Linien definiert sind. Unvermeidlich verschärft dies die Schwere von plasma-induzierten Schäden (PID) an den Transistoren, und der entsprechende Effekt auf die Schaltkreiszuverlässigkeit wird zu einem der Hauptanliegen bei der Entwicklung von FinFET-Technologien. Bei der Bildung kleiner Kontakte, Vias und feiner Metallleitungen werden generell starke Leistung und hochselektives Plasma angewendet. Zudem kann das Sputtern reaktiver Ionen auf der Fin-Oberfläche beim Ätzen des Bulk-Fin zu Defekten im Bulk-Fin führen, die kritisch für die Transistoreigenschaften sind. Um Fin-Metallgate und dichte Interconnect-Strukturen zu ermöglichen, werden komplexe Metallstapel in fortschrittlichen FinFET-Technologien häufiger verwendet. Zusätzlich führt High-k Gate-Dielektrikum in fortschrittlicher Technologie üblicherweise zu verstärktem spannungsinduziertem Trapping nach Plasma-Prozess. Während der Plasma-Ladung kann der Entladepfad durch schmale Fins und zum Substrat zu ungleichmäßigeren Spannungspegeln über einen ganzen Wafer führen. Der plasma-induzierte Stress auf dem Transistor-Gate-Oxid ist bekannt, dass er zu weiterer Degradation der Gate-Dielektrikum-Integrität führt.

Der plasma-induzierte Schaden am Gate-Dielektrikum kann zu Leistungsdegradation in hochgradig nicht-uniformen Ladeszenarien führen, sogar Ertragsverlust, als Folge von Zuverlässigkeitsausfällen. Daher werden in fortschrittlichen FinFET-Technologien Testbauelemente mit vergrößerten Antennenstrukturen allgemein zur Überwachung von PID-Effekten verwendet, die Rückmeldungen für weitere Prozessoptimierung liefern.

Das gängigste und am weitesten verbreitete Maß für PID ist die Zeit-bis-Durchbruch-Charakteristik der Testproben mit großen Antennenstrukturen. Der latente Schaden auf diesen PID-Mustern wird typischerweise durch Messung der zeitabhängigen Degradation der Gate-Dielektrikum-Schichten reflektiert, daher versagt es, Echtzeit-Rückmeldung der Plasma-Prozesse zu geben. Zusätzlich können konventionelle Testbauelemente nicht die Quellen und Polarität der plasma-induzierten Laderate und des maximalen Potentialaufbaus auf der Antenne anzeigen. Ein PID-Rekorder mit einem schwebenden Gate, gekoppelt an eine Antennenstruktur, wurde in unserer vorherigen Studie mit In-situ-Detektionsfähigkeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit schlagen wir einen überarbeiteten PID-Rekorder mit einer Ladungstrennungsfunktion vor. Durch eine Vorwärtsdiode und eine Rückwärtsdiode, die an eine gemeinsame Antennenstruktur angeschlossen sind, bietet das neue Design separate Pfade für positive und negative Ladungen. Daher können Ladepegel beider Polaritäten unabhängig aufgezeichnet werden. Dieser neue Ladungstrennende In-situ-Rekorder (CSIR), der nur kleine Antennen erfordert, ermöglicht zukünftige Untersuchung von Plasma-Ladungseffekten in Middle-End-of-Line (MEOL) Prozessen.

Methoden

Plasma-Ladepolarität

Frühere Studien berichteten, dass während des Ätzprozesses bei der Bildung von Poly- oder Metallschichten die Plasma-Inhomogenität sowie Variationen des Antennenpotenzials zu drastischen Unterschieden in der Laderate oder sogar Polaritätsänderungen an verschiedenen Orten führen können. Die Makroumgebung in der Plasmakammer und Mikromuster können beide die Verteilung der Laderaten auf einem Wafer beeinflussen. Nämlich variiert die Plasma-Laderate in der BEOL-Ätzung räumlich und zeitlich. Während Radiofrequenz (RF) Plasma-Prozesse sammelt die Waferoberfläche Ladestrom, J_p, der aus einem Ionenstrom J_i und einem Elektronenstrom J_e besteht. Der Ionenstrom ist fast konstant mit der Zeit und wird durch die Ionendichte J_i und die Bohm-Geschwindigkeit bestimmt. Da das Plasma-Potenzial V_p(t) für die meiste Zeit höher ist als das Gate-Potenzial V_G, fließt der Elektronenstrom nur während kurzer Perioden, wenn das Plasma-Potenzial nahe seinem Minimum ist. Während des Q_FG Prozesses kann die Gate-Spannung über viele RF-Zyklen steigen oder fallen, abhängig davon, welche Stromkomponente größer ist, bis ein stationärer Gate-Spannungswert erreicht wird, wenn der Tunnelstrom J_p auf der Antenne ausgleicht. Wie in Abb. 1 gezeigt, ändert sich die Verteilung der plasma-induzierten Laderate, J_P(x,y,t), über den Wafer während des Ätzprozesses zu verschiedenen Zeiten sowohl in der Größe als auch in der Polarität, was durch Gleichung (1) ausgedrückt werden kann, wo J_e die Elektronenstromdichte und J_i die Ionenstromdichte darstellt.

