OCD-скаттерометрия для GAA-процессов

OCD-скаттерометрия для GAA-процессов

Выпуск 22 (6721) от 12 ноября 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Дальнейшее развитие полупроводниковых технологий связано с переходом на новые приборные структуры – ​такие, например, как круговые затворы (gate-all-around, GAA), предлагающие значительный рост производительности на технологических уровнях с минимальными размерами топологических элементов. Однако при этом существенно увеличивается сложность технологического процесса, что делает точную метрологию производственных GAA-процессов как более важной, так и более сложной задачей.

При освоении нескольких последних поколений полупроводниковых технологий наиболее перспективной стала оптическая метрология критических размеров на основе на скаттерометрии (OCD-скаттерометрия) – ​отчасти из-за ее способности измерять трехмерные формы, подповерхностные и вторичные характеристики. Последнее поколение самих OCD-систем обладает улучшенными параметрами отношения сигнал–шум, повышенной точностью сигнала и перспективными возможностями машинного обучения, которые позволяют поддерживать самые сложные этапы GAA-процесса с повторяемостью измерений и высокой производительностью.


GAA-транзисторы в сравнении с планарными транзисторами и FinFET

На протяжении большей части своей истории полупроводниковая промышленность была сосредоточена на планарных транзисторных архитектурах, в которых затвор, расположенный над каналом, управляет потоком тока через канал между истоком и стоком. Исток, канал и сток представляют собой копланарные структуры, созданные на поверхности полупроводниковой пластины, поверх которых формируется затвор (рис. 1). Увеличение вычислительной мощности интегральной схемы по существу связано с уменьшением ее размеров.



Источник: Onto Innovation

Рисунок 1. Архитектуры полевых транзисторов с планарными, «плавниковыми» и круговыми затворами

* STI (shallow trench isolation) – изоляция неглубоких канавок.


Когда номинальная длина затвора приблизилась к 20 нм, планарные приборы столкнулись с эффектами короткого канала, такими как увеличение токов утечки, что ухудшило их производительность. Для борьбы с этими эффектами производители перешли на FinFET-транзисторы, в которых канал имеет форму плавника, окруженного с трех сторон затвором (см. рис. 1). Это позволило увеличить эффективную площадь затвора в непосредственной близости от канала. FinFET-приборы дали возможность и дальше наращивать вычислительную мощность за счет уменьшения проектных норм – ​до уровня около 5 нм (отметим, что термин node – ​технологический уровень, узел – ​больше не отражает точно длину затворов, а является скорее условным обозначением последовательных поколений с точки зрения увеличения плотности расположения устройств и вычислительной мощности). Затем производители столкнулись с ограничениями FinFET и были вынуждены рассмотреть другие архитектуры. Некоторые выбрали конструкции с круговыми затворами, в которых, как следует из названия, затворы полностью окружают канал (см. рис. 1). GAA-приборы обещают постоянное улучшение производительности, но из-за трехмерности сложность процесса их производства значительно повышается.


Управление технологическими процессами и оптическая метрология

Управление технологическим процессом, обеспечивающее надежное создание функциональных устройств с физическими и электрическими характеристиками, попадающими в заданные окна процесса, – ​неотъемлемая часть любой операции по производству полупроводниковых приборов. Метрология, как наука и практика измерения производительности технологических процессов, обеспечивает основу для управления ими. Точно так же, как производственные процессы эволюционировали для создания более мелких и сложных устройств, измерительные технологии должны были измениться, чтобы контролировать новые процессы. Большая часть оптической метрологии на основе анализа изображений устарела, поскольку критические размеры сократились до субмикронного уровня еще десятилетия назад. Основой отрасли с тех пор стала сканирующая электронная микроскопия, специально разработанная для измерений критических размеров (CD-SEM). Этот неразрушающий подход обеспечивает нисходящие двумерные измерения. Электронная микроскопия поперечных сечений (XSEM) может обеспечить получение трехмерной информации, но за счет дополнительной разрушающей подготовки образца. Поскольку масштабирование продолжалось, разрешающая способность SEM стала недостаточной и производители начали применять просвечивающую электронную микроскопию (TEM), которая позволяет различать отдельные атомы, но только ценой разрушающей подготовки образца. TEM остается золотым стандартом точности и эталонных измерений, но ее длительный цикл и низкая пропускная способность плохо подходят для приложений управления технологическими процессами.

