使用半大馬士革工藝流程研究后段器件集成的工藝

●   介紹

隨著(zhù)技術(shù)推進(jìn)到1.5nm及更先進(jìn)節點(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。為了強化電阻電容性能、減小邊緣定位誤差，并實(shí)現具有挑戰性的制造工藝，需要進(jìn)行工藝調整。為應對這些挑戰，我們嘗試在1.5nm節點(diǎn)后段自對準圖形化中使用半大馬士革方法。我們在imec生產(chǎn)了一組新的后段器件集成掩膜版，以對單大馬士革和雙大馬士革進(jìn)行電性評估。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節點(diǎn)后段的最小目標金屬間距，后三類(lèi)用于工藝窗口評估。

SEMulator3D^?虛擬制造平臺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和挑戰。此外，我們還使用新掩膜版模擬和測試了用于提升電阻電容性能和改進(jìn)制造的額外工藝。

在自對準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，我們提出在自對準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。

圖1 1.5nm節點(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（自對準光刻-刻蝕-光刻-刻蝕）方法對金屬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。高金屬線(xiàn)電阻低、電容高，因此可能適用于電源線(xiàn)和長(cháng)信號線(xiàn)；短金屬線(xiàn)電阻高、電容低，因此最有可能適用于信號線(xiàn)。我們使用SEMulator3D對這一概念進(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)似自對準的通孔對準(SAB)

自對準圖形化技術(shù)最早被用于14nm節點(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性，因此在10nm和7nm節點(diǎn)開(kāi)發(fā)了自對準區塊技術(shù)，將套刻允許誤差擴大到?間距。邊緣定位誤差在1.5nm技術(shù)節點(diǎn)會(huì )更具挑戰性，我們預計這一自對準技術(shù)需要擴展至通孔層。此時(shí)，我們再次使用SEMulator3D研究1.5nm節點(diǎn)通孔自對準的不同選擇（如圖5）。

圖5 使用半大馬士革自對準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，并計劃了額外的模擬項目。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，深寬比可以達到甚至超過(guò)5。因為電阻隨著(zhù)尺寸的減小而增加，這對于先進(jìn)節點(diǎn)來(lái)說(shuō)是很重要的工藝助推器。增加金屬高度是持續電阻微縮的重要方法。直接金屬刻蝕工藝的關(guān)鍵挑戰是減少刻蝕過(guò)程中的硬掩膜消耗。我們使用SEMulator3D對這一挑戰進(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正在研究中對這一方面進(jìn)行探索。

●   結論

我們使用SEMulator3D定義和模擬1.5nm及更先進(jìn)節點(diǎn)的后段工藝流程?；谶@些模擬結果，我們建立了新掩膜版的設計規則。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，我們也在硅片上對完全自對準通孔、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。這些模擬結果有助于imec先進(jìn)節點(diǎn)領(lǐng)域的研究，并作用于硅芯片這個(gè)終端產(chǎn)品上。

鳴謝

感謝Martin O'Toole和imec向泛林集團分享這項研究。該研究得到了IT2 ECSEL Joint Undertaking的支持。