使用半大馬士革工藝流程研究后段器件集成的工藝

作者：半導(dǎo)體工藝與整合 (SPI) 資深工程師 Assawer Soussou 博士

• 介紹

隨著技術(shù)推進(jìn)到1.5nm及更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，后段器件集成將會(huì)遇到新的難題，比如需要降低金屬間距和支持新的工藝流程。為了強(qiáng)化電阻電容性能、減小邊緣定位誤差，并實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的制造工藝，需要進(jìn)行工藝調(diào)整。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們嘗試在1.5nm節(jié)點(diǎn)后段自對(duì)準(zhǔn)圖形化中使用半大馬士革方法。我們?cè)趇mec生產(chǎn)了一組新的后段器件集成掩膜版，以對(duì)單大馬士革和雙大馬士革進(jìn)行電性評(píng)估。新掩膜版的金屬間距分別為14nm、16nm、18nm、20nm和22nm，前兩類(lèi)是1.5nm節(jié)點(diǎn)后段的最小目標(biāo)金屬間距，后三類(lèi)用于工藝窗口評(píng)估。

SEMulator3D?虛擬制造平臺(tái)可以展示下一代半大馬士革工藝流程，并使用新掩膜版研究后段器件集成的工藝假設(shè)和挑戰(zhàn)。此外，我們還使用新掩膜版模擬和測(cè)試了用于提升電阻電容性能和改進(jìn)制造的額外工藝。

• 在自對(duì)準(zhǔn)圖形化中使用半大馬士革方法

使用間隙填充和間隔層去除方案，我們提出在自對(duì)準(zhǔn)圖形化中使用半大馬士革方法。

間隔層去除方案需要選擇性刻蝕工藝。區(qū)域選擇性沉積 (ASD) 是填充LE2間隙的最佳沉積選擇。圖1 (a) 展示間隙填充工藝的剖面圖，以及間隔層和LE1核心的位置。通過(guò)使用SEMulator3D軟件，我們可以更好地研究間隙填充方案和間隔層去除方案會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。

圖1：1.5nm節(jié)點(diǎn)圖形化工藝的間隙填充和間隔層去除方案

• 半大馬士革工藝流程

我們還使用SEMulator3D虛擬制造對(duì)半大馬士革工藝流程進(jìn)行了模擬。圖2展示模擬出的工藝流程。使用SALELE（自對(duì)準(zhǔn)光刻-刻蝕-光刻-刻蝕）方法對(duì)金屬2進(jìn)行了圖形化，并使用極紫外光刻將其連接到金屬3。之后，使用模擬的工藝流程對(duì)金屬2圖形化和金屬2與金屬3的連接進(jìn)行敏感性分析。

圖2：使用新掩膜版進(jìn)行后段器件集成的半大馬士革工藝流程

• 工藝助推器

圖3展示新掩膜版的工藝助推器。我們也使用SEMulator3D來(lái)模擬和分析這些掩膜版助推器的可行性和性能。

圖3：掩膜版的1.5nm節(jié)點(diǎn)工藝助推器

• 混合高度

通過(guò)定制金屬線(xiàn)的高度，可以完全優(yōu)化電阻電容性能（如圖4），而金屬線(xiàn)高度的靈活性可以通過(guò)刻蝕金屬線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。高金屬線(xiàn)電阻低、電容高，因此可能適用于電源線(xiàn)和長(zhǎng)信號(hào)線(xiàn)；短金屬線(xiàn)電阻高、電容低，因此最有可能適用于信號(hào)線(xiàn)。我們使用SEMulator3D對(duì)這一概念進(jìn)行了初步分析。

圖4：為優(yōu)化電阻電容產(chǎn)品性能進(jìn)行的混合高度定制

• 類(lèi)似自對(duì)準(zhǔn)的通孔對(duì)準(zhǔn)(SAB)

自對(duì)準(zhǔn)圖形化技術(shù)最早被用于14nm節(jié)點(diǎn)的互連技術(shù)。為了生成有效器件，需要切斷由這一技術(shù)產(chǎn)生的平行金屬線(xiàn)。這種切斷掩膜的邊緣定位誤差很有挑戰(zhàn)性，因此在10nm和7nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)了自對(duì)準(zhǔn)區(qū)塊技術(shù)，將套刻允許誤差擴(kuò)大到?間距。邊緣定位誤差在1.5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)會(huì)更具挑戰(zhàn)性，我們預(yù)計(jì)這一自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)需要擴(kuò)展至通孔層。此時(shí)，我們?cè)俅问褂肧EMulator3D研究1.5nm節(jié)點(diǎn)通孔自對(duì)準(zhǔn)的不同選擇（如圖5）。

圖5：使用半大馬士革自對(duì)準(zhǔn)通孔以改善通孔套刻精度

• 空氣間隙

為進(jìn)行大馬士革工藝引入了空氣間隙，但還需要額外的刻蝕步驟來(lái)去除薄層間介質(zhì)。在直接金屬刻蝕中，工藝結(jié)束時(shí)會(huì)沉積薄層間介質(zhì)。沉積工藝可以在間距緊密處夾止二氧化硅，從而形成空氣間隙。在模擬中，我們探索了空氣間隙形成的基本模型，并計(jì)劃了額外的模擬項(xiàng)目。在初始工藝流程中，我們模擬了簡(jiǎn)單的空氣間隙填充、氧化物間隙填充和化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP)。我們使用SEMulator3D模擬了這一工藝流程（如圖6）。

圖6：空氣間隙工藝形成模擬

• 高深寬比金屬線(xiàn)

在傳統(tǒng)的大馬士革工藝中，深寬比通常限于2左右。超過(guò)這個(gè)深寬比，就很難在不形成空隙的情況下沉積金屬線(xiàn)了。直接金屬刻蝕中，金屬高度受限于刻蝕工藝，深寬比可以達(dá)到甚至超過(guò)5。因?yàn)殡娮桦S著尺寸的減小而增加，這對(duì)于先進(jìn)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是很重要的工藝助推器。增加金屬高度是持續(xù)電阻微縮的重要方法。直接金屬刻蝕工藝的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是減少刻蝕過(guò)程中的硬掩膜消耗。我們使用SEMulator3D對(duì)這一挑戰(zhàn)進(jìn)行了建模。

• 混合金屬化

為了減少總電阻，可以為金屬線(xiàn)和通孔使用不同的金屬。imec正在研究中對(duì)這一方面進(jìn)行探索。

• 結(jié)論

我們使用SEMulator3D定義和模擬1.5nm及更先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的后段工藝流程?；谶@些模擬結(jié)果，我們建立了新掩膜版的設(shè)計(jì)規(guī)則。使用模擬推薦的工藝流程，我們成功試產(chǎn)了掩膜版。SEMulator3D模擬出性能助推器的原始概念后，我們也在硅片上對(duì)完全自對(duì)準(zhǔn)通孔、高深寬比金屬線(xiàn)和空氣間隙等工藝助推器進(jìn)行了演示。這些模擬結(jié)果有助于imec先進(jìn)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域的研究，并作用于硅芯片這個(gè)終端產(chǎn)品上。