プラズマ誘起ダメージとは

THEME 02 パターン形成 · エッチングの作り込みPlasma-Induced Damage

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プラズマ誘起ダメージとは、荷電粒子を使う工程でウェーハが帯電し、その電荷が素子を壊す現象です。 注入工程ではチャージアップと呼びます。加工そのものが正しく進み、形が設計どおりでも、電荷が逃げ場を失えば薄いゲート酸化膜が傷みます。壊れた場所が分かるのは工程の後の電気的な検査になってからで、そのときには同じ条件で流した分がすべて危うくなっています。だから対策の基本は、壊れた後で選り分けることではなく、電荷が溜まる前に中和することです。

帯電すると、素子の破壊やレジストの爆発が起きる

アンテナが集めた電荷の行き先

ゲートにつながる広い配線がプラズマから電荷を集めます。電荷は、面積の小さいゲートの下の薄い酸化膜を通って抜けます。

イオン注入中のウェーハは、イオンや電子による電荷や二次電子の放出で帯電します¹。そのとき素子が破壊されたり、放電によってレジストが微小な爆発を起こしたりすることがあります。このような帯電がチャージアップです。

エッチングでは、配線そのものが電荷の集め役になります。プラズマエッチングで配線やポリシリコンを形作るとき、ゲートにつながる広い導体がアンテナとなってプラズマから電荷を集め、薄いゲート酸化膜を通って流れます。削っている配線の形が設計どおりでも、損傷は離れた場所にあるゲート酸化膜に入ります。アンテナの影響は、プラズマに触れる導体の面積をゲートの面積で割ったアンテナ比で表し、設計の側にはこの比に上限を置くアンテナ規則があります。狭い開口の底が正に帯電する仕組みは電子シェーディングダメージ、同じ帯電が形に出たものはノッチングです。

さらす時間が長いほど、薄い酸化膜の絶縁耐力が落ちる

壊れるのは絶縁膜です。大電流に伴ってデバイス内に高電圧が発生するため²、ゲート酸化膜などの絶縁破壊も起きます。SiやSiO2は耐熱・耐電圧の面で優れた材料ですが、微細構造なので、大電流が流れると溶融や絶縁破壊を起こします。薄い膜ほど、同じ電荷で高い電界がかかります。世代が進むほど、この現象の余裕が狭まります。

Rochester Institute of Technologyの学生研究は、薄いゲート酸化膜へのプラズマ損傷を2つの経路で調べました。1つはSi基板上の薄い酸化膜を酸素プラズマに直接さらし、表面電荷の分析と絶縁破壊電圧の測定で評価する方法です。もう1つはアンテナ構造で酸素プラズマの帯電の影響を17.5nmのゲート酸化膜の絶縁破壊電圧で調べる方法です³。どちらの実験でも、プラズマにさらす時間と損傷の大きさに相関があり、絶縁耐力の低下と酸化膜電荷の変化として現れました。

損傷は形ではなく、電気特性で測る

リングオシレータで損傷を分けて測る

同じリングオシレータを、PIDから保護したものとアンテナを付けたものの2種類作り、発振周波数を比べてPIDだけを取り出します。65nmのテストチップでは、平均周波数が1.15%ずれました。

損傷は断面の形には出ないので、電気特性で測ります。測る相手は、アンテナの面積をわざと大きくしたテスト構造です。University of Minnesotaのグループは、リングオシレータを並べたアレイでPIDを評価する試験回路を提案しています。PIDから保護したリングオシレータと、アンテナ構造を作り込んでPIDを受けるリングオシレータの2種類を設計し、PIDをほかの効果から切り分けます⁴。

この回路が集めるのは、BTIの統計です。うなりの周波数を検出する方式で0.01%を超える周波数の測定精度を取り、測定時間を短くして、測っている間にBTIが回復するのを防ぎます。65nmのテストチップでは、PIDの結果として平均周波数が1.15%ずれました。同グループは、この回路でアンテナ比を変えたときのPIDによるBTI寿命を、デバイスの種類やアンテナの配置、製造工程によらず予測できるとしています。