Die unterschiedlichen Plasma-Ladepolaritäten resultieren in entweder positiver oder negativer Antennenladung, Q_P, die zu unterschiedlichen Zeiten und Orten akkumuliert. Zur Klärung: zum Zeitpunkt t₁ führt ein negatives J_p zu negativer Antennenladung Q−. Zum Zeitpunkt t₂ induziert ein positives J_p eine positive Antennenladung Q+ an der identischen Stelle auf dem Wafer, wie in Abb. 1 illustriert. Somit können positive oder negative Ladungen auf derselben Antenne zu verschiedenen Zeiten während des Ätzprozesses akkumulieren. Aus früheren Berichten betragen die Spitzenwerte von J_e und J_i etwa −0,15 und 0,35 mA/cm². Es wurde festgestellt, dass DC und AC/bi-direktionale Gate-Spannung auf n-Kanal- und p-Kanal-FinFETs zu unterschiedlichen latenten Schäden am Gate-Dielektrikum führen. Hohe Spannungsspannungen mit positiver oder negativer DC-Vorspannung und AC-Spannung mit einer Schaltfrequenz von 0,1 Hz werden auf konventionelle FinFET-Testproben angewendet. Wie in Abb. 2 gezeigt, werden die Zeit-bis-Durchbruch (T_BD) eines Transistors, der durch positive, negative und Gate-Spannung in beide Richtungen belastet wird, verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass DC-Gate-Spannung schlimmere Schäden an den Proben verursacht, während AC-Gate-Spannung weniger schwere Schäden an diesen Transistoren ergibt, wie durch längeres T_BD für Proben unter bi-direktionaler Spannung nahegelegt wird. Abb. 2 zeigt auch, dass die Oxiddegradation nicht nur von der Ladepolarität, sondern auch von der Art der Wells unter den n-Kanal- und p-Kanal-Transistoren abhängt, was durch den Unterschied in den Entladepfaden dieser Testbauelemente während des Prozesses erwartet wird. Daher kann ein konventioneller PID-Detektor, der T_BD als Indikator für Schadensschwere verwendet, den Plasma-Ladepegel während des Prozesses nicht reflektieren. Andererseits zeichnet der in unserer vorherigen Arbeit vorgeschlagene Plasma-Ladungsrekorder den Spannungspegel durch Injektion oder Ausstoß von Elektronen zu/von einem schwebenden Gate (FG) auf, gekoppelt an eine ladensammelnde Antenne. Die aufgezeichneten Daten, schwebende Gate-Ladung (Q_FG), werden anschließend nach der Fertigung ausgelesen. Die Aufzeichnung wird dann durch Schwellenwertspannungsverschiebung am Lese-Transistor gemessen, dessen Kanal durch dasselbe schwebende Gate gesteuert und gerichtet wird. Das erhöhte Potenzial auf der Antenne mit Q_P aus Plasma-Ladung kann sowohl positive als auch negative Antennenspannung während der Bildung einer einzelnen Metallschicht induzieren. Weiterhin werden für verschiedene Metallschichten unterschiedliche Fertigungsparameter verwendet. Zum Beispiel können Ätzzeit, verwendete Chemikalien und Kammertemperaturen variieren. Diese Parameter können die Antennenladungsverteilung über einen Wafer während des Ätzens beeinflussen. In anderen Fällen unterliegt ein Transistor mit Verbindungen zu mehreren Metallschichten sogar komplexeren Plasma-Ladungssequenzen, wie in Abb. 3a illustriert.

