關(guān)于一種完全自對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)孔的半鑲嵌工藝
作者：網(wǎng)站管理員
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日期：2023/1/21 11:45:39
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在邏輯半導(dǎo)體多層布線工程（BEOL）中，取代以往的雙鑲嵌（Dual damascene），半鑲嵌（Semi-damascene）可以將互連工藝流程發(fā)展至20nm以下的金屬間距，且效費(fèi)比高。在半導(dǎo)體器件的制造過(guò)程中，在絕緣膜上形成布線溝槽和導(dǎo)孔（連接上下布線的布線溝槽）后，沉積布線金屬材料，同時(shí)填充二者，通過(guò)研磨使溝槽內(nèi)僅留下布線金屬?gòu)亩纬啥鄬硬季€的方法。它區(qū)別于單鑲嵌（Single damascene）那種線路和導(dǎo)孔分別形成的方式。 例如銅這樣難以刻蝕的金屬也可以用作布線材料。由于布線金屬被研磨，因此無(wú)需層間的平坦化工序即可獲得平坦的布線結(jié)構(gòu)，具有微細(xì)布線的多層化更加容易、減少制造工序數(shù)、降低制造成本的優(yōu)點(diǎn)。 特別是在0.18μm規(guī)則之后的邏輯器件中，為了改善布線延遲采用的銅的雙鑲嵌布線方式大致可分為兩種：先形成布線凹槽后再形成導(dǎo)孔（trench first）、先形成導(dǎo)孔后再形成布線凹槽（via first）。
imec（微電子研究中心）在2022年超大規(guī)模集成工藝與電路大會(huì)IEEE VLSI Symposium on Technology and Circuits (VLSI 2022)上發(fā)表了如下標(biāo)題的全球首次實(shí)驗(yàn)性的18nm金屬間距的2層金屬層級(jí)的半鑲嵌（Semi-damascene）演示。
《First demonstration of two metal level semi-damascene interconnects with fully self-aligned vias at 18MP'》
即Interuniversity Microelectronics Centre成立于1984年，目前是歐洲領(lǐng)先的獨(dú)立研究中心，研究方向主要集中在微電子，納米技術(shù)，輔助設(shè)計(jì)方法，以及信息通訊系統(tǒng)技術(shù)（ICT）. IMEC 致力于集成信息通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)；硅加工工藝；硅制程技術(shù)和元件整合；納米技術(shù)，微系統(tǒng)，元件及封裝；太陽(yáng)能電池；以及微電子領(lǐng)域的高級(jí)培訓(xùn)。IMEC總部設(shè)在比利時(shí)魯汶（Leuven, Belgium）,雇員超過(guò)一千七百名，包括超過(guò)三百五十名常駐研究員及客座研究員。IMEC有一條0.13微米8寸試生產(chǎn)線并已通過(guò)ISO9001認(rèn)證。IMEC年收入超過(guò)一億兩千萬(wàn)歐元，均來(lái)自于其他合作者的授權(quán)協(xié)議及合約，包括比利時(shí)佛蘭芒(Flemish)當(dāng)?shù)卣肮尽W共體、MEDEA+、歐洲航天局、設(shè)備原材料廠商、以及世界各地的半導(dǎo)體和系統(tǒng)廠商。
該論文的作者imec BEOL研發(fā)團(tuán)隊(duì)的骨干研究員Gayle Murdoch和imec的納米互連項(xiàng)目總監(jiān)Zsolt Tokei對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的解說(shuō)，強(qiáng)調(diào)了在狹小間距下導(dǎo)孔自對(duì)準(zhǔn)（self-alignment）的重要性，并以一種易于理解的方式解釋了模塊的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)（導(dǎo)孔和線路的電阻值、可靠性等）。
在這20多年中，Cu雙鑲嵌一直是制作高可靠性互連的主力工藝流程。但是，隨著尺寸的縮放（比例縮小），金屬間距縮至20nm以下，BEOL(Back End Of Line:布線工程)中的RC延遲日益嚴(yán)重。這迫使從事互連（interconnect）研究的人開(kāi)始尋找金屬間距小且具備優(yōu)異性能指數(shù)的互連方案及金屬材料替代品。
大約5年前imec率先提出，在1nm（及今后更小的）技術(shù)節(jié)點(diǎn)中最重要的局部(Mx:x對(duì)應(yīng)的是從下往上所占第幾層的層數(shù))相互連接層的形成工藝方面，“半鑲嵌”可作為Cu雙鑲嵌的可行的替代方案。
圖1:imec的半鑲嵌工藝流程。(a)Ru刻蝕(底部局部互連線(Mx)的形成)、(b)填充縫隙、(c)孔的刻蝕、(d)向孔內(nèi)埋入金屬和頂線(Mx+1) （出處:imec，以下皆是。)
與雙鑲嵌不同的是，半鑲嵌式堆積依靠互連金屬的直接圖案化(被稱為縮減金屬化)，不需要對(duì)金屬進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）來(lái)完成布線工程。后續(xù)連接互連層的孔會(huì)以單鑲嵌方式進(jìn)行圖案化，接著會(huì)被填充過(guò)量的金屬。也就是說(shuō)層間絕緣膜電介質(zhì)上會(huì)不斷沉積金屬直至形成金屬層。然后，對(duì)這個(gè)金屬層進(jìn)行覆膜，刻蝕，形成擁有正交線的第2互連層。金屬圖案化之后，線間的空隙或用電介質(zhì)填充、或在局部形成氣隙。
