科研前線(xiàn) | 刻蝕深淺知否？IBM工藝研發(fā)新成果

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作為應用于下一代集成電路制造工藝的GAAFET器件結構，其多層堆疊的結構增大了刻蝕工藝的復雜性，相關(guān)參數的波動(dòng)難以測量表征。IBM工藝研發(fā)團隊通過(guò)先進(jìn)算法與機器學(xué)習結合傳統儀器測量發(fā)放，實(shí)現不通過(guò)對整個(gè)光學(xué)模型解析的計算求解路徑，相關(guān)研究成果先行刊載于IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing。

各大晶圓制造廠(chǎng)商已陸續提出基于nanosheet溝道的GAA晶體管器件結構（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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)復雜的新結構引入顯著(zhù)增加了工藝步驟，也對新一代制造設備的改進(jìn)提出了更多的要求。

制造nanosheet GAAFET的一個(gè)關(guān)鍵工藝模塊是內部間隔層的形成，它將溝道與與源/漏區域區分開(kāi)來(lái)，并定義了柵長(cháng)度。在完成內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(chēng)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。

如果內部間隔層刻蝕過(guò)深，柵長(cháng)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，太薄的內部間隔層可能不足以形成隔離屏障以保護源/漏極區域。除了典型的工藝參數和統計變化外，內間隔層蝕刻過(guò)程還取決于SiGe溝道的組分和厚度。然而傳統的基于模型的計量技術(shù)很難準確地量化橫向刻蝕量，因為與縮進(jìn)過(guò)程掛鉤的體積變化幅度非常小，難以測量——具體來(lái)說(shuō)一個(gè)單元內的體積變化僅為1%左右。

針對這一工藝難題，IBM研發(fā)團隊設計了不同的表征方法測量相關(guān)參數，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研究團隊采用多種非破壞性、并行兼容的計量方法以表征SiGe nanosheet溝道側向納米壓痕，具體研究?jì)热莅ǎ?/span>

· 制備三種由不同組分的SiGe犧牲層構成的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(xiàn)熒光分析法相結合的散射測量，輔以機器學(xué)習算法以量化SiGe納米壓痕測量；

· 給出了平均縮進(jìn)和sheet溝道縮進(jìn)兩種方法的解；

通過(guò)機器學(xué)習算法通過(guò)將熒光分析法測量差值數據與散射光譜相結合，實(shí)現了快速求解路徑，從而避免了對全光學(xué)模型求解的需要；最終結果顯示，光譜干涉散射法和傳統光學(xué)模型結合先進(jìn)的算法，可以實(shí)現與sheet溝道相關(guān)數據的良好匹配。

散射法和TEM測定SiGe壓痕的比較

通過(guò)歸一化的△Ge Lα作為函數表征 散射法和TEM的基準數據 △Ge Lα:表示刻蝕前后的Ge組分X射線(xiàn)測量結果

基于TEM圖像分析、通過(guò)散射法測量獲得的 壓痕分布函數 三個(gè)坐標圖分別表示溝道底部、中部和頂部的測量結果

IBM所開(kāi)發(fā)的側向壓痕檢測方法與高通量散射測量相結合，整合了兩種方法的優(yōu)勢，為工藝開(kāi)發(fā)階段和規模量產(chǎn)階段的工藝流程監測提供了更理想的解決方案：在工藝開(kāi)發(fā)階段，晶圓工藝層堆棧的設計可能隨時(shí)變動(dòng)，這是首選具有高級解釋算法的傳統模型；當工藝原型確定、進(jìn)入規模量產(chǎn)階段，通過(guò)足夠多的橫軸參考數據來(lái)訓練機器學(xué)習模型更具效益。