In verschiedenen Phasen des BEOL-Prozesses kann der Plasma-Ladestrom an einer bestimmten Antenne zwischen Ionen- und Elektronenstrom wechseln, d.h., das netto Q_P kann auch von positiv nach negativ wechseln. Die Aufzeichnungen an Proben mit Antennen bestehend aus Metall 2, Metall 3, Metall 4 und mehreren Metallschichten sind in Abb. 3b zusammengefasst. Daten deuten darauf hin, dass die Netto-Ladung einer einzelnen Metallschicht an einer bestimmten Stelle die Polarität von Schicht zu Schicht ändern kann. Zusätzlich wird der Mittelungseffekt, der auf dem Q_FG von Proben mit Antennenstrukturen mehrerer Metallschichten gefunden wird, durch die gemessenen Daten in Abb. 3b weiter unterstützt. Mit sowohl positiven als auch negativen V_G auf der Antenne wird das finale Q_FG dann durch Elektroneneinjektion und -ausstoß in/aus dem FG, die sequenziell auftreten können, gemittelt. Dieser Kompensationseffekt wird den Rekorder daran hindern, die echten Stressbedingungen widerzuspiegeln, die ein Bauelement während Plasma-Prozesse erlebt hat. Der überarbeitete CSIR ist darauf ausgelegt, das Problem zu lösen, wie positive und negative Ladungseffekte individuell ohne Interferenz aufgezeichnet werden können und detailliertere Daten über die Ladesituation in der Plasmakammer liefern.

Testmuster für Ladungstrennung

In dieser Forschung können die positive Ionenladung und negative Elektronenladung auf der Antenne mit einem neuen Ladungstrennenden In-situ-Rekorder (CSIR) getrennt werden, wie in Abb. 4a illustriert. Ein CSIR besteht aus zwei schwebenden Gates, FG₁ und FG₂, die die verschiedenen Arten von Ladungseffekten separat aufzeichnen. Die Antennenstruktur verbindet sich mit den beiden Koppelgates durch eine Vorwärtsdiode (D1) und eine Rückwärtsdiode (D2). In der linken Hälfte der Struktur fließen positive Ladungen in das Koppelgate 1 (CG₁) durch D1. Wenn CG₁ positiv geladen ist, wird die Spannung durch die Kontaktstege auf beiden Seiten an das schwebende Gate gekoppelt. Das schwebende Gate wird negativ geladen, da Elektronen vom Substrat injizieren. Die rechte Hälfte der Struktur andererseits ist der negative Ladepfad, der Strom vom Antennengate in das Koppelgate 2 (CG₂) durch D2 fließen lässt, was zu positiver Q_FG führt. Abb. 4b zeigt weiterhin den Querschnittsblick des CSIR mit On-Chip pn-Dioden, die die positiven und negativen Ladepfade zu den getrennten Koppelgates CG₁ und CG₂ leiten, die das Potenzial auf der Antenne an FG₁ und FG₂ koppeln.

Wenn die linke Hälfte des Rekorders im CSIR unter einer positiv geladenen Antenne aktiviert ist, ist die rechte Hälfte inaktiv, da Ladung durch die Rückwärtsdiode blockiert wird, und umgekehrt. Beide On-Chip-Dioden bestehen aus n+/p-Well. Für D2, um negative Spannung in seinem p-Well aufrechtzuerhalten, muss der p-Bereich von einem tiefen n-Well umgeben sein, der den Ladepfad direkt zum Substrat blockiert. Die simulierte Potenzialverteilung im Querschnitt in einem CSIR unter positiven und negativen Ladeperioden der Antenne ist in Abb. 5a und b gezeigt. Angenommen, das Potenzial auf einer Antenne erreicht 5 V, fließt durch die Diode auf der linken Seite positive Ladung zum Steueregate auf der linken Seite, was zu einer hohen positiven Spannung (V_CG1) führt. Gleichzeitig wird positive Ladung durch die Diode auf der rechten Seite blockiert, was zu einem nahe-null V_CG2 führt. Der Unterschied im Potenzial auf den beiden Steueregates wird durch die simulierten Potenzialkonturen in Abb. 5a verifiziert. Der Effekt negativer Ladung auf der Antenne ist in Abb. 5b gezeigt. Simulierte Potenzialprofile verifizieren, dass die On-Chip pn-Dioden das Potenzial effektiv zu CG₁ und CG₂ leiten und blockieren, komplementär wie entworfen. Auf diese Weise können positive und negative Ladungseffekte, die verschiedenen Quellen in den Plasma-Behandlungen entsprechen, unabhängig erhalten werden, wodurch Ladungskompensation und Interferenzprobleme am Detektor verhindert werden.