值得注意的是，半鑲嵌工藝同樣可以像以往的雙鑲嵌那樣一次形成2個(gè)層（孔和頂部金屬）。據(jù)此，通過(guò)和雙鑲嵌對(duì)照來(lái)看，半鑲嵌可以有效地提高成本競(jìng)爭(zhēng)力（參考圖2）。
圖2:18nm金屬間距的Cu雙鑲嵌(左)和Ru半鑲嵌(右)的成本比較。
半鑲嵌工藝流程的優(yōu)點(diǎn)
半鑲嵌，在狹小金屬間距方面相較于Cu雙鑲嵌有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。imec的納米互連項(xiàng)目總監(jiān)Zsolt Tokei如下表示：
“半鑲嵌，首先可以適用于更大的長(zhǎng)寬比，因此易于控制電容，在防止RC延遲方面有優(yōu)勢(shì)。第二就是不用對(duì)金屬進(jìn)行CMP工序，因而工序方案更精簡(jiǎn)，效費(fèi)比更高。最后就是半鑲嵌不同于Cu那樣需要鎢（W）、鉬（Mo）、釕（Ru）等無(wú)阻擋層且可圖案化的金屬，它使用不需要阻擋層的金屬，可以借由互連金屬自身來(lái)實(shí)現(xiàn)寶貴的導(dǎo)電區(qū)域的完全利用。這就確保了在尺寸縮放的情況下的導(dǎo)孔電阻值具有競(jìng)爭(zhēng)力。” 當(dāng)然了，即便加上上述優(yōu)勢(shì)，這種替代方案要想被業(yè)界所接納還需要解決很多問(wèn)題。朝此邁出的第一步，就是此次2個(gè)金屬層級(jí)的實(shí)際演示方案。在此之前，其優(yōu)勢(shì)只是在虛擬與模型上展示過(guò)。完全自對(duì)準(zhǔn)的導(dǎo)孔——重要的構(gòu)成部分
對(duì)于20nm的狹小金屬間距工藝來(lái)說(shuō)，細(xì)小線路上受控的導(dǎo)孔是半鑲嵌沉積模塊正常運(yùn)作的關(guān)鍵。如果孔與線(孔的上部與下部)沒(méi)有對(duì)應(yīng)到合適的位置，導(dǎo)孔與接觸到的線路之間有漏電的風(fēng)險(xiǎn)。這些漏電路徑會(huì)因?yàn)樾⌒〉膶?dǎo)孔的圖案化而導(dǎo)致疊加誤差過(guò)大這一結(jié)果。
imec的技術(shù)員及骨干研究員Gayle Murdoch下述說(shuō)到： “這個(gè)里程碑式的重要成果，是通過(guò)imec的集成、光刻、蝕刻和清洗團(tuán)隊(duì)之間的密切合作實(shí)現(xiàn)的。借由imec的自我整體統(tǒng)籌方式，才成功地將疊加誤差控制在最大5nm。”
圖3:Mx沿線(左)及Mx間(右)的自對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)孔。X-TEM表示的是18nm間距Ru線路上自對(duì)準(zhǔn)孔的位置。
通過(guò)間隙填充后選擇性地去除氮化硅保證了下方的自對(duì)準(zhǔn)，在下方的金屬線邊緣上形成了導(dǎo)孔。與上方金屬層(Ru)的自對(duì)準(zhǔn)，是通過(guò)導(dǎo)孔過(guò)度填充和Ru圖案化之后用到的Ru過(guò)刻蝕工序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
18nm間距中具有優(yōu)越的耐受性和可靠性——首次演示
通過(guò)完全自對(duì)準(zhǔn)的導(dǎo)孔，使用Ru的減法蝕刻，就得到了在18nm的金屬間距下運(yùn)作的2金屬層級(jí)的元件。 把EUV光刻機(jī)與自對(duì)準(zhǔn)雙圖案化(SADP)組合起來(lái)，將9nm的Ru下方局部互連線路(Mx)圖案化，再使用單EUV光刻機(jī)形成上方線路(Mx+1)和導(dǎo)孔。 將Cu與Ru的布線電阻和導(dǎo)電面積進(jìn)行對(duì)比，無(wú)論是從形態(tài)學(xué)上還是從電力學(xué)上都證實(shí)了Ru是理想的金屬間層并且明顯要優(yōu)于Cu。達(dá)到了優(yōu)異的導(dǎo)孔電阻(26～18nm的金屬間距下，范圍在40～60Ω)、證實(shí)了>9MV/cm 的孔到線的介質(zhì)擊穿電場(chǎng)。
圖4:Ru及Cu線的導(dǎo)電面積和線路電阻的關(guān)系。
Zsolt Tokei表示：“導(dǎo)孔與線路的電阻值與可靠性等在內(nèi)的所有重要技術(shù)參數(shù)方面，我們都得到了優(yōu)異的數(shù)值。這意味著，1nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后首次3個(gè)局部互連層堆積所需的雙鑲嵌技術(shù)，可以用半鑲嵌工藝取代。imec的這個(gè)具備了完全自對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)孔的2金屬層級(jí)器件證明了其重要的里程碑式的價(jià)值。”
如果在保留氣隙(保證靜電容量)的同時(shí)，加大線路的長(zhǎng)寬比(減少電阻)，該技術(shù)還有更大的改進(jìn)空間。imec把繼續(xù)推進(jìn)中間工序(MOL)及使用半鑲嵌技術(shù)(能夠在標(biāo)準(zhǔn)單元層面上進(jìn)一步減少面積的技術(shù))的BEOL技術(shù)作為了今后的研究方向。
