FinFET BEOL 프로세스에서 플라즈마 충전 효과의 실시간 검사를 위한 CSIR(Charge Splitting In Situ Recorder)

방법

플라즈마 충전 극성

이전 연구에 따르면 다층 또는 금속층을 형성하는 식각 과정에서 플라즈마 불균일성과 안테나 전위의 변화로 인해 충전 속도의 급격한 차이가 발생하거나 극성이 다른 위치에서 변경될 수 있다고 보고했습니다[24, 25]. 플라즈마 챔버의 거시적 환경과 미세 패턴은 모두 웨이퍼의 충전율 분포에 영향을 미칠 수 있습니다[26]. 즉, BEOL(back-end-of-line) 에칭에서 플라즈마 충전 속도는 공간적으로 그리고 시기적절하게 변합니다. 무선 주파수(RF) 플라즈마 공정 동안 웨이퍼 표면은 충전 전류 J를 수집합니다. _p , 이온 전류 J로 구성 _나 및 전자 전류 J _e [26]. 이온 전류는 시간에 따라 거의 일정하며 이온 밀도 J에 의해 결정됩니다. _나 및 Bohm 속도[26]. 플라즈마 전위 V 이후 _p (그 ) 게이트 전위 V보다 높습니다. _G 대부분의 시간 동안 전자 전류는 플라즈마 전위가 최소값에 가까운 짧은 기간 동안에만 흐릅니다. Q 동안 _FG 프로세스에서 게이트 전압은 터널링 전류의 균형이 J일 때 정상 상태 게이트 전압에 도달할 때까지 전류의 구성 요소가 더 큰지에 따라 많은 RF 주기에 걸쳐 증가하거나 감소할 수 있습니다. _p 안테나에. 그림 1과 같이 플라즈마 충전율 분포 J _P (x ,y ,그 ), 서로 다른 단계에서 에칭 프로세스 동안 웨이퍼를 가로질러 크기와 극성이 모두 변경되며, 여기서 식 (1)과 같이 표현될 수 있습니다. (1) 여기서 J _e 전자 전류 밀도를 나타내고, J _나 이온 전류 밀도를 나타냅니다.

서로 다른 시간에 에칭 공정 중 웨이퍼 중심선의 플라즈마 유도 대전율 분포. 특정 위치의 플라즈마 충전 극성은 시간이 지남에 따라 변경될 수 있습니다.

서로 다른 플라즈마 충전 극성은 양 또는 음의 안테나 전하를 발생시킵니다. Q _P , 다른 시간과 위치에 누적됩니다. 명확히 하기 위해 t 시간에 ₁ , 음수 J _p 음의 안테나 전하로 이어집니다 Q -. t에 ₂ , 긍정적인 J _p 는 그림 1과 같이 웨이퍼의 동일한 위치에 양의 안테나 전하 Q+를 유도합니다. 따라서 양전하 또는 음전하는 에칭 프로세스 동안 다른 시간에 동일한 안테나에 축적될 수 있습니다. 이전 보고서[27]에서 J의 최고 수준은 _e 및 J _나 약 - 0.15 및 0.35mA/cm ² 입니다. , 각각. n-채널 및 p-채널 FinFET에 대한 DC 및 AC/양방향 게이트 스트레스가 게이트 유전막에 서로 다른 잠재적 손상을 초래한다는 것이 밝혀졌습니다[28, 29]. 기존 FinFET 테스트 샘플에는 각각 포지티브 또는 네거티브 DC 바이어스의 고전압 스트레스와 0.1Hz 스위칭 주파수의 AC 전압이 적용됩니다. 그림 2와 같이 고장까지의 시간(T _BD ) 양 방향, 음수 및 게이트 응력에 의해 스트레스를 받는 트랜지스터의 양 방향을 비교합니다. 결과는 더 긴 T에서 알 수 있듯이 DC 게이트 스트레스가 샘플에 더 큰 손상을 입히는 반면 AC 게이트 스트레스는 이러한 트랜지스터에 덜 심각한 손상을 초래한다는 것을 나타냅니다. _BD 양방향 응력을 받는 샘플의 경우. 그림 2는 또한 산화물 열화가 충전 극성뿐만 아니라 n-채널 및 p-채널 트랜지스터 아래의 웰 유형에 따라 달라지는 것을 보여줍니다. 이는 이러한 테스트의 방전 경로의 차이로 인해 발생할 것으로 예상됩니다. 프로세스 중 장치. 따라서 T를 사용하는 기존 PID 검출기는 _BD 손상 심각도에 대한 지표는 공정 중 플라즈마 충전 수준을 반영할 수 없기 때문입니다. 반면, 우리의 이전 연구에서 제안한 플라즈마 충전 기록기는 전하 수집 안테나로 결합된 플로팅 게이트(FG)에 전자를 주입하거나 방출하여 응력 수준을 기록합니다. 기록된 데이터, 부동 게이트 전하(Q _FG ), 제작 후 후속적으로 읽습니다[24, 25]. 그런 다음 동일한 부동 게이트에 의해 채널이 제어되고 지시되는 읽기 트랜지스터의 임계 전압 이동에 의해 기록이 측정됩니다. Q로 안테나의 전위 상승 _P 플라즈마 충전으로 인해 단일 금속층이 형성되는 동안 양극 및 음극 안테나 전압이 모두 유도될 수 있습니다. 또한, 다른 금속층에 대해 다른 제조 매개변수가 사용됩니다. 예를 들어, 에칭 시간, 사용된 화학 물질 및 챔버 온도가 다를 수 있습니다. 이러한 매개변수는 에칭 중에 웨이퍼 전체의 안테나 전하 분포에 영향을 줄 수 있습니다. 다른 경우에는 그림 3a와 같이 여러 금속층에 연결된 트랜지스터가 훨씬 더 복잡한 플라즈마 충전 시퀀스를 따릅니다.

