介电隔离层化学机械研磨模型研究范文

摘要：在集成电路制造中，随着工艺节点的提升，受光刻成像解析度的限制，光刻焦深越来越小，导致了光刻的工艺窗口的降低，对硅片表面形貌的均匀性要求却越来越高。因此化学机械研磨被越来越多地被应用在表面形貌的平坦化工艺中。在以往的建模过程中，后段工艺因布线的复杂性和材质间差异的问题，而成为首先被考虑的对象。当工艺节点到28nm之后，前段器件制造中的CMP工艺之后的形貌也成为不可忽略的一个因素。一方面，在当层所造成的表面起伏差异导致光刻曝光的问题。另一方面，在多层叠加的效果对后段层次叠加造成的影响也不再可忽视。在本文中，我们将讨论怎样用经典CMP建模的方法对前段介质层特征化，并建立模型。在模型建立完成后，该模型可被用于设计仿真，并探测可能存在的风险点。

关键词：可制造性设计，化学机械研磨，模型，制造前段

引言

当晶体管制造工艺从平面转为三维，比如FinFet和多栅极，以及在三维NAND器件工艺上时，对前段CMP工艺结果表面形貌的精准预测变得更加重要。前段的表面形貌高低差作为后段的输入变量，会产生很大的影响。例如，在后段工艺中的铜层区域凹陷情况，由于前层的影响，将会突变为良率影响的因素。本文将解释针对前段介质层建模的方法，进一步地，对该模型进行验证。在模型建立完成后，按照工艺设定对应的规范和阈值，来定义工艺热点。该过程需要配合工艺和整合部门，结合失效分析数据来创建合理的数值。一般来说，介质层潜在的风险热点在于介质的区域性研磨，对应于模型中的表面形貌差异。

1介绍

介电隔离层（见图1）是介于前段器件和后段铜互连之间的层次，用于前后段层次的隔离。相关工艺被广泛地应用于半导体制造中。介质隔离层的优势在于，由于介质单一，可以很好地提供相对平坦的表面。从而化学机械研磨（CMP）工艺是在介质层生长之后，用于去除表面因材质沉积导致的高低起伏的问题。理想情况下，经过CMP之后，在同种材质之间，表面形貌高低差应该相差无几。实际上，基于初始化图形刻蚀而产生的沉积高低差和研磨垫的软硬问题，在研磨之后，表面形貌在不同的图形上还是存在较大的差异，呈现与图形有相关性。与后段介质研磨情况一样，介质隔离层在沉积前的图形影响着沉积的形貌，也就使得CMP之后的区域性的高低程度与图形有强相关性[1]。一般地，从常规性分析来看，CMP的结果可能与图形密度相关。但在实验中发现，由于研磨垫和研磨液等因素，介质隔离层的表面形貌差异不仅与图形密度相关，还会因线宽/线间距/周围环境等因素的不同而不同[2]。因此，对于介质隔离层的变化，在芯片级不是简单的分析可以预测的，而需要建立对应的工艺模型[3]。用于分析工艺变化，研究工艺优化方向，仿真预测表面形貌的高低差。整面的预测和分析风险点所在的位置。进一步地针对设计版图做优化。在本文中，我们会用经典的CMP建模方式对介质隔离层进行建立模型。在模型调试和验证之后，该模型可用于任意针对该工艺的产品工艺后结果预测[4]。同样的，我们会讨论在产品光罩生产之前，怎样分析，预测模型并针对性地做优化修改[5-6]。

2模型调试与验证

在本章中，我们会讨论针对介质隔离层建立CMP物理模型的方法，以及针对硅片数据的模型验证结果。当模型调试验证之后，设计者可以使用该模型对设计版图的介质层厚度和表面形貌进行仿真和预测。

2.1模型的调试

图2展示了在建立高精度芯片级模型的方法和步骤。一般来说，分为模型调试和预测两个阶段。在模型调试阶段，首先需要准备包含设计图形规则的不同线图2模型调试和仿真流程Fig2Modeldebuggingandsimulationprocess宽和图形密度测试图形的测试光罩。针对工艺流程，建立实验计划，并借助该光罩流片，获取不同步骤的硅片数据[7]。在实验数据方面，包含基于不同测试结构的介质厚度和材质表面形貌。在量测数据中，材质形貌方面，材质碟形和区域性侵蚀值可以从表面形貌扫描来获取。如图3所示：图3量测数据收集位置Fig3Locationofmeasurementdatacollection模型的调试过程是选取不同的工艺参数，选取不同的取值范围，最优化工艺参数组合的过程。图4和图5中显示了模型最后拟合的结果。从两者拟合结果来看，拟合均方根差在39埃，小于量测误差50A.达到拟合标准。图4表面形貌拟合结果Fig4Fittingresultsofsurfacetopography2.2模型验证和预测流程在模型调试结束之后，模型文件可以用于预测介质厚度和表面形貌的高低。在仿真预测流程中，设计版图被按固定尺寸分割为格子。在最终表面形貌高低的预测热图中，每个单元格以像素点的形式表示。因此，此处称该像素点为格点。通常来说格点的尺寸大小被设置在20微米。当格点大小设置好之后，提取每个格点内的图形几何信息，包括等效线宽，等效线间距，图形密度，图形周长等，用于后一步的仿真。当几何信息抽取之后，借助模型文件，对产品进行仿真。在模型被用于量产品之前，我们需要用硅片数据对模型进行验证分析，以确认模型的精准度。该流程保证了调试后模型的精准度和可校验性。以保证最终模型的量产预测。在校验中，需要从真实产品上选择不同图形特征的图形，与模型建立数据收集一样，整理数据，对预测结果做对比验证。图6展示了切片厚度数值和产品预测结果之间的关系，从结果来看，整体的预测结果从趋势到绝对值，都非常匹配于模型。因此，此模型可用于量产品预测。图6产品仿真预测与硅片数据对比Fig6Comparisonbetweenproductsimulationpredictionandsiliconchipdata

3模型应用

在理想中，针对单材质的CMP工艺，工艺研磨后的芯片内结果应该是非常平坦的。但是，实际中，非平坦化差异存在于芯片上的不同图形的不同位置。以上验证结果很好地印证了该情况。而且，在同样的图形密度的情况下，不同的线宽上所表现的结果存在差异。该情况就导致了潜在的后段的问题[8-9]。在下例中，借助后段的铜互连层次，我们可以看到存不存在介质隔离层之间的差异。而对于后段铜互连层次来说，该叠加的差异可能直接导致铜线的短接[10-11]。

4结论

在本文中，介绍了半导体制造工艺中，前段介质隔图7介质隔离层对后段层次的影响Fig7Effectofthedielectricisolationlayerontheposteriorsegmentlevel离层的化学机械研磨的建模方法和流程。在模型调试校验完成后，该模型用于量产品的工艺结果预测。借助预测结果，对产品结果进行分析，优化存在的工艺风险点。进一步地，针对工艺潜在风险点探测的可制造性设计流程可以从设计版图上探测出工艺风险点，例如表面形貌差异点。对后段工艺来说，铜线的短接和断接会可以直接从设计中探测得知。基于物理仿真的CMP工艺模型提供数值化的反馈。在光刻版制作之前就可以对设计版图进行优化，从而达到良率提升，缩短从设计到制造的周期。

参考文献

[11]张玉婷,经本钦.一种基于模糊PI算法的开关磁阻电机MATLAB仿真研究[J].电子元器件与信息技术,2018(7):63-65+73.

作者：刘正方 叶瑶瑶 单位：上海交通大学