科研前線 | 刻蝕深淺知否？IBM工藝研發(fā)新成果

作為應(yīng)用于下一代集成電路制造工藝的GAAFET器件結(jié)構(gòu)，其多層堆疊的結(jié)構(gòu)增大了刻蝕工藝的復(fù)雜性，相關(guān)參數(shù)的波動(dòng)難以測(cè)量表征。IBM工藝研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)先進(jìn)算法與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合傳統(tǒng)儀器測(cè)量發(fā)放，實(shí)現(xiàn)不通過(guò)對(duì)整個(gè)光學(xué)模型解析的計(jì)算求解路徑，相關(guān)研究成果先行刊載于IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing。

各大晶圓制造廠商已陸續(xù)提出基于nanosheet溝道的GAA晶體管器件結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱GAAFET），GAAFET的柵極360°包裹nanosheet溝道四周，相比FinFET更能在器件尺寸縮小的同時(shí)改善靜電控制。這樣一個(gè)復(fù)雜的新結(jié)構(gòu)引入顯著增加了工藝步驟，也對(duì)新一代制造設(shè)備的改進(jìn)提出了更多的要求。

制造nanosheet GAAFET的一個(gè)關(guān)鍵工藝模塊是內(nèi)部間隔層的形成，它將溝道與與源/漏區(qū)域區(qū)分開來(lái)，并定義了柵長(zhǎng)度。在完成內(nèi)部間隔層的沉積的前一步關(guān)鍵步驟是橫向蝕刻SiGe溝道的犧牲層。這種橫向蝕刻步驟也稱為cavity etch或壓痕(indentation），蝕刻后的完整器件堆棧示意圖如下圖所示。

如果內(nèi)部間隔層刻蝕過(guò)深，柵長(zhǎng)和器件性能會(huì)受到影響；如果刻蝕太淺，在SiGe去除工藝環(huán)節(jié)，太薄的內(nèi)部間隔層可能不足以形成隔離屏障以保護(hù)源/漏極區(qū)域。除了典型的工藝參數(shù)和統(tǒng)計(jì)變化外，內(nèi)間隔層蝕刻過(guò)程還取決于SiGe溝道的組分和厚度。然而傳統(tǒng)的基于模型的計(jì)量技術(shù)很難準(zhǔn)確地量化橫向刻蝕量，因?yàn)榕c縮進(jìn)過(guò)程掛鉤的體積變化幅度非常小，難以測(cè)量——具體來(lái)說(shuō)一個(gè)單元內(nèi)的體積變化僅為1%左右。

針對(duì)這一工藝難題，IBM研發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了不同的表征方法測(cè)量相關(guān)參數(shù)，其成果以Development of SiGe Indentation Process Control for Gate-All-Around FET Technology Enablement為題發(fā)表于IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing，Daniel Schmidt為第一作者及通訊作者。

IBM研究團(tuán)隊(duì)采用多種非破壞性、并行兼容的計(jì)量方法以表征SiGe nanosheet溝道側(cè)向納米壓痕，具體研究?jī)?nèi)容包括：

· 制備三種由不同組分的SiGe犧牲層構(gòu)成的GAAFET器件；

· 采用不同的刻蝕工藝環(huán)境以引起壓痕深度的變化；

· 通過(guò)干涉光譜法和X射線熒光分析法相結(jié)合的散射測(cè)量，輔以機(jī)器學(xué)習(xí)算法以量化SiGe納米壓痕測(cè)量；

· 給出了平均縮進(jìn)和sheet溝道縮進(jìn)兩種方法的解；

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過(guò)將熒光分析法測(cè)量差值數(shù)據(jù)與散射光譜相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了快速求解路徑，從而避免了對(duì)全光學(xué)模型求解的需要；最終結(jié)果顯示，光譜干涉散射法和傳統(tǒng)光學(xué)模型結(jié)合先進(jìn)的算法，可以實(shí)現(xiàn)與sheet溝道相關(guān)數(shù)據(jù)的良好匹配。

散射法和TEM測(cè)定SiGe壓痕的比較

通過(guò)歸一化的△Ge Lα作為函數(shù)表征

散射法和TEM的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

△Ge Lα:表示刻蝕前后的Ge組分X射線測(cè)量結(jié)果

基于TEM圖像分析、通過(guò)散射法測(cè)量獲得的

壓痕分布函數(shù)

三個(gè)坐標(biāo)圖分別表示溝道底部、中部和頂部的測(cè)量結(jié)果

IBM所開發(fā)的側(cè)向壓痕檢測(cè)方法與高通量散射測(cè)量相結(jié)合，整合了兩種方法的優(yōu)勢(shì)，為工藝開發(fā)階段和規(guī)模量產(chǎn)階段的工藝流程監(jiān)測(cè)提供了更理想的解決方案：在工藝開發(fā)階段，晶圓工藝層堆棧的設(shè)計(jì)可能隨時(shí)變動(dòng)，這是首選具有高級(jí)解釋算法的傳統(tǒng)模型；當(dāng)工藝原型確定、進(jìn)入規(guī)模量產(chǎn)階段，通過(guò)足夠多的橫軸參考數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型更具效益。

論文原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9759487