ESDは短くて大きい電流、EOSは長くて小さい電流で壊す

ESDとEOSの壊し方

ESDは数〜数十Aのピーク電流が数ns程度だけ流れて狭い範囲を壊し、EOSはより低い電流が数桁長く流れて規模の大きい損傷を残します。

プラズマによる帯電とは別に、外から入る電気でも同じ絶縁膜が壊れます。ESDは帯電した導体の放電によるもので、数〜数十Aのピーク電流で数ns程度のパルス幅です²。大電流ですが瞬間的なので、エネルギーは小さくなります。EOSはESDより電流は低いものの、パルス幅が数桁長いので、エネルギーが大きくなります。ESDは狭い範囲のダメージとして観察され、EOSでは発熱部から周辺部まで緩やかに温度が上がり、規模の大きいダメージが生じます。

対策の基本は、電荷が溜まる前に中和すること

フラッドガンは、逆符号の電荷を供給して帯電を打ち消す装置です¹。注入装置ではエレクトロンフラッドガンやプラズマフラッドガンが使われることがあります。電荷が溜まる前に中和すれば、放電そのものを防げます。壊れた後で選り分けるより、起きる前に手を打ちます。

管理が進めば、壊れ方の内訳が変わります。ルネサスは、デバイスを扱う工程で静電気管理が普及したことで、ESD破壊は減り、EOS破壊が増える傾向にあるとしています²。対策が効果を上げた例です。

どの対策にも代価があります。フラッドガンで中和すれば帯電が抑えられ、素子の破壊が減ります。そのかわり装置の構成が増え、条件の管理項目も増えます。ビームや電力を弱めれば帯電も減るものの、通せる枚数が落ちます。保護素子を設計へ入れれば壊れにくくなりますが、面積と寄生容量が増えます。

よくある質問（FAQ）

プラズマ誘起ダメージとは何ですか？

荷電粒子を使う工程でウェーハが帯電し、その電荷が素子を壊す現象です。注入工程ではチャージアップと呼びます。

なぜ帯電するのですか？

イオンや電子による電荷や、二次電子の放出で帯電します。ゲートにつながる広い配線がアンテナとしてプラズマから電荷を集め、その電荷が薄いゲート酸化膜を通って流れます。

何が起きますか？

素子が破壊されたり、放電によってレジストが微小な爆発を起こしたりすることがあります。

対策は何ですか？

エレクトロンフラッドガンやプラズマフラッドガンを使うことがあります。逆符号の電荷を供給して帯電を打ち消し、電荷が溜まる前に中和します。

どこが壊れやすいのですか？

ゲート酸化膜です。大電流に伴って高電圧が生じると、ゲート酸化膜などの絶縁破壊も起きます。17.5nmの薄いゲート酸化膜を酸素プラズマにさらした実験では、さらす時間が長いほど絶縁耐力が下がりました。

ESD とは何が異なりますか？

ESDは数〜数十Aのピーク電流で数ns程度のパルス幅、EOSはより低い電流で数桁長いパルス幅です。

壊れ方の広がりは？

ESDは狭い範囲のダメージ、EOSは規模の大きいダメージになります。EOSでは発熱部から周辺部まで緩やかに温度が上がります。

比較・違いを学ぶ

ゲート酸化膜とは── 壊れる対象の膜
エッチング選択比とは── 同じ工程で問われる量
イオン注入とは── チャージアップが起きる工程
SEMチャージングとは── 観察の側で起きる帯電

出典

4件を表示

1
日新イオン機器：公開辞典「チャージアップ」nissin-ion.co.jp a b
2
ルネサスエレクトロニクス：半導体信頼性ハンドブックrenesas.com a b c
3
Rochester Institute of Technology：薄いゲート酸化膜のプラズマプロセス損傷（Microelectronic Engineering Conference 論文）repository.rit.edu ↩
4
University of Minnesota：リングオシレータアレイによるプラズマ誘起ダメージ評価回路（論文要旨）experts.umn.edu ↩