Ergebnisse und Diskussion

Die gemessene Schwellenwertspannungsverschiebung (ΔV_T) am von FG₁ mit Vorwärtsdiode gesteuerten Bauelement und dem von FG₂ mit Rückwärtsdiode gesteuerten sowie Proben ohne Diode werden in Abb. 6 verglichen. Daten entlang der Mittellinie eines Wafers zeigen, dass ein Rekorder mit einem einzelnen schwebenden Gate der Ladungsneutralisierung sogar innerhalb der Verarbeitung einer einzelnen Metallschicht unterliegt. Der Mittelungseffekt eines Rekorders ohne Diode beweist, dass die Spitzenladeraten nicht wahrheitsgemäß reflektiert werden. Andererseits können Messwerte vom neuen CSIR positive und negative Ladepegel unabhängig liefern. Um den Plasma-Ladungseffekt in der Metall-2 (M2) Bildung weiter zu untersuchen, kann die gesammelte Ladung auf FG₁ und FG₂ des CSIR jedes Dies unabhängig durch Gleichung (2) berechnet werden,

Q_FG = C_T × ΔV_T × α_RG ... (2)

wobei Q_FG die Ladung im schwebenden Gate ist. C_T ist die Gesamtkapazität des schwebenden Gates, wie in Abb. 7 illustriert. ΔV_T ist die Schwellenwertspannungsverschiebung, die am Lesegate des Rekorders detektiert wird, während α_RG das Koppelverhältnis vom Lesegate ist.

Wenn die schwebende Gate-Ladung initial null ist und Q_FG den Sättigungspegel erreicht, wenn das elektrische Feld über der Gate-Dielektrikum-Schicht auf null reduziert wird, kann das finale Antennen-Gate-Potenzial am Ende eines Plasma-Prozesses wie folgt ausgedrückt werden,

V_ANT = (V_FB - Q_FG/C_T) / α_ANT ... (3)

worin V_ANT das Antennen-Gate-Potenzial durch Plasma-Ladung ist und α_ANT das Koppelverhältnis zum schwebenden Gate von der Antennen-Gate darstellt. V_FB ist die Flachbandspannung vom Metallgate zum Fin-Substrat. Unter einer gegebenen Prozesszeit kann die durchschnittliche Plasma-Ladestromdichte, J_p, dann durch Gleichung (4) projiziert werden.

J_p = (V_ANT × C_ANT) / (A_ANT × Δt) ... (4)

wobei Δt die Dauer eines Plasma-Prozesses ist und C_ANT die Gesamtkapazität der Metallantenne, während A_ANT der Ladebereich einer Antenne ist. Alle in den obigen Berechnungen verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die Verteilung der positiven und negativen Laderaten über einen Wafer während der Verarbeitung der oberen (Metall 9) und unteren Metallschicht (Metall 2) werden in Abb. 8 weiter verglichen. Es impliziert, dass die Ladung auf der Antennenstruktur an höheren Metallebenen (Metall 9) ausgeprägter ist, da auf Metall 9 seine höhere Plasmaenergie J_p größer als J_p von Metall 2 in Bezug auf die Größe macht. Auch deuten Daten darauf hin, dass sowohl Elektronen- als auch Ionenladeraten für beide Fälle um die Mitte herum ihren Höhepunkt erreichen. Wie erwartet, erfahren Dies nahe dem Zentrum des Wafers hohe Ladepegel, was auf den längeren Entladepfad während der Plasma-Behandlung zurückgeführt werden kann. Dieser Standorteffekt ist für beide, stärker elektronen- und ionenladungs-dominanten Bedingungen, identisch. Die projizierten Plasma-Laderaten, J_P(x,y), gemittelt über die Bildung einer einzelnen Metallschicht, Metall 2 (M2) und Metall 9 (M9), werden in Abb. 9 weiter verglichen. Diese Wafer-Maps zeigen, dass die Elektronenladerate auf einem Plateau zu sein scheint, außer am Rand, während Ionenladeraten eine höhere Variation im mittleren Abschnitt des Wafers zeigen. In Zukunft werden diese Wafer-Maps unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen erwartet, Einblicke in die Plasmakammer oder weitere Optimierungsrichtlinien durch bessere Kompensation der Ladungseffekte zu liefern.

