优化新互连技术以支持下一代半导体器件

互连是一种将半导体器件的组件连接在一起并允许这些组件协同工作的布线系统。任何半导体互连方案的关键指标之一是金属间距大小。金属间距是半导体中两个水平互连中心之间的最小距离。它是衡量芯片制造技术进步的关键指标。需要更小的金属间距和持续的 RC 缩放才能在未来 2nm 或以下的技术节点上实现互连性能。已经提出了替代集成方案（例如半镶嵌集成），以降低成本并支持互连层中这些较小的金属间距尺寸。

工艺建模可与实际晶圆测试数据结合使用，以控制和优化亚 2nm 半导体节点所需的金属间距结构。我们使用工艺建模来更好地了解使用完全自对准通孔 (FSAV) 的 18nm 金属间距 (MP18) 半镶嵌工艺步骤顺序。我们探索了工艺变化和图案化敏感性对线路和通孔电阻以及线路电容变化的影响。我们还使用部分气隙和间隙填充选项对电容变化进行了基准测试。通过这项研究，我们确定了需要控制的重要工艺参数和相应的工艺窗口，以确保 18nm 金属间距的半镶嵌工艺流程能够成功制造。

模拟方法

本研究采用SEMulator3D工艺建模平台对MP18半镶嵌流程进行虚拟制造。图1显示了通孔工艺模块的关键工艺步骤以及用于校准工艺模型的实际晶圆测试数据的图像。

图 1：通孔工艺模块和在工艺模型校准过程中使用的 TEM 的关键工艺步骤。

MP18 设计布局和 3D 半镶嵌工艺步骤集成被输入到虚拟 DOE（实验设计）中，该设计总共包括 600 次模拟运行。使用均匀蒙特卡罗分布改变可能影响线路、硬掩模 (HM) 和通孔的轮廓和尺寸的多个工艺参数（图 2）。在模拟中进行了工艺敏感性分析，以研究工艺变化对最终 CD 的影响，以及对线路电容和通孔和线路电阻的影响。

图 2：模拟研究中使用的工艺参数和变化范围。

对于每个模拟事件，都会提取两个输出：
1. 线和通孔电阻；
2. 线到线芯和间隙（使用 SADP 形成）电容，适用于部分气隙和间隙填充选项。

使用 SEMulator3D® Analytics 模块自动识别了可能影响每个输出（上面的 1 和 2）的最重要工艺参数。生成了工艺敏感度图，以评估两个关键输出对先前确定的重要参数的敏感度。这些敏感度图与我们的 2 个输出的预定义成功标准（规格值）相结合，使我们能够比较分析我们确定的每个工艺参数对线路电容和通孔和线路电阻的影响。

工艺优化模拟结果

图 3 显示了一张表格，其中列出了电阻和电容输出的重要参数。表中的“X”表示输出电容和电阻值（左列）的规格范围对所选工艺参数的模拟范围（表格顶行）很敏感。从模拟中，我们可以看到 Ru 蚀刻角度变化会导致线路 CD 以及线路间芯线和间隙 CD 变化。因此，它被确定为线路电阻和电容的重要参数。间隔物厚度变化会影响线路和通孔电阻以及间隙电容。芯线和间隙 CD 与芯线光刻偏差 [6] 直接相关，后者被确定为所有电容的重要参数。

图3：已确定的电阻和电容的重要参数。

在确定影响特定电阻或电容输出的重要参数后，我们生成了灵敏度分析图，以显示参数对所选输出的影响。图 4 显示了线路和通孔电阻灵敏度与间隔层厚度的关系图。

图 4：线路和通孔电阻与间隔物厚度的关系的工艺灵敏度图。

在本研究中，中值电阻和电容 +/-20% 分别被视为线路和通孔电阻和电容的成功标准。灵敏度分析结果加上电阻和电容的目标成功标准使我们能够了解所有已识别的重要参数之间的相互作用（图 3）。为了制定流程优化和控制建议，我们探索了符合已定义成功标准的通过/失败措施。

图 5 描绘了一张图表，显示了研究中两个参数（间隔物厚度和 Ru 角度）之间的相互作用以及它们如何影响线路电阻。图表上确定了一个通过工艺窗口，以使线路电阻保持在 +/-20% 的中值电阻范围内。图 5b 中的方程可用于前馈工艺控制，以根据间隔物厚度测量提供 Ru 角度目标的建议。使用这种类型的前馈工艺控制和 Ru 角度方程执行了 400 次蒙特卡洛 DOE。证明了 100% 的产量（图 5.c），验证了所提出的工艺优化方法。

图 5：垫片厚度和 Ru 角相互作用分析（a）可实现工艺建议（b）用于线路电阻控制和（c）工艺优化方法验证。

从通孔电阻来看，HM 过度蚀刻与 CMP 后剩余氧化物之间发生了有趣的相互作用（图 6）。观察到存在系统性故障的工艺“死区”。

图 6：HM 过蚀刻和 CMP 相互作用分析后的剩余氧化物，用于通孔电阻敏感性分析和优化。

图 7 展示了 HM 过蚀刻和 CMP 后残留氧化物对通孔电阻的影响。观察到通孔电阻分为两组：第一组对应于具有各种通孔尺寸和通孔底部 CD 的连接通孔，第二组由开放通孔组成。

图 7：HM 过度蚀刻和 CMP 后残留氧化物对通孔电阻的影响。

对于电容，如图 8 所示，间隔层厚度和核心光刻偏差之间的相互作用对间隙填充和部分气隙电容表现出类似的行为。确定了具有系统性故障的工艺死区。电容工艺控制需要避免这些故障情况。由于气隙形状变化对气隙电容的额外影响，与部分气隙选项相比，间隙填充的通过运行窗口相对较紧。

图 8：间隔物厚度和核心光刻偏差相互作用分析，用于电容敏感性分析和优化。

结论

在这项工作中，我们展示了使用虚拟工艺建模结合实际 Si 数据对包含 9nm CD Ru 线和 FSAV 的 MP18 半镶嵌流程进行工艺优化。对关键工艺参数进行了工艺敏感性分析，以探索线路和通孔 CD 变化的影响及其对线路和通孔电阻以及线路电容的影响。模拟确定了需要控制的重要工艺参数和相应的工艺窗口，以确保工艺优化和可制造性。我们的结果突出了需要控制的重要工艺参数和相应的工艺窗口，以实现 18nm 金属间距半镶嵌流程并在 2nm 及以下实现互连性能。

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