來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志 10/11月刊

作者：Gayle Murdoch, imec技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要成員；Zsolt Tokei, imec FELLOW兼納米互連項(xiàng)目總監(jiān)

半鑲嵌集成是一種將互連工藝流程擴(kuò)展至用于低于20nm金屬間距的方法，該方法富有吸引力且具成本效益。IMEC是在五年前提出這種方法的，現(xiàn)今確認(rèn)：已對一款18nm金屬間距的功能性雙金屬級半鑲嵌模塊進(jìn)行了首次實(shí)驗(yàn)演示。

半鑲嵌集成和BEOL發(fā)展路線圖

20多年來，銅（Cu）雙鑲嵌（dual-damascene）一直是構(gòu)建可靠互連的主要工藝流程。但是，當(dāng)尺寸繼續(xù)縮小，并且金屬間距（metal pitches）變得像20nm及以下那樣緊密時(shí)，由于電阻電容（RC）乘積的急劇增長，后段制程（BEOL）越來越受到RC延遲的不利影響。這個(gè)問題迫使互連行業(yè)著手尋找替代集成方案，以及在緊密金屬間距下具有更好品質(zhì)因數(shù)的金屬。

在本文中，imec的研究人員Gayle Murdoch和Zsolt Tokei著重闡述了緊密金屬間距下通孔自對準(zhǔn)的重要性，解釋并演示了模塊的主要技術(shù)參數(shù)，包括通孔和線路電阻以及可靠性。該研究結(jié)果在2022年IEEE VLSI技術(shù)與電路研討會(huì)（VLSI 2022）上發(fā)表。

△圖1：imec的半鑲嵌流程：a）Ru蝕刻（底部局部互連線(Mx)的形成）；b）間隙填充；c）通孔蝕刻；d）通孔填充和頂線（Mx+1）形成（在VLSI2022大會(huì)上展示）。

大約五年前，imec最初提出半鑲嵌（semi-damascene）作為銅雙鑲嵌的可行替代方案，用于集成1nm（及以下）技術(shù)節(jié)點(diǎn)的最關(guān)鍵的局部（Mx）互連層。

與雙鑲嵌不同，半鑲嵌集成依賴于互連金屬的直接圖案化來制作線條（稱為減材金屬化-subtractive metallization）。不需要采用金屬的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）來完成工藝流程。

連接后續(xù)互連層的通孔以單鑲嵌方式圖案化，然后用金屬填充和過度填充，這意味著金屬沉積會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，直到在電介質(zhì)上形成一層金屬。接著，對該金屬層進(jìn)行掩膜和蝕刻，以形成具有正交線的第二互連層。

在金屬圖案化之后，線之間的間隙可以用電介質(zhì)填充，或用于在局部層處形成（部分）氣隙。請注意，在半鑲嵌流程中，一次性形成兩層（通孔和頂部金屬），就像傳統(tǒng)的雙鑲嵌一樣。當(dāng)以雙鑲嵌為基準(zhǔn)進(jìn)行評估時(shí)，這使其具備很好的成本競爭力（見圖2）。

△圖2：18nm金屬間距下半鑲嵌與雙鑲嵌成本的比較。

半鑲嵌集成流程的好處

據(jù)imec Fellow兼納米互連項(xiàng)目總監(jiān)Zsolt Tokei稱，與銅雙鑲嵌相比，半鑲嵌在緊密的金屬間距下具有多項(xiàng)優(yōu)勢。他表示：“首先，它允許更高的線路縱橫比，同時(shí)保持電容處于受控狀態(tài)，這有望帶來整體RC優(yōu)勢。其次，由于沒有金屬CMP工藝步驟，因而造就出更簡化和成本效益更高的集成方案。最后，半鑲嵌集成需要一種無阻擋層（barrierless）、可圖案化的金屬，例如鎢（W）、鉬（Mo）或釕（Ru）。通過使用不需要金屬阻擋層的金屬（這不同于銅），珍貴的導(dǎo)電區(qū)域就可以被互連金屬本身充分利用，從而確保在微縮尺寸上具有競爭力的通孔電阻?！?/p>

△圖3：沿Mx（左）和跨Mx（右）的自對準(zhǔn)通孔。X-TEM顯示自對準(zhǔn)通孔落在18nm間距Ru線上（在VLSI 2022大會(huì)上演示）。

當(dāng)然，除了上述好處之外，在這樣的一項(xiàng)計(jì)劃獲得業(yè)界認(rèn)可之前，還有許多挑戰(zhàn)需要解決。朝這個(gè)方向邁出的一步是實(shí)際演示了雙金屬級方案。雖然迄今僅通過仿真和建模顯示了這些好處，但是imec首次為雙金屬級半鑲嵌模塊提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