고장 시간(T _BD ) n-채널 및 p-채널 FinFET의 게이트 전극에 포지티브, 네거티브 및 포지티브 + 네거티브 충전에 의해 스트레스를 받습니다. 티 _BD 서로 다른 극성 스트레스를 받는 장치의 수는 게이트 유전체에 축적된 손상이 충전 극성뿐만 아니라 해당 FinFET 아래의 웰에도 의존함을 시사합니다.

아 서로 다른 금속층에 대한 플라즈마 대전 효과는 웨이퍼 전체의 서로 다른 위치에 따라 다릅니다. ㄴ 양전하와 음전하는 적층된 금속층에서 서로를 보상할 수 있습니다.

BEOL 프로세스의 여러 단계에서 특정 안테나의 플라즈마 충전 전류는 이온 전류와 전자 전류 사이를 전환할 수 있습니다. 즉, 순 Q _P 양수에서 음수로 바뀔 수도 있습니다. 금속 2, 금속 3, 금속 4 및 다중 금속 층으로 구성된 안테나가 있는 샘플에 대한 기록은 그림 3b에 요약되어 있습니다. 데이터는 층에서 층으로의 특정 변화 극성에서 단일 금속 층[24]의 순 전하를 제안합니다. 또한 Q _FG 다중 금속 층의 안테나 구조를 가진 샘플의 샘플은 그림 3b의 측정 데이터에 의해 추가로 뒷받침됩니다. 양수 및 음수 V _G 안테나의 마지막 Q _FG 그런 다음 순차적으로 발생할 수 있는 FG로/로부터 전자 주입 및 방출에 의해 평균화됩니다. 이 보상 효과는 레코더가 플라즈마 프로세스 중에 경험한 장치의 실제 스트레스 조건을 나타내도록 제한합니다. 개정된 CSIR은 양전하 효과와 음전하 효과를 간섭 없이 개별적으로 기록하는 방법에 대한 문제를 해결하고 플라즈마 챔버 내 대전 상황에 대한 보다 자세한 데이터를 제공하기 위해 설계되었습니다.

전하 분리 테스트 패턴

본 연구에서는 그림 4a와 같이 새로운 CSIR(charge splitting in situ recorder)을 제안하여 안테나의 양이온 대전과 음전하를 분리할 수 있다. CSIR은 두 개의 부동 게이트, FG₁로 구성됩니다. 및 FG₂ 서로 다른 유형의 충전 효과를 별도로 기록합니다. 안테나 구조는 각각 순방향 다이오드(D1)와 역방향 다이오드(D2)를 통해 두 개의 커플링 게이트에 연결됩니다. 구조의 왼쪽 절반에서 양전하는 커플링 게이트 1(CG₁ )부터 D1까지. CG₁일 때 양으로 충전되면 전압이 양쪽의 접촉 슬롯을 통해 플로팅 게이트에 연결됩니다. 플로팅 게이트는 전자가 기판에서 주입될 때 음전하를 띠게 됩니다. 반면에 구조의 오른쪽 절반은 음의 충전 경로로, 전류가 안테나에서 커플링 게이트 2(CG₂ )에서 D2까지, 결과적으로 긍정적인 Q _FG . 그림 4b는 양극 및 음극 충전 경로를 별도의 커플링 게이트 CG₁로 향하게 하는 온칩 pn 다이오드가 있는 CSIR의 단면도를 추가로 보여줍니다. 및 CG₂ , 안테나의 전위를 FG₁에 연결합니다. 및 FG₂ , 각각.

