CSIR: FinFET BEOL 공정을 위한 실시간 플라즈마 전하 모니터링

요약

후공정(BEOL) 공정에서 플라즈마 유도 손상을 전하 분할 능력으로 모니터링하는 새로운 장치가 최초로 제안되고 입증되었습니다. 이 새로운 전하 분할 인시투 레코더(CSIR)는 첨단 핀 전계효과 트랜지스터(FinFET) 회로 제조 공정 중 플라즈마 충전 효과의 양과 극성을 독립적으로 추적할 수 있습니다. 안테나상의 실시간 인시투 플라즈마 충전 수준을 드러낼 뿐만 아니라 양극 및 음극 충전 효과를 분리하여 두 개의 독립적인 판독값을 제공합니다. CMOS 기술이 미래에 더 미세한 금속 라인을 추구함에 따라 새로운 전하 분리 방식은 BEOL 공정 최적화와 추가 소자 신뢰성 향상을 위한 강력한 도구를 제공합니다.

배경

플라즈마 강화 공정은 많은 고종횡비 구조와 미세 금속 라인으로 구성된 핀 전계효과 트랜지스터(FinFET) 회로 형성에 널리 사용됩니다. 제조 중 이러한 3D 구성을 실현하기 위한 식각 및 증착 단계는 FinFET 소자에 상당한 플라즈마 유도 응력을 유발할 수 있습니다. CMOS FinFET 기술이 발전함에 따라 금속 선폭과 피치는 높이보다 더 공격적으로 감소하여 극도로 미세한 라인으로 정의된 고종횡비 트렌치 형성 필요성을 부추깁니다. 불가피하게 이는 트랜지스터에 대한 플라즈마 유도 손상(PID)의 심각성을 증대시키며, 회로 신뢰성에 미치는 영향은 FinFET 기술 개발의 핵심 관심사 중 하나가 되었습니다. 작은 콘택트, 비아, 미세 금속 라인 형성에서 강한 전력과 고선택성 플라즈마가 일반적으로 적용됩니다. 또한 벌크 핀 식각 시 핀 표면의 반응성 이온 스퍼터링은 트랜지스터 특성에 중요한 벌크 핀 결함을 유발할 수 있습니다. 핀 메탈 게이트와 밀집 상호연결 구조를 가능하게 하기 위해 복잡한 금속 스택이 첨단 FinFET 기술에서 더 자주 사용됩니다. 또한 첨단 기술에서 사용되는 고-k 게이트 유전체는 플라즈마 공정 후 응력 유도 트래핑을 강화합니다. 플라즈마 충전 중 좁은 핀과 기판을 통한 방전 경로는 웨이퍼 전체에 더 불균일한 응력 수준을 유발할 수 있습니다. 트랜지스터 게이트 산화막의 플라즈마 유도 응력은 게이트 유전체 무결성의 추가 열화를 초래하는 것으로 알려져 있습니다.

게이트 유전체 박막의 플라즈마 유도 손상은 신뢰성 실패의 결과로 높은 불균일 충전 시나리오에서 성능 저하, 심지어 수율 손실을 초래할 수 있습니다. 따라서 첨단 FinFET 기술에서는 확대된 안테나 구조를 가진 테스트 소자가 일반적으로 PID 효과 모니터링에 사용되며, 이는 추가 공정 최적화를 위한 피드백을 제공합니다.

PID의 가장 일반적이고 널리 사용되는 척도는 큰 안테나 구조를 가진 테스트 시료의 시간-절연파괴 특성입니다. 이러한 PID 패턴의 잠재적 손상은 일반적으로 게이트 유전체 층의 시간 의존적 열화 측정으로 반영되므로 플라즈마 공정의 실시간 피드백을 제공하지 못합니다. 또한 기존 테스트 소자는 플라즈마 유도 충전 속도와 안테나상의 최대 전위 축적의 출처와 극성을 알 수 없습니다. 안테나 구조로 결합된 플로팅 게이트를 가진 PID 레코더가 이전 연구에서 인시투 검출 능력으로 제안되었습니다. 본 연구에서는 전하 분할 기능을 가진 개정된 PID 레코더를 제안합니다. 공통 안테나 구조에 연결된 순방향 다이오드와 역방향 다이오드를 통해 새로운 설계는 양전하와 음전하에 대한 별도 경로를 제공합니다. 따라서 두 극성의 충전 수준을 독립적으로 기록할 수 있습니다. 이 새로운 전하 분할 인시투 레코더(CSIR)는 작은 안테나만 필요하므로 미들엔드 라인(MEOL) 공정의 플라즈마 충전 효과 향후 연구를 가능하게 합니다.