Antennenverhältnis-Effekt

Traditionelle PID-Überwachungsbauelemente sind typischerweise darauf ausgelegt, den PID-Effekt zu verstärken, indem der Transistor-Gate direkt mit einer großen Antenne verbunden wird, wobei die Spannungspegel durch Erhöhung der gesamten Q_P bewertet werden, die durch einen kleinen Kanalbereich entladen werden soll. Antennenverhältnis (AR) ist proportional zur Spannungsstromdichte durch das Gate-Dielektrikum während Plasma-Prozessen. Große Q_P auf der Antenne ist bekannt, latente Schäden und/oder Fallen in der Dielektrikum-Schicht zu induzieren, was letztendlich zu Zuverlässigkeitsdegradation führt. Wie erwartet, erhöht höheres AR an konventionellen FinFETs die Spannungspegel signifikant, was zu schwererer T_BD Degradation führt, nämlich Bauelementausfall innerhalb kürzerer Betriebszeit, siehe Abb. 10. Andererseits zeigt in einem CSIR die als schwebende Gate-Ladung aufgezeichnete Plasma-Ladepegel, Q_FG, sehr wenig Antenneneffekt. Nämlich reagiert es nicht auf zunehmende Antennenfläche, wie durch die in Abb. 11 zusammengefassten Daten enthüllt.

In dem neuen schwebenden Gate-basierten CSIR wird das Antennenverhältnis (AR) den Spitzenpotenzial auf den Koppelgates während Plasma-Ladung beeinflussen. In skalierten Technologien werden die parasitären Kapazitäten an der Verbindungs- und Koppelstruktur erwartet, sich zu verringern, was zu geringerer AR-Empfindlichkeit bei den Aufzeichnungsergebnissen führt. Die Gründe für einen so offensichtlichen Unterschied zum AR-Effekt zwischen CSIR und konventionellen Detektoren sind wie folgt. In diesen schwebenden Gate-Rekordern wird die auf der Antenne akkumulierte Ladung, Q_P, nicht durch den Kanalbereich entladen. Erhöhtes Q_P erhöht V_CG, was zu Elektroneneinjektion oder -ausstoß in/aus den schwebenden Gates führt. Wie in der simulierten Kapazität in Abb. 11a gezeigt, erhöht sich die Kapazität der Antenne, C_ant, proportional zur Antennenfläche, A_ant. Mit dem Gesamtladestrom, der direkt proportional zur Antennenfläche ist, wird erhöhtes AR in einem CSIR das Potenzial auf der Antenne nicht beeinflussen. Messdaten zeigen, dass der Q_FG Pegel etwa gleich bleibt für CSIR mit AR über 100×.

Diese Eigenschaft spart nicht nur Testmusterfläche, sondern ermöglicht auch die Bestimmung von J_P(x,y) mit höherer räumlicher Auflösung für die Untersuchung von Patterning-Effekten auf PID. Außerdem kann ein Detektor mit kleiner Antenne das Design von Testmustern für das Verständnis von PID in Middle-End-of-Line (MEOL) und Kontaktprozessen erleichtern.

Schließlich wird die Leistungszusammenfassung des neuen CSIR für die Überwachung von PID in fortschrittlichen BEOL FinFET-Prozessen in Tabelle 2 zusammengefasst. Der Erfassungsbereich des traditionellen Detektors ist AR, während der Erfassungsbereich des neuen In-situ-Rekorders auf der schwebenden Gate-Länge basiert. Weiterhin kann die Fläche des neuen In-situ-Rekorders sehr klein sein. Am wichtigsten kann der neue CSIR Echtzeit-Rückmeldung des Plasma-Prozesses liefern und Pegel von Ionenladung und Elektronenladungsrate unabhängig trennen.

Schlussfolgerungen

Ein neuartiger Ladungstrennender In-situ-Rekorder (CSIR) zur Überwachung von plasma-induzierten Schäden wird erstmals vorgeschlagen und demonstriert. Der CSIR bietet ein mächtiges Werkzeug zum Verständnis von Elektronenladung und Ionenladungsraten in einer Plasmakammer gleichzeitig. Wafer-Maps können weitere Untersuchungen zwischen der Korrelation zur Bauelementzuverlässigkeit und diesen individuellen Ladungseffekten erleichtern.