Хотя критические размеры давным-давно вышли за пределы разрешающей способности методов оптического формирования изображений, другие оптические методы могут обеспечить проведение неразрушающих измерений с большой скоростью и повторяемостью. OCD-скаттерометрия позволяет получить информацию о форме, размерах и составе на основе диаграмм рассеяния, наблюдаемых в свете, взаимодействовавшем с образцом. Для этого требуется правильно расположить схожие топологические элементы, что широко распространено в интегральных схемах. Мишень может быть встроенным в схему топологическим элементом, таким как линейная матрица, или специально разработанной измерительной мишенью, обычно расположенной в области между кристаллами на пластине.

Простейшая иллюстрация OCD-измерения – ​интерференционная картина, возникающая при падении света на расположенную с правильными интервалами матрицу токопроводящих дорожек (проводников) и пространств между ними. Расстояние между интерференционными полосами зависит от длины волны света, конфигурации оптического тракта и расстояния между проводниками. Поскольку информация переносится в форме фазовых соотношений световых волн, метод не ограничен связанными с длиной волны дифракционными ограничениями на разрешающую способность изображения. По мере того как производители уходили ниже 20-нм проектных норм и осваивали архитектуры FinFET с критическими трехмерными топологическими элементами, скаттерометрия становилась одним из основных методов метрологии управления технологическими процессами.

Скаттерометрия для управления полупроводниковым технологическим процессом производства основана на эллипсометрии. Эллипсометр измеряет влияние отражения (или пропускания) на поляризованный свет. Эллипсометрия уже давно используется в метрологии полупроводниковых приборов для определения характеристик тонких пленок в многослойных этажерках. Этот метод чрезвычайно чувствителен и точен, позволяет измерять пленки толщиной в один атомный слой. Для определения фундаментальных физических свойств материала эллипсометры измеряют комплексный показатель преломления материала или тензор диэлектрической проницаемости. Они могут быть использованы для определения таких характеристик, как толщина, состав, шероховатость (неравномерность), кристаллическая природа пленки, концентрация легирующих примесей в пленке, ее электропроводность и многое другое.

Стандартные эллипсометры анализируют поляризованный свет, отраженный от образца, и сравнивают его с известным состоянием поляризации падающего света. Это делается для измерения комплексного коэффициента контрастности, состоящего из двух параметров: амплитудной составляющей (ψ) и разности фазовых сдвигов (Δ). Спектроскопические эллипсометры используют широкополосный источник света и измеряют эти параметры в зависимости от длины волны. При измерении тонких неокрашенных пленок обычно предполагается, что образец состоит из небольшого числа дискретных, четко определенных слоев, которые оптически однородны и изотропны. Когда эти предположения справедливы, два параметра, ψ и Δ, являются достаточными для большинства применений тонких пленок.

Для скаттерометрических измерений сложных трехмерных топологических элементов эти предположения несправедливы. Обычная спектроскопическая эллипсометрия измеряет только количество падающего p-поляризованного (электрическое поле параллельно плоскости падения) света, который отражается как p-поляризованный свет, и количество падающего s-поляризованного (электрическое поле перпендикулярно плоскости падения) света, который отражается как s-поляризованный свет. Однако может также иметь место перекрестное поляризованное рассеяние, p/s и s/p. Матричная спектроскопическая эллипсометрия Мюллера (MMSE) охватывает полное описание поляризованного отражения, включая кросс-поляризацию и круговую поляризацию, которое осуществляется в матрице из 16 элементов на каждой длине волны. Перекрестная поляризация несет важную информацию о таких характеристиках, как симметрия, неравномерность краев и анизотропные оптические свойства. Это важно для характеристики трехмерных структур. Полная матрица Мюллера может быть измерена с помощью спектроскопического эллипсометра с двумя вращающимися компенсаторами (рис. 2), один из которых находится между поляризатором и образцом, а другой – между образцом и анализатором.



