使用半大马士革工艺流程研究后段器件集成的工艺

来源：泛林集团

作者：半导体工艺与整合 (SPI) 资深工程师 Assawer Soussou 博士

SEMulator3D®虚拟制造平台可以展示下一代半大马士革工艺流程，并使用新掩膜版研究后段器件集成的工艺假设和挑战

l介绍

随着威廉希尔官方网站 推进到1.5nm及更先进节点，后段器件集成将会遇到新的难题，比如需要降低金属间距和支持新的工艺流程。为了强化电阻电容性能、减小边缘定位误差，并实现具有挑战性的制造工艺，需要进行工艺调整。为应对这些挑战，我们尝试在1.5nm节点后段自对准图形化中使用半大马士革方法。我们在imec生产了一组新的后段器件集成掩膜版，以对单大马士革和双大马士革进行电性评估。新掩膜版的金属间距分别为14nm、16nm、18nm、20nm和22nm，前两类是1.5nm节点后段的最小目标金属间距，后三类用于工艺窗口评估。

SEMulator3D®虚拟制造平台可以展示下一代半大马士革工艺流程，并使用新掩膜版研究后段器件集成的工艺假设和挑战。此外，我们还使用新掩膜版interwetten与威廉的赔率体系 和测试了用于提升电阻电容性能和改进制造的额外工艺。

l在自对准图形化中使用半大马士革方法

使用间隙填充和间隔层去除方案，我们提出在自对准图形化中使用半大马士革方法。

间隔层去除方案需要选择性刻蚀工艺。区域选择性沉积 (ASD) 是填充LE2间隙的最佳沉积选择。图1 (a) 展示间隙填充工艺的剖面图，以及间隔层和LE1核心的位置。通过使用SEMulator3D软件，我们可以更好地研究间隙填充方案和间隔层去除方案会面临的挑战。

图1：1.5nm节点图形化工艺的间隙填充和间隔层去除方案

l半大马士革工艺流程

我们还使用SEMulator3D虚拟制造对半大马士革工艺流程进行了模拟。图2展示模拟出的工艺流程。使用SALELE（自对准光刻-刻蚀-光刻-刻蚀）方法对金属2进行了图形化，并使用极紫外光刻将其连接到金属3。之后，使用模拟的工艺流程对金属2图形化和金属2与金属3的连接进行敏感性分析。

图2：使用新掩膜版进行后段器件集成的半大马士革工艺流程

l工艺助推器

图3展示新掩膜版的工艺助推器。我们也使用SEMulator3D来模拟和分析这些掩膜版助推器的可行性和性能。

图3：掩膜版的1.5nm节点工艺助推器

l混合高度

通过定制金属线的高度，可以完全优化电阻电容性能（如图4），而金属线高度的灵活性可以通过刻蚀金属线实现。高金属线电阻低、电容高，因此可能适用于电源线和长信号线；短金属线电阻高、电容低，因此最有可能适用于信号线。我们使用SEMulator3D对这一概念进行了初步分析。

图4：为优化电阻电容产品性能进行的混合高度定制

l类似自对准的通孔对准(SAB)

自对准图形化威廉希尔官方网站 最早被用于14nm节点的互连威廉希尔官方网站 。为了生成有效器件，需要切断由这一威廉希尔官方网站 产生的平行金属线。这种切断掩膜的边缘定位误差很有挑战性，因此在10nm和7nm节点开发了自对准区块威廉希尔官方网站 ，将套刻允许误差扩大到¾间距。边缘定位误差在1.5nm威廉希尔官方网站 节点会更具挑战性，我们预计这一自对准威廉希尔官方网站 需要扩展至通孔层。此时，我们再次使用SEMulator3D研究1.5nm节点通孔自对准的不同选择（如图5）。

图5：使用半大马士革自对准通孔以改善通孔套刻精度

l空气间隙

为进行大马士革工艺引入了空气间隙，但还需要额外的刻蚀步骤来去除薄层间介质。在直接金属刻蚀中，工艺结束时会沉积薄层间介质。沉积工艺可以在间距紧密处夹止二氧化硅，从而形成空气间隙。在模拟中，我们探索了空气间隙形成的基本模型，并计划了额外的模拟项目。在初始工艺流程中，我们模拟了简单的空气间隙填充、氧化物间隙填充和化学机械抛光 (CMP)。我们使用SEMulator3D模拟了这一工艺流程（如图6）。

图6：空气间隙工艺形成模拟

l高深宽比金属线

在传统的大马士革工艺中，深宽比通常限于2左右。超过这个深宽比，就很难在不形成空隙的情况下沉积金属线了。直接金属刻蚀中，金属高度受限于刻蚀工艺，深宽比可以达到甚至超过5。因为电阻随着尺寸的减小而增加，这对于先进节点来说是很重要的工艺助推器。增加金属高度是持续电阻微缩的重要方法。直接金属刻蚀工艺的关键挑战是减少刻蚀过程中的硬掩膜消耗。我们使用SEMulator3D对这一挑战进行了建模。

l混合金属化

为了减少总电阻，可以为金属线和通孔使用不同的金属。imec正在研究中对这一方面进行探索。

l结论

我们使用SEMulator3D定义和模拟1.5nm及更先进节点的后段工艺流程。基于这些模拟结果，我们建立了新掩膜版的设计规则。使用模拟推荐的工艺流程，我们成功试产了掩膜版。SEMulator3D模拟出性能助推器的原始概念后，我们也在硅片上对完全自对准通孔、高深宽比金属线和空气间隙等工艺助推器进行了演示。这些模拟结果有助于imec先进节点领域的研究，并作用于硅芯片这个终端产品上。

审核编辑：汤梓红