방법

플라즈마 충전 극성

이전 연구들은 폴리 또는 금속 층 형성 시 식각 공정 중 플라즈마 불균일성과 안테나 전위 변동이 충전 속도의 급격한 차이나 심지어 다른 위치에서 극성 변화를 유발할 수 있다고 보고했습니다. 플라즈마 챔버의 거시적 환경과 미세 패턴 모두 웨이퍼상 충전 속도 분포에 영향을 미칠 수 있습니다. 즉, BEOL 식각 중 플라즈마 충전 속도는 공간적 및 시간적으로 변합니다. 무선 주파수(RF) 플라즈마 공정 중 웨이퍼 표면은 이온 전류 J_i와 전자 전류 J_e로 구성된 충전 전류 J_p를 수집합니다. 이온 전류는 시간과 거의 일정하며 이온 밀도 J_i와 보옴 속도에 의해 결정됩니다. 플라즈마 전위 V_p(t)가 대부분의 시간 동안 게이트 전위 V_G보다 높으므로 전자 전류는 플라즈마 전위가 최솟값 근처에 있을 때 짧은 기간 동안만 흐릅니다. Q_FG 공정 중 게이트 전압은 어느 전류 성분이 더 큰지에 따라 많은 RF 사이클 동안 증가하거나 감소할 수 있으며, 터널링 전류가 안테나상의 J_p와 균형을 이룰 때 안정 상태 게이트 전압에 도달합니다. 그림 1에 표시된 대로 식각 공정 중 여러 단계에서 웨이퍼 중심선을 따라 플라즈마 충전 속도 분포 J_p(x,y,t)는 크기뿐만 아니라 극성에서도 변화하며, 식 (1)과 같이 표현될 수 있습니다. 여기서 J_e는 전자 전류 밀도, J_i는 이온 전류 밀도를 나타냅니다.

$$ {J}_{\mathrm{p}}={J}_{\mathrm{e}}+{J}_{\mathrm{i}}\dots $$ (1)