Источник: Onto Innovation

Рисунок 2. Сопоставление падающего поляризованного и отраженного поляризованного света при помощи эллипсометра для определения структурности и свойств материала. Получение всех 16 элементов матрицы Мюллера, полностью описывающей отражение, достигается с помощью двух компенсаторов


Полезность и ценность полной эллипсометрии матрицы Мюллера варьируются в зависимости от приложения. В некоторых случаях это может быть существенно, например при измерении структурной анизотропии, такой как наклон и сдвиг наложения. В других случаях подобные измерения сложных структур не нужны, но все же ценны – ​дополнительная информация может помочь в декорреляции параметров. Наконец, дополнительная информация может быть не только потенциально ценной, но и по существу бесплатной – ​например, когда двойные компенсаторы позволяют полностью собирать матрицу Мюллера без изменения угла положения анализатора.


Анализ данных – ​гармонический анализ связанных волн и машинное обучение

Методика OCD представляет собой методику косвенного измерения. В ее рамках не существует аналитического решения для получения желаемых физических или материальных свойств непосредственно из измеренных параметров. Скорее, этот процесс основывается на разработке моделей и их сравнении с полученными данными. Классический процесс основан на гармоническом анализе связанных волн (RCWA), применяемом для генерации набора ожидаемых элементов матрицы Мюллера, основанных на теоретических взаимодействиях света с виртуальной моделью структуры, которая включает в себя форму, размеры, материал, оптические свойства и многое другое. Параметры модели варьируются, а результирующие элементы матрицы записываются. Регрессионный анализ направлен на выявление ключевых особенностей спектров матричных элементов, которые предсказуемо и однозначно изменяются в зависимости от интересующего параметра и поэтому могут служить надежными эрзац-переменными. Процесс моделирования может быть длительным, трудоемким и дорогостоящим. В его рамках для получения желаемого значения измерения фактические данные измерений сравниваются с моделируемыми данными.

Последние разработки в области искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения предлагают значительное сокращение затрат и времени на нахождение решения. Машинное обучение позволяет существенно автоматизировать этот процесс. При наличии соответствующего набора данных измеренных спектров MMSE и эталонных значений машинное обучение часто позволяет найти характерные спектральные особенности и количественно оценить их связь с интересующими параметрами без физического моделирования или структурного регрессионного анализа. Решения на основе машинного обучения вряд ли полностью заменят решения на основе моделей – ​скорее обеспечат дополнительные возможности для ситуаций, где моделирование особенно сложно. Идеальным пространством для решений машинного обучения будут ситуации, при которых затраты на моделирование высоки из-за сложности структуры, ключевой параметр, представляющий интерес, имеет доминирующую или уникальную чувствительность в сигнале, а справочные данные доступны в изобилии.


GAA-процесс

Конструкция транзисторов с круговым затвором GAA состоит из нескольких вертикально расположенных нанолистовых каналов, проходящих через один затвор. Технологический процесс формирования GAA имеет некоторое сходство с процессами формирования FinFET. Сначала создается сверхрешетка – ​этажерка чередующихся эпитаксиально осажденных слоев кремния и SiGe. Канавки, протравленные в решетке, создают плавниковообразные структуры, причем каждый плавник содержит 3–4 слоя кремниевых нанолистов, которые станут каналами транзистора. Слои кремния чередуются со слоями SiGe, которые в конечном итоге будут заменены материалами затвора. Поперек нанолистов-плавников осаждаются фиктивные поликремниевые затворы, а поверх всего этого конформно осаждается материал спейсера. По обе стороны затвора вытравливаются исток и сток, прорезающие и обнажающие концы кремниевых каналов. На протяжении ряда критических этапов технологического процесса экспонированный SiGe между концами кремниевых каналов выборочно вытравливается для создания полостей для внутренних спейсеров, которые затем туда осаждаются (рис. 3). Эти топологические элементы весьма малы, и все же их размеры критичны по нескольким причинам. Глубина полости и внутреннего спейсера определяет длину затвора, внутренний спейсер защищает впоследствии осаждаемую область истока–стока во время высвобождения слоя, когда фиктивный затвор вытравливается и заменяется материалами затвора, а спейсер подавляет паразитную емкость между областью истока–стока и затвором.



Источник: Onto Innovation

Рисунок 3. Транзистор с круговым затвором: кремниевые каналы (серый) будут полностью окружены затворами после заменещения SiGe (бирюзовый) и фиктивных (красный) затворов.

Поперечное сечение (справа) проходит вдоль кремниевых каналов между истоком и стоком.

