通過工藝建模進行后段制程金屬方案分析

虛擬半導體工藝建模是研究金屬線設計選擇更為經濟、快捷的方法

作者：泛林集團 Semiverse Solutions 部門半導體工藝與整合部高級經理 Daebin Yim

l 由于阻擋層相對尺寸及電阻率增加問題，半導體行業(yè)正在尋找替代銅的金屬線材料。

l 在較小尺寸中，釕的性能優(yōu)于銅和鈷，因此是較有潛力的替代材料。

隨著互連尺寸縮減，阻擋層占總體線體積的比例逐漸增大。因此，半導體行業(yè)一直在努力尋找可取代傳統銅雙大馬士革方案的替代金屬線材料。

相比金屬線寬度，阻擋層尺寸較難縮減（如圖1）。氮化鉭等常見的阻擋層材料電阻率較高，且側壁電子散射較多。因此，相關阻擋層尺寸的增加會導致更為顯著的電阻電容延遲，并可能影響電路性能、并增加功耗。

圖1：銅微縮與阻擋層線結構圖

工程師們已經注意到釕和鈷等新的替代金屬線，并對其進行了測試，這些材料可以緩解線寬較窄和面積較小時的電阻率升高問題。工藝建?？捎糜诒日辗治霾煌瑴喜凵疃群蛡缺诮嵌认拢?、鈷和銅等其他金屬在不同關鍵尺寸的大馬士革工藝中的性能（圖2）。

通過建模，可以提取總導體橫截面區(qū)域的平均線電阻、線間電容和電阻電容乘積值；隨后，可比較銅、釕、鈷金屬方案的趨勢。

圖2：（上）用于提取電阻和電容的兩條金屬線 3D 結構圖；（下）不同金屬和阻擋層材料的三種情況圖

為系統性地探究使用不同金屬的設計和材料影響，我們通過對三個變量（關鍵尺寸、深度和側壁角度）使用蒙特卡羅均勻分布，進行了包含 1000 次虛擬運行的實驗設計。

圖3：電阻電容實驗設計結果（點：實驗設計數據；線：趨勢曲線）從上至下：電容與面積、電阻與面積、電阻電容乘積與面積

圖 3 突出顯示了每種金屬的電阻與電阻電容乘積的交叉點，并表明在較小尺寸上，無需阻擋層的釕方案優(yōu)于其他兩種金屬材料。這一情況分別在線關鍵尺寸值約為 20nm 和面積值約為 400nm2 時出現。這也表明，無需阻擋層的釕線電阻在線關鍵尺寸小于約 20nm 時最低; 當線關鍵尺寸值小于 20nm 時，2nm 氮化鉭阻擋層的電阻率占據了銅和鈷線電阻的主要部分，造成電阻急劇增加。當線關鍵尺寸縮減時，也在側壁和晶界出現額外散射，并導致電阻升高。溝槽刻蝕深度和側壁角度與電阻之間呈線性關系；電阻與線橫截面面積成反比例關系。

我們也分析了線邊緣粗糙度對電阻的影響。

圖4：（上）當線邊緣粗糙度振幅為 1 且相關性為 1 時，關鍵尺寸為 20nm 的銅線模型圖；（下）釕和銅線（關鍵尺寸分別為 15nm、20nm、25nm）實驗設計結果的箱形圖

在圖 4（下）中，由于無需阻擋層的結構，線關鍵尺寸為 15nm 時，釕線電阻電容值對線邊緣粗糙度振幅的敏感性遠低于銅，而銅由于高阻力的氮化鉭阻擋層非常易受電阻電容乘積變化的影響。

結論

傳統的微縮工藝要求阻擋層/內襯厚度低至極小的 2-3nm，極大壓縮了現代先進邏輯節(jié)點上銅線的空間。無需阻擋層的釕等新金屬在滿足電磁可靠性需求的同時，已躋身為有希望替代銅的材料。

該研究表明，釕的電阻電容延遲顯著低于其他材料，因此可能是先進節(jié)點上優(yōu)秀的金屬候選材料。通常，許多晶圓實驗都需要完成這類金屬方案路徑探索。虛擬半導體工藝建模是研究金屬線設計選擇更為經濟、快捷的方法。

參考資料：

1. Liang Gong Wen et al., "Ruthenium metallization for advanced interconnects," 2016 IEEE International Interconnect Technology Conference / Advanced Metallization Conference (IITC/AMC), San Jose, CA, USA, 2016, pp. 34-36, doi: 10.1109/IITC-AMC.2016.7507651.

2. M. H. van der Veen et al., "Damascene Benchmark of Ru, Co and Cu in Scaled Dimensions," 2018 IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC), Santa Clara, CA, USA, 2018, pp. 172-174, doi: 10.1109/IITC.2018.8430407

審核編輯 黃宇