다른 플라즈마 충전 극성은 서로 다른 시간과 위치에서 양 또는 음 안테나 전하 Q_P를 축적합니다. 명확히 하기 위해, 시간 t₁에서 음의 J_p는 음의 안테나 전하 Q⁻를 유도합니다. t₂에서 양의 J_p는 웨이퍼상 동일한 위치에 양의 안테나 전하 Q⁺를 유도합니다(그림 1 참조). 따라서 양 또는 음 전하가 식각 공정 중 다른 시간에 동일한 안테나에 축적될 수 있습니다. 이전 보고에 따르면 J_e와 J_i의 피크 레벨은 각각 약 -0.15와 0.35 mA/cm²입니다. DC 및 AC/양방향 게이트 응력이 n채널과 p채널 FinFET에 다른 잠재적 게이트 유전체 손상을 초래함이 밝혀졌습니다. 양 또는 음 DC 바이어스와 0.1 Hz 스위칭 주파수의 AC 전압을 각각 기존 FinFET 테스트 시료에 적용했습니다. 그림 2와 같이 양, 음, 양방향 게이트 응력으로 응력받은 트랜지스터의 시간-절연파괴(T_BD)를 비교했습니다. 결과는 DC 게이트 응력이 시료에 더 나쁜 손상을 유발하는 반면 AC 게이트 응력은 더 긴 T_BD로 제안되듯 이 트랜지스터에 덜 심각한 손상을 초래함을 나타냅니다. 그림 2는 산화막 열화가 충전 극성뿐만 아니라 n채널과 p채널 트랜지스터 하의 웰 유형에도 의존함을 보여주며, 이는 공정 중 이 테스트 소자의 방전 경로 차이에 기인할 것으로 예상됩니다. 따라서 T_BD를 손상 심각도 지표로 사용하는 기존 PID 검출기는 공정 중 플라즈마 충전 수준을 반영할 수 없습니다. 반면 이전 연구에서 제안한 플라즈마 충전 레코더는 안테나로 결합된 플로팅 게이트(FG)에 전자를 주입하거나 배출하여 응력 수준을 기록합니다. 기록된 데이터인 플로팅 게이트 전하(Q_FG)는 제작 후 판독됩니다. 기록은 동일한 플로팅 게이트에 의해 제어되고 방향이 정해진 판독 트랜지스터의 임계 전압 이동으로 측정됩니다. Q_P에서 플라즈마 충전으로 인한 안테나의 상승 전위는 단일 금속 층 형성 중 양과 음 안테나 전압을 모두 유도할 수 있습니다. 또한 다른 금속 층에는 다른 제조 매개변수가 사용됩니다. 예를 들어 식각 시간, 사용 화학물질, 챔버 온도가 다를 수 있습니다. 이 매개변수들은 식각 중 웨이퍼 전반의 안테나 전하 분포에 영향을 미칠 수 있습니다. 다른 경우 여러 금속 층에 연결된 트랜지스터는 그림 3a와 같이 훨씬 더 복잡한 플라즈마 충전 시퀀스에 노출됩니다.

전하 분리를 위한 테스트 패턴

본 연구에서 안테나상의 양이온 충전과 음전자 충전은 그림 4a에 예시된 새로운 전하 분할 인시투 레코더(CSIR)로 분리될 수 있습니다. CSIR은 두 개의 플로팅 게이트 FG₁과 FG₂로 구성되어 서로 다른 유형의 충전 효과를 별도로 기록합니다. 안테나 구조는 순방향 다이오드(D1)와 역방향 다이오드(D2)를 통해 두 결합 게이트에 연결됩니다. 구조의 왼쪽 절반에서 양전하는 D1을 통해 결합 게이트 1(CG₁)로 흐릅니다. CG₁이 양으로 충전되면 양쪽 측면의 접촉 슬롯을 통해 플로팅 게이트로 전압이 결합됩니다. 플로팅 게이트는 기판에서 전자가 주입되어 음으로 충전됩니다. 반면 구조의 오른쪽 절반은 음 충전 경로로 안테나에서 결합 게이트 2(CG₂)로 D2를 통해 전류가 흐르게 하여 양의 Q_FG를 생성합니다. 그림 4b는 온칩 pn 다이오드를 가진 CSIR의 단면도를 추가로 보여주며, 양과 음 충전 경로를 별도 결합 게이트 CG₁과 CG₂로 안내하여 각각 FG₁과 FG₂에 안테나 전위를 결합합니다.

CSIR에서 안테나가 양으로 충전될 때 레코더의 왼쪽 절반이 활성화되면 오른쪽 절반은 역방향 다이오드에 의해 전하가 차단되어 비활성화되며, 그 반대도 마찬가지입니다. 두 온칩 다이오드 모두 n+/p-웰로 구성됩니다. D2의 경우 p-영역에서 음 전압을 유지하기 위해 p-영역을 깊은 n-웰로 둘러싸 충전 경로가 기판으로 직접 가는 것을 차단해야 합니다. 안테나의 양 및 음 충전 기간 하에서 CSIR 단면의 시뮬레이션 전위 분포는 그림 5a와 b에 각각 나와 있습니다. 안테나 전위가 5 V에 도달한다고 가정하면 왼쪽 다이오드를 통해 양전하가 왼쪽 제어 게이트로 흐르며 높은 양전압(V_CG1)을 생성합니다. 동시에 양전하는 오른쪽 다이오드에 의해 차단되어 근 0에 가까운 V_CG2를 생성합니다. 두 제어 게이트 전위 차이는 그림 5a의 시뮬레이션 등위선으로 검증됩니다. 안테나 음 충전 효과는 그림 5b에 나와 있습니다. 시뮬레이션 전위 프로파일은 온칩 pn 다이오드가 설계대로 CG₁과 CG₂에 전위를 상호 보완적으로 효과적으로 안내하고 차단함을 검증합니다. 이렇게 하면 플라즈마 처리 중 다른 소스에 해당하는 양과 음 충전 효과를 독립적으로 얻을 수 있어 검출기상의 전하 보상 및 간섭 문제를 방지합니다.