Размеры внутренних спейсеров (оранжевый) имеют решающее значение для определения производительности устройства


При масштабировании каждый последующий технологический уровень (с меньшими проектными нормами) FinFET требовал от OCD-систем примерно 30%-ного улучшения отношения сигнал–шум (рис. 4). Переход к архитектурам с круговым затвором с исключительно небольшими, сложными топологическими элементами, такими как внутренние спейсерные полости и внутренние спейсеры, требует дальнейшего улучшения отношения сигнал–шум. Тем не менее OCD обладает основными возможностями, необходимыми для GAA-процессов. Одна из фирм, занимающихся разработкой OCD-решений для GAA-устройств, – ​корпорация Onto Innovation, предлагающая системы Atlas. Система Atlas III при увеличении глубины корректирующего травления SiGe на 0,1 нм демонстрирует уровень шума, близкий к уровню сигнала, что ограничивает возможность измерения. Более современные системы, Atlas III+ и Atlas V, обеспечивают лучшее отношение сигнал–шум, что дает возможность измерять индивидуальные параметры корректирующего травления SiGe.



Источник: Onto Innovation

Рисунок 4. Транзисторы с круговыми затворами (слева) обеспечивают лучшую, чем у FinFET, производительность. Но они более сложны и требуют значительного улучшения отношения сигнал–шум измерительных OCD-систем. Спектры справа показывают устойчивое улучшение отношения сигнал–шум на протяжении трех поколений метрологических OCD-систем


Данные об общем (среднем) значении параметров при травлении SiGe-полости полезны, но намного важнее измерить параметры каждого спейсера по отдельности, потому что производительность транзистора будет определяться «худшим» нанолистом. Поэтому важность совершенствования средств метрологии непрерывно растет. В метрологической системе Atlas V используется недавно выпущенное программное OCD-решение на основе ИИ. Оно включает в себя как возможности классического моделирования, так и перспективные возможности машинного обучения, благодаря которым индивидуальные измерения внутреннего спейсера по таким параметрам, как точность и допуск, были существенно улучшены по сравнению со средними показателями измерения внутреннего спейсера, сделанными системой Atlas III+ (рис. 5).



Источник: Onto Innovation

Рисунок 5. Одна из самых больших проблем метрологии в технологическом процессе формирования кругового затвора – измерение травления полости внутреннего спейсера и самого внутреннего спейсера. Системы последнего поколения могут обеспечить индивидуальные измерения спейсера с точностью и допуском в несколько раз большими, чем средние измерения, доступные в системах предыдущего поколения


Для некоторых этапов процесса формирования транзисторов с круговыми затворами производители изучают и другие технологии измерений, большинство из которых основаны на использовании рентгеновского излучения. Так, например, для измерения тонких пленок в исходной сверхрешетке может использоваться рентгеновская рефлектометрия (X-ray reflectivity, XRR), хотя для эллипсометрии это достаточно простое измерение. В случае тонких монокристаллических пленок может оказаться полезным метод рентгеновской дифракции высокого разрешения (high resolution X-ray diffraction, HRXRD). Корпорация Onto Innovation занимается совершенствованием метода измерения критических размеров рассеянием рентгеновского излучения под малым углом (CD small-angle X-ray scattering CD-SAXS). Этот метод сходен с методом скаттерометрии, но в настоящее время слишком дорог и его быстродействие слишком мало. Еще одним перспективным методом считается рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) – ​метод анализа поверхности, позволяющий измерять состав, химическое состояние и электронное состояние элементов в тонких пленках.


Заключение

Транзисторы с круговым затвором – ​наиболее вероятная кандидатура на замену FinFET, так как позволяют получить больше вычислительной мощности в меньшем пространстве. Они предлагают увеличенную производительность, но требуют применения более сложных процессов для создания небольших трехмерных структур. Для управления соответствующими процессами требуется усовершенствованная метрология. Необходимыми фундаментальными возможностями обладает OCD-метрология – ​ее системы текущего поколения продемонстрировали способность измерять внутренние спейсеры, один из наиболее сложных топологических элементов. Отраслевые специалисты отмечают, что высокоскоростная неразрушающая OCD-метрология обладает базовыми параметрами, необходимыми для поддержки управления технологическим процессом формирования GAA-приборов.


Keller Nick, Liu Zhuan. Metrology Solutions for Gate-All-Around Transistors in High Volume Manufacturing. Semiconductor Digest, October 1, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/10/01/metrology-solutions-for-gate-all-around-transistors-in-high-volume-manufacturing/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.