臺積電介紹3nm后的互連方案

時間：2022/01/06    點擊量：515

高級節點的互連和通孔光刻的進一步縮放受到提供支持圖案后關鍵尺寸變化和掩模重疊公差的工藝窗口的要求的挑戰。在最近于舊金山舉行的國際電子器件會議 (IEDM) 上， 臺積電 展示了其工藝開發活動的研究更新，以實現即將到來的節點的“自對準通孔”(self-aligned via：SAV)，互連+通孔流程可提高可制造性.本文總結了他們演講的亮點。

介紹

過孔的可制造性需要解決多種光刻、電氣和可靠性措施：
對疊加變化的容忍度（又名“邊緣放置錯誤”，或 EPE）通孔電阻的一致性通孔到相鄰金屬介電特性的穩健性漏電流擊穿前的最大外加電壓 (Vbd)
介電可靠性，測量為隨時間變化的介電擊穿 (TDDB：time-dependent dielectric breakdown）
異常收益（請注意，這些問題對于較低層金屬和通孔的縮放最為嚴重，在本文的圖中用“Mx”表示。）
通孔和相鄰金屬線之間的重疊定位會影響介電擊穿——包括Vbd 和 TDDB。下圖說明了具有代表性的 EPE 的傳統通孔的覆蓋與介電擊穿問題。

“自對準”通孔（與相鄰金屬線具有獨特的電介質）將提供更大的工藝范圍來解決上面列出的挑戰。

臺積電 SAV 制程

TSMC SAV 工藝流程有兩個關鍵步驟——在金屬線上沉積“阻擋層”和選擇性沉積電介質上電介質。
自組裝單層（SAM）沉積在金屬上
獨特的工藝化學步驟在暴露的金屬表面上沉積單層阻隔材料。該過程基于懸浮在溶液中的有機化學鏈對金屬的親和力。分子鏈吸附在金屬表面，并自組裝成一個有組織的域。隨著時間的推移，分子會吸附，它們會成核成組并生長，直到金屬表面被單層覆蓋。（由于范德華力，中性有機固體之間的弱凈吸引力，單層緊密堆積。）
該 SAM 單層將用作阻擋材料。它的成分需要承受下一步的熱暴露 - 在氧化物上的選擇性介電沉積。
選擇性介電對介電 (DoD) 沉積
先進的節點已經利用了幾代的原子層沉積 (ALD) 步驟。將氣相“前體”引入處理室。由于化學吸附，獨特的前體單層沉積在晶片表面。前體粘附在表面上，但不粘附在自身上——沒有連續的前體層沉積。然后清除腔室中多余的前體，隨后引入共試劑。化學反應導致所需反應產物的最終單層保留在表面上，而多余的共試劑和反應副產物則被泵出?？梢灾貜驮撗h以沉積多個“原子”層。ALD 已被廣泛用于金屬和薄氧化物介電材料的沉積。
一個活躍的研究領域是提供選擇性的原子層沉積，其中前體只附著在特定的材料表面。目標是抑制特定區域的前體吸附 - 在這種情況下，是金屬上的 SAM 分子。
臺積電探索了一種選擇性沉積化學工藝，用于電介質上電介質層的構建。下圖中的圖像描繪了在現有表面氧化物上方提升介電層的工藝流程。

SAM 阻擋層阻止了在暴露的電介質上的選擇性沉積。如前所述，阻擋層必須經受住電介質上電介質選擇性沉積的高溫。TSMC 表示，更高的 DoD 工藝溫度提高了電介質基座對周圍用于通孔的低 K 層間電介質的蝕刻選擇性，接下來將討論。
上圖中標記為“DoD”的圖像說明了在電介質上電介質沉積之后以及在添加低 K 電介質之前去除硅片上的 SAM 阻擋材料之后的硅片。
右圖顯示了在低 K 電介質沉積/蝕刻和通孔圖案化之后的最終通孔連接。由于與低 K 材料相比蝕刻速率較低，因此添加了 DoD 材料服務器作為合適的“蝕刻停止”。該圖像說明了存在顯著覆蓋偏移的通孔到相鄰金屬電介質。
下圖說明了增加的電介質上電介質層如何提高通孔魯棒性?！皩φ铡蓖干潆娮语@微鏡圖像（沒有 DoD）顯示原始電介質的過孔蝕刻過多，與相鄰的 Mx 線幾乎沒有隔離 - 不是特別容忍重疊錯誤。DoD TEM 圖像顯示隔離度大大提高。

SAV 過程的實驗電氣和可靠性數據

下面的各種圖顯示了來自臺積電 SAV 工藝開發團隊的實驗數據。控制數據反映了沒有選擇性 DoD 層沉積的通孔圖案化工藝的標準。
通過電阻

單通孔和通孔鏈（良率評估）電阻值均顯示控制和 DoD 工藝之間沒有差異。
過孔到相鄰的 Mx 可靠性（漏電流、Vbd、TDDB）

為了評估工藝窗口，TSMC 團隊通過有意的過孔到 Mx 覆蓋偏移評估了漏電流和 Vbd。請注意，控制過程不支持 4nm 重疊公差。
為確保額外的 DoD 工藝步驟不會對現有 Mx 金屬的特性產生不利影響，臺積電共享了有和沒有 DoD 工藝的金屬線的評估數據。下圖顯示對金屬線電阻或 TDDB/電遷移可靠性沒有影響。

總結

3nm 節點以下的持續互連縮放將需要獨特的工藝開發研究，以在存在（高達 4nm）重疊錯誤的情況下保持電氣和可靠性規范。對低 K 層間電介質的需求是給定的——然而，這些材料中的通孔蝕刻并不是特別耐受 EPE。
臺積電已經展示了一種潛在的“自對準通孔”工藝流程，其中包含額外的 DoD 材料。DoD 的蝕刻速率差異導致了更強大的通孔到相鄰金屬的可靠性。該工藝流程采用兩個獨特的步驟——金屬表面阻擋材料的 SAM 和電介質上電介質的選擇性 ALD。
希望選擇性 ALD 流程將很快從研發過渡到生產制造——這種化學物質對先進節點縮放的潛在影響是巨大的。

文章轉載：半導體行業觀察