아 전자/이온 충전을 감지하기 위해 순방향 다이오드(D1) 및 역방향 다이오드(D2)에 각각 연결하여 2개의 개별 부동 게이트가 있는 현장 기록계에서 전하 분할. ㄴ 분리된 커플링 게이트 CG₁에 양전하와 음전하를 전달하는 온칩 pn 다이오드가 있는 새로운 전하 분할 현장 레코더의 단면도 및 CG₂

레코더의 왼쪽 절반이 양으로 충전된 안테나 아래 CSIR에서 활성화되면 역 다이오드에 의해 전하가 차단되므로 오른쪽 절반이 비활성화되고 반대의 경우도 마찬가지입니다. 두 온칩 다이오드는 모두 n+/p-well로 구성됩니다. D2의 경우 p-웰에서 음의 전압을 유지하려면 p-영역을 깊은 n-웰로 둘러싸여 기판으로의 직접 충전 경로를 차단해야 합니다. 안테나의 양 및 음 충전 기간에서 CSIR 단면의 시뮬레이션된 전위 분포는 각각 그림 5a와 b에 나와 있습니다. 안테나의 전위가 5V에 도달했다고 가정하면 왼쪽의 다이오드를 통해 양전하가 왼쪽의 제어 게이트로 흘러 높은 양의 전압(V _CG1 ). 동시에 오른쪽의 다이오드에 의해 양전하가 차단되어 0에 가까운 V _CG2 . 두 제어 게이트의 전위 차이는 그림 5a의 시뮬레이션된 전위 등고선에 의해 확인됩니다. 안테나에 대한 음전하의 영향은 그림 5b에 나와 있습니다. 시뮬레이션된 전위 프로파일은 온칩 pn 다이오드가 전위를 CG₁로 효과적으로 유도하고 차단할 수 있음을 확인합니다. 및 CG₂ , 무료로 설계된 대로. 이러한 방식으로 플라즈마 처리에서 서로 다른 소스에 해당하는 양전하 및 음전하 효과를 독립적으로 얻을 수 있어 전하 보상 및 검출기의 간섭 문제를 방지할 수 있습니다.

양수 및 음수 안테나 게이트 전압을 사용하여 CSIR에서 시뮬레이션된 전위 분포. 순방향 및 역방향 pn 다이오드가 안테나 전하 극성을 성공적으로 분리합니다.

결과 및 토론

측정된 임계 전압 이동(ΔV _T ) FG₁로 제어되는 기기 순방향 다이오드 포함 및 FG₂ 역 다이오드가 있는 샘플과 다이오드가 없는 샘플이 그림 6에서 비교됩니다. 웨이퍼의 중심선을 따라 데이터는 단일 부동 게이트가 있는 레코더가 단일 금속 층 처리 내에서도 전하 중성화를 겪는다는 것을 보여줍니다. 다이오드가 없는 레코더의 평균 효과는 피크 충전 속도가 제대로 반영되지 않는다는 것을 증명합니다. 반면에 새로운 CSIR의 판독값은 양수 및 음수 충전 수준을 독립적으로 제공할 수 있습니다. 금속 2(M2) 형성에서 플라즈마 대전 효과를 더 조사하기 위해 FG₁에 수집된 전하 및 FG₂ 각 다이의 CSIR은 다음 식에 의해 독립적으로 계산될 수 있습니다. (2),

$$ {Q}_{\mathrm{FG}}={C}_{\mathrm{T}}\times \Delta {V}_{\mathrm{T}}\times {\alpha}_{\mathrm {RG}}\도트 $$ (2)

여기서 Q _FG 플로팅 게이트의 전하입니다. C _T 는 그림 7과 같이 플로팅 게이트의 총 커패시턴스입니다. ΔV _T 는 레코더의 읽기 게이트에서 감지된 임계 전압 이동이며 α _RG 읽기 게이트의 커플링 비율입니다.