결과 및 논의

순방향 다이오드로 제어되는 FG₁과 역방향 다이오드로 제어되는 FG₂ 및 다이오드 없는 시료의 측정된 임계 전압 이동(ΔV_T)이 그림 6에서 비교됩니다. 웨이퍼 중심선을 따른 데이터는 단일 플로팅 게이트를 가진 레코더가 단일 금속 층 공정 내에서도 전하 중성화에 노출됨을 보여줍니다. 다이오드 없는 레코더의 평균화 효과는 피크 충전 속도가 진실하게 반영되지 않음을 입증합니다. 반면 새로운 CSIR 판독값은 양과 음 충전 수준을 독립적으로 제공할 수 있습니다. 금속 2(M2) 형성 중 플라즈마 충전 효과를 추가 조사하기 위해 CSIR의 각 다이에서 FG₁과 FG₂에 수집된 전하는 식 (2)로 독립적으로 계산될 수 있습니다.

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

여기서 Q_FG는 플로팅 게이트 전하입니다. C_T는 그림 7에 예시된 플로팅 게이트 총 정전용량입니다. ΔV_T는 레코더 판독 게이트에서 검출된 임계 전압 이동이며, α_RG는 판독 게이트로부터의 결합 비율입니다.

플로팅 게이트 전하가 초기에 0이고 게이트 유전체 층 전기장이 0으로 감소할 때 Q_FG가 포화 수준에 도달하면, 플라즈마 공정 종료 시 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_ANT는 플라즈마 충전에 의한 안테나 게이트 전위이고 α_ANT는 안테나 게이트로부터 플로팅 게이트로의 결합 비율을 나타냅니다. V_FB는 금속 게이트에서 핀-기판으로의 플랫밴드 전압입니다. 주어진 공정 시간 하에서 평균 플라즈마 충전 전류 밀도 J_p는 식 (4)로 투영될 수 있습니다.

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

여기서 Δt는 플라즈마 공정 지속시간이고 C_ANT는 금속 안테나 총 정전용량이며 A_ANT는 안테나 충전 영역입니다. 위 계산에 사용된 모든 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다.

최상위 금속(금속 9)과 최하위 금속(금속 2) 층 공정 중 웨이퍼 전반의 양과 음 충전 속도 분포가 그림 8에서 추가 비교됩니다. 이는 안테나 구조상 충전이 더 높은 금속 레벨(금속 9)에서 더 두드러짐을 시사합니다. 금속 9에서 더 높은 플라즈마 에너지가 J_p를 금속 2의 J_p보다 크기 면에서 더 크게 만들기 때문입니다. 또한 데이터는 두 경우 모두 전자 및 이온 충전 속도가 중심 부근에서 피크에 도달함을 시사합니다. 예상대로 웨이퍼 중심에 가까운 다이가 플라즈마 처리 중 더 긴 방전 경로로 인해 높은 충전 수준을 경험합니다. 이 위치 효과는 더 많은 전자 충전 우세 조건과 이온 충전 우세 조건 모두에서 동일하게 발견됩니다. 단일 금속 층 형성(금속 2(M2) 및 금속 9(M9)) 동안 평균화된 투영 플라즈마 충전 속도 J_p(x,y)가 그림 9에서 추가 비교됩니다. 이 웨이퍼 맵은 전자 충전 속도가 가장자리를 제외하고 고원 상태인 반면 이온 충전 속도는 웨이퍼 중간 구간에서 더 높은 변동을 보임을 보여줍니다. 향후 다른 공정 조건 하에서 이러한 웨이퍼 맵은 플라즈마 챔버에 대한 통찰이나 충전 효과를 더 잘 보상함으로써 추가 최적화 지침을 제공할 것으로 기대됩니다.