完全自對準(zhǔn)的通孔：一個(gè)至關(guān)重要的構(gòu)建塊

在金屬間距小至20nm的情況下，控制通孔降落在窄線上是半鑲嵌集成模塊成功運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)通孔和線路（在通孔頂部和底部）沒有正確對齊時(shí)，通孔和相鄰線路之間存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。這些泄漏路徑是由小通孔的常規(guī)圖案化引起的過大覆蓋誤差造成的。

imec技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要成員Gayle Murdoch說：“找到一種方法來制作功能性、完全自對準(zhǔn)的通孔一直是半鑲嵌工藝的‘圣杯’。我們通過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)了這一里程碑。憑借我們完全自對準(zhǔn)的集成方案，我們能夠補(bǔ)償高達(dá)5nm的覆蓋誤差，這是一項(xiàng)重要的成就?！?/p>

通過在間隙填充后選擇性去除氮化硅來確保底部自對準(zhǔn)，從而允許在下部金屬線的范圍內(nèi)形成通孔。朝向頂部金屬層（Ru）的自對準(zhǔn)是通過Ru過度蝕刻步驟實(shí)現(xiàn)的，該步驟在通孔過度填充和Ru圖案化之后應(yīng)用。

△圖4：Ru線和Cu線的導(dǎo)電面積與線電阻的關(guān)系（在VLSI 2022大會(huì)上演示）。

新的里程碑：18nm間距下的良好電阻和可靠性

使用具有完全自對準(zhǔn)通孔的Ru減法蝕刻（subtractive etch）產(chǎn)生了18nm金屬間距的功能性雙金屬級器件。結(jié)合自對準(zhǔn)雙重圖案化（SADP）的EUV光刻用于對9nm“寬”的Ru底部局部互連線（Mx）進(jìn)行圖案化，而單次曝光EUV光刻則用于印刷頂線（Mx+1）和通孔。頂部金屬與氣隙相組合以抵消電容的增加。

當(dāng)將Ru與Cu的線路電阻與導(dǎo)電面積進(jìn)行基準(zhǔn)比較時(shí)，在目標(biāo)金屬間距下，Ru明顯優(yōu)于Cu。通孔自對準(zhǔn)在形態(tài)學(xué)和電學(xué)上都得到了確證。實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的通孔電阻（對于26～18nm的金屬間距，其阻值范圍在40Ω和60Ω之間），并且證實(shí)通孔到線擊穿電場>9MV/cm。

Zsolt Tokei說道：“我們展示了所有關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的卓越價(jià)值，包括通孔和線路電阻及可靠性。該演示表明，半鑲嵌是雙鑲嵌的一種有價(jià)值的替代方案，用于集成1nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以后的前三個(gè)局部互連層。我們的具有完全自對準(zhǔn)通孔的雙金屬級器件已被證明是關(guān)鍵的構(gòu)建塊?！?/p>

研究人員表示，通過增加線路的縱橫比（這可以降低電阻），同時(shí)保持氣隙（這可以控制電容），可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。與此同時(shí)，對使用半鑲嵌技術(shù)（它允許在標(biāo)準(zhǔn)單元級別進(jìn)一步減小面積）實(shí)現(xiàn)中段制程（MOL）和BEOL技術(shù)下一步改進(jìn)，imec也已經(jīng)有了具體的想法。

參考文獻(xiàn)

Gayle Murdoch于1997年畢業(yè)于愛丁堡大學(xué)，獲化學(xué)物理學(xué)榮譽(yù)學(xué)士學(xué)位。她的職業(yè)生涯先是在NECSemiconductors公司擔(dān)任光刻工程師，后來加入Filtronic Compound Semiconductors公司，從事GaAs器件的蝕刻開發(fā)和集成工作，并最終成為首席蝕刻工程師。2008年，她加入了imec的先進(jìn)光刻技術(shù)團(tuán)隊(duì)，然后在2013年轉(zhuǎn)到BEOL集成部門。她從事過一系列課題的研發(fā)，包括低k電介質(zhì)集成，完全自對準(zhǔn)通孔，以及最近的半鑲嵌集成。目前，她是技術(shù)團(tuán)隊(duì)的主要成員職位，并領(lǐng)導(dǎo)BEOL集成團(tuán)隊(duì)。

Zsolt Tokei是imec Fellow兼納米互連項(xiàng)目總監(jiān)。他于1999年加入imec，先是作為低k銅互連領(lǐng)域的一名工藝工程師和研究人員，接下來擔(dān)任了金屬部門的主管。之后，他成為了納米互連項(xiàng)目的首席科學(xué)家和總監(jiān)。他1994年在匈牙利德布勒森的科蘇特（Kossuth）大學(xué)獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。1997年在匈牙利科蘇特大學(xué)和法國艾克斯-馬賽第三大學(xué)（Aix Marseille-III）大學(xué)共同指導(dǎo)的論文框架內(nèi)，他獲得了物理學(xué)和材料科學(xué)的博士學(xué)位。1998年，作為博士后研究員，他開始在德國杜塞爾多夫的馬克斯-普朗克研究所工作。加入imec后，他繼續(xù)從事一系列互連問題的研究，包括微縮、金屬化、電氣特性分析、模塊集成、可靠性和系統(tǒng)等方面。

審核編輯 黃昊宇