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델타 V 분포 _T FG₁에서 순방향 다이오드 및 FG₂ 포함 웨이퍼 중심선을 따라 리버스 다이오드가 있는 경우 및 다이오드가 없는 경우 FG

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아 CSIR 장치의 커패시턴스 네트워크 모델의 개략도. ㄴ 플로팅 게이트의 총 커패시턴스는 언급된 직렬 커패시턴스에 병렬 커패시턴스를 더한 것입니다.

부동 게이트 전하가 처음에 0이고 Q일 때 _FG 게이트 유전층을 가로지르는 전기장이 0으로 감소할 때 포화 수준에 도달하면 플라즈마 프로세스의 끝에서 최종 안테나 게이트 전위는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

$$ {V}_{\mathrm{ANT}}=\frac{V_{\mathrm{FB}}-\frac{Q_{\mathrm{FG}}}{C_{\mathrm{T}}}}{ \alpha_{\mathrm{ANT}}}\dots $$ (3)

여기서, V _개미 플라즈마 충전에 의한 안테나 게이트 전위 및 α _개미 안테나 게이트에서 플로팅 게이트로의 결합 비율을 나타냅니다. V _FB 는 금속 게이트에서 핀 기판까지의 플랫밴드 전압입니다. 주어진 프로세스 시간에서 평균 플라즈마 충전 전류 밀도, J _p 그런 다음 식에 의해 투영될 수 있습니다. (4).

$$ {J}_{\mathrm{p}}=\frac{V_{\mathrm{ANT}}\times {C}_{\mathrm{ANT}}}{A_{\mathrm{ANT}}\times \Delta t}\dots $$ (4)

여기서 Δt 플라즈마 프로세스의 지속 시간 [28, 29] 및 C _개미 는 금속 안테나의 총 정전용량이고 A _개미 안테나의 충전 영역입니다. 위 계산에 사용된 모든 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.

상단(금속 9) 및 하단 금속(금속 2) 레이어를 처리하는 동안 웨이퍼 전체에 걸쳐 양 및 음 충전 속도의 분포가 그림 8에서 추가로 비교됩니다. 이는 안테나 구조의 충전이 더 높은 금속에서 더 두드러진다는 것을 의미합니다. (금속 9), 금속 9에서는 더 높은 플라즈마 에너지가 J를 유발하기 때문입니다. _p J보다 크게 _p 크기 측면에서 금속 2의. 또한 데이터에 따르면 전자 및 이온 충전 속도는 두 경우 모두 중심 부근에서 피크를 나타냅니다. 예상대로 웨이퍼 중앙에 닫힌 다이는 높은 충전 수준을 경험하며, 이는 플라즈마 처리 중 방전 경로가 더 길기 때문일 수 있습니다. 이 위치 효과는 더 많은 전자 및 이온 충전 지배적 조건 모두에서 동일한 것으로 밝혀졌습니다. 예상 플라즈마 충전 속도, J _P (x,y ), 금속 2(M2) 및 금속 9(M9)라는 단일 금속 층의 형성에 대해 평균을 낸 것을 그림 9에서 추가로 비교했습니다. 이러한 웨이퍼 맵은 전자 충전 속도가 가장자리를 제외하고는 안정기에 있는 것으로 보인다는 것을 보여줍니다. , 이온 충전 속도는 웨이퍼의 중간 섹션에서 더 높은 변동을 보였다. 미래에는 서로 다른 처리 조건에서 이러한 웨이퍼 맵이 플라즈마 챔버에 대한 통찰력을 제공하거나 충전 효과를 더 잘 보상하여 추가 최적화 지침을 제공할 것으로 예상됩니다.

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금속 2 및 금속 9 공정에 대한 웨이퍼 중심선의 양전하 및 음전하 속도 비교. 충전 속도는 중심 부근에서 최고조에 달하며 이는 웨이퍼 중심에서 플라즈마로 인한 손상이 더 심각함을 의미합니다.