안테나 비율 효과

전통적 PID 모니터링 소자는 일반적으로 트랜지스터 게이트를 큰 안테나에 직접 연결하여 PID 효과를 증폭시키고, 작은 채널 영역을 통해 방전될 것으로 예상되는 총 Q_P 증가로 응력 수준을 평가합니다. 안테나 비율(AR)은 플라즈마 공정 중 게이트 유전체를 통한 응력 전류 밀도에 비례합니다. 안테나상의 큰 Q_P는 유전체 층에 잠재적 손상 및/또는 트랩을 유도하여 궁극적으로 신뢰성 저하를 초래하는 것으로 알려져 있습니다. 예상대로 기존 FinFET에서 더 높은 AR은 응력 수준을 현저히 높여 더 심각한 T_BD 열화, 즉 더 짧은 작동 기간 내 소자 고장을 유발합니다(그림 10 참조). 반면 CSIR에서 플로팅 게이트 전하 Q_FG로 기록된 플라즈마 충전 수준은 안테나 효과가 거의 없습니다. 즉, 그림 11에 요약된 데이터에서 드러나듯 안테나 면적 증가에 반응하지 않습니다.

새로운 플로팅 게이트 기반 CSIR에서 안테나 비율(AR)은 플라즈마 충전 중 결합 게이트의 피크 전위에 영향을 미칩니다. 스케일링 기술에서 연결 및 결합 구조의 기생 정전용량은 감소할 것으로 예상되어 기록 결과에 대한 AR 민감도가 줄어듭니다. CSIR과 기존 검출기 간 AR 효과에 이러한 명백한 차이를 초래하는 이유는 다음과 같습니다. 이 플로팅 게이트 레코더에서 안테나에 축적된 전하 Q_P는 채널 영역을 통해 방전되지 않습니다. 증가된 Q_P는 V_CG를 상승시켜 플로팅 게이트로 전자 주입 또는 배출을 유도합니다. 그림 11a의 시뮬레이션 정전용량에서 보듯 안테나 정전용량 C_ant는 안테나 면적 A_ant에 비례하여 증가합니다. 총 전하 전류가 안테나 면적에 정비례하므로 CSIR에서 증가된 AR은 안테나 전위에 영향을 미치지 않습니다. 측정 데이터는 AR이 100배를 초과하면 Q_FG 수준이 거의 동일하게 유지됨을 보여줍니다.

이 특징은 테스트 패턴 면적을 절약할 뿐만 아니라 패터닝 효과가 PID에 미치는 영향을 연구하기 위해 더 높은 공간 해상도로 J_p(x,y)를 찾는 것을 가능하게 합니다. 또한 작은 안테나를 가진 검출기는 MEOL 및 콘택트 공정에서 PID 이해를 위한 테스트 패턴 설계를 용이하게 합니다.

마지막으로 첨단 BEOL FinFET 공정에서 PID 모니터링을 위한 새로운 CSIR 성능 요약이 표 2에 정리되어 있습니다. 기존 검출기의 감지 범위는 AR인 반면 새로운 인시투 레코더의 감지 범위는 플로팅 게이트 길이를 기반으로 합니다. 또한 새로운 인시투 레코더 면적은 매우 작을 수 있습니다. 가장 중요하게 새로운 CSIR은 플라즈마 공정의 실시간 피드백을 제공하고 이온 충전과 전자 충전 속도 수준을 독립적으로 분리할 수 있습니다.

결론

플라즈마 유도 손상 모니터링을 위한 새로운 전하 분할 인시투 레코더(CSIR)가 최초로 제안되고 입증되었습니다. CSIR은 플라즈마 챔버 내 전자 충전과 이온 충전 속도를 동시에 이해하기 위한 강력한 도구를 제공합니다. 웨이퍼 맵은 이러한 개별 충전 효과와 소자 신뢰성 간 상관관계 추가 연구를 촉진할 수 있습니다.