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투영된 전자 및 이온 충전 속도, J _e (x ,y ) 및 J _나 (x ,y ) 금속 2 금속 9 형성 동안 에칭 표면을 가로질러 전하 분할 기록기에 의해 얻어진다

안테나 비율 효과

기존의 PID 모니터링 장치는 일반적으로 트랜지스터의 게이트를 대형 안테나에 직접 연결하고 전체 Q 증가로 스트레스 수준을 평가하여 PID 효과를 증폭하도록 설계되었습니다. _P 작은 채널 영역을 통해 방전될 것으로 예상됩니다[30, 31]. 안테나 비율(AR)은 플라즈마 프로세스 동안 게이트 유전체를 통한 스트레스 전류 밀도에 비례합니다[32]. 큰 Q _P 안테나 상의 잠재적인 손상 및/또는 유전층의 트랩을 유도하는 것으로 알려져 있으며, 이는 궁극적으로 신뢰성 저하를 초래합니다[33]. 예상대로 기존 FinFET에서 더 높은 AR은 스트레스 수준을 크게 높여 더 심각한 T_BD를 유발합니다. 열화, 즉 더 짧은 작동 기간 내 장치 고장은 그림 10을 참조하십시오. 반면 CSIR에서 플라즈마 충전 레벨은 플로팅 게이트 전하, Q로 기록됩니다. _FG , 안테나 효과가 거의 없습니다. 즉, 그림 11에 요약된 데이터에서 알 수 있듯이 증가하는 안테나 면적에 응답하지 않습니다.

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아 고장까지 걸리는 시간 특성 나 _G 대 안테나 크기가 증가함에 따라 기존 PID 검출기의 시간. ㄴ 티 _BD AR이 1000을 초과하면 급격히 감소합니다.

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아 안테나의 커패시턴스가 증가함에 따라 V _CG AR에서 독립합니다. ㄴ 질문 _FG AR이 100배를 초과하면 포화됩니다.

새로운 부동 게이트 기반 CSIR에서 안테나 비율(AR)은 플라즈마 충전 동안 결합 ​​게이트의 피크 전위에 영향을 미칩니다. 확장된 기술에서 연결 및 결합 구조의 기생 커패시턴스가 감소하여 기록 결과에 대한 AR 감도가 낮아질 것으로 예상됩니다. CSIR과 기존 검출기 사이에 AR 효과에 이러한 명백한 차이가 발생하는 이유는 다음과 같습니다. 이 플로팅 게이트 레코더에서 안테나에 축적된 전하 Q _P 채널 영역을 통해 방전되지 않습니다. Q 증가 _P V를 올립니다. _CG , 플로팅 게이트로/로부터 전자 주입 또는 방출로 이어집니다. 그림 11a의 시뮬레이션된 정전용량에서 보듯이 안테나의 정전용량 C _개미 , 안테나 면적에 비례하여 증가, A _개미 . 총 충전 전류는 안테나 면적에 정비례하므로 CSIR의 AR 증가는 안테나의 전위에 영향을 미치지 않습니다. 측정 데이터는 Q _FG AR이 100배를 초과하는 SCIR의 경우 수준이 거의 동일하게 유지됩니다.

이 기능은 테스트 패턴 영역을 저장할 뿐만 아니라 J를 찾을 수 있습니다. _P (x ,y ) PID에 대한 패터닝 효과를 연구하기 위해 더 높은 공간 분해능을 사용합니다. 또한 안테나가 작은 검출기는 MEOL(Middle End of the Line) 및 접촉 프로세스에서 PID를 이해하기 위한 테스트 패턴 설계를 용이하게 할 수 있습니다.

마지막으로 고급 BEOL FinFET 프로세스에서 PID를 모니터링하기 위한 새로운 CSIR의 성능 요약이 표 2에 요약되어 있습니다. 기존 검출기의 감지 범위는 AR인 반면 새로운 현장 레코더의 감지 범위는 부동 게이트 길이를 기반으로 합니다. 또한, 새로운 현장 레코더의 영역은 매우 작을 수 있습니다. 가장 중요한 것은 새로운 CSIR이 플라즈마 프로세스의 실시간 피드백과 이온 충전 및 전자 충전 속도의 개별 수준을 독립적으로 제공할 수 있다는 것입니다.

결론

플라즈마 유도 손상을 모니터링하기 위한 새로운 전하 분할 현장 기록기(CSIR)가 처음으로 제안되고 시연되었습니다. CSIR은 플라즈마 챔버에서 전자 충전과 이온 충전 속도를 동시에 이해하기 위한 강력한 도구를 제공합니다. 웨이퍼 맵은 장치 신뢰성과 이러한 개별 충전 효과 간의 상관 관계를 추가로 연구하는 데 도움이 될 수 있습니다.

변경 내역

Au@TiO2 난황-쉘 나노구조의 준비 및 메틸렌 블루의 분해 및 검출을 위한 응용 그래핀 산화물 기반 전달 시스템을 통한 Metalloproteinase-1 조직 억제제의 연속 방출은 피부 재생을 촉진할 수 있습니다