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[導(dǎo)讀]虛擬DOE能夠降低硅晶圓測試成本,并成功降低DED鎢填充工藝中的空隙體積

實驗設(shè)計(DOE)是半導(dǎo)體工程研發(fā)中一個強大的概念,它是研究實驗變量敏感性及其對器件性能影響的利器。如果DOE經(jīng)過精心設(shè)計,工程師就可以使用有限的實驗晶圓及試驗成本實現(xiàn)半導(dǎo)體器件的目標性能。然而,在半導(dǎo)體設(shè)計和制造領(lǐng)域,DOE(或?qū)嶒灒┛臻g通常并未得到充分探索。相反,人們經(jīng)常使用非常傳統(tǒng)的試錯方案來挖掘有限的實驗空間。這是因為在半導(dǎo)體制造工藝中存在著太多變量,如果要充分探索所有變量的可能情況,需要極大的晶圓數(shù)量和試驗成本。在這種情況下,虛擬工藝模型和虛擬DOE可謂是探索巨大潛在解空間、加速工藝發(fā)展的同時減少硅實驗成本的重要工具。本文將說明我們在高深寬比通孔鎢填充工藝中,利用虛擬DOE實現(xiàn)了對空隙的有效控制和消除。示例中,我們使用原位沉積-刻蝕-沉積 (DED) 法進行鎢填充工藝。

基于硅的掃描電鏡圖像和每個填充步驟的基本行為,使用SEMulator3D®虛擬工藝建模,重建了通孔鎢填充工藝。

建模工藝包括:

前置溝槽刻蝕(初刻蝕、初刻蝕過刻蝕、主刻蝕、過刻蝕)

DED工藝(第一次沉積、第一次深度相關(guān)刻蝕、第二次沉積工藝)

空隙定位和空隙體積的虛擬測量

為了匹配實際的硅剖面,工藝模型中的每個步驟都經(jīng)過校準。

使用SEMulator3D生成的模擬3D輸出結(jié)構(gòu)與硅的圖像進行對比,它們具有相似的空隙位置和空隙體積(見圖1)。圖1顯示了SEMulator3D和實際硅晶圓中的相應(yīng)工藝步驟。使用新校準的模型,完成了3次虛擬DOE和500多次模擬運行,以了解不同工藝變量對空隙體積和彎曲關(guān)鍵尺寸的影響。

圖1:DED工藝校準

第一次DOE

在第一次DOE中,我們使用DED工藝步驟進行了沉積和刻蝕量的實驗。在我們的測試條件下,空隙體積可以減小但永遠不能化零,并且沉積層不應(yīng)超過頂部關(guān)鍵尺寸的45%(見圖 2)。

圖2:DED等高線圖、杠桿圖、DOE1的輸出結(jié)構(gòu)

第二次DOE

在第二次DOE中,我們給校準模型(DEDED工藝流程的順序)加入了新的沉積/刻蝕工藝步驟。這些新的沉積和刻蝕步驟被設(shè)置了與第一次 DOE相同的沉積和刻蝕范圍(沉積1和刻蝕1)。沉積1(D1)/刻蝕1(E1)實驗表明,在D1和E1值分別為47nm和52nm時可以獲得無空隙結(jié)構(gòu)(見圖 3)。需要注意,與第一次DOE相比,DEDED工藝流程中加入了新的沉積和刻蝕步驟。與之前使用的簡單DED工藝相比,這意味著工藝時間的增加和生產(chǎn)量的降低。

圖3:DEDED等高線圖、杠桿圖、DOE2的輸出結(jié)構(gòu)

第三次DOE

在第三次DOE中,我們通過調(diào)整BT(初刻蝕)刻蝕行為參數(shù)進行了一項前置通孔剖面的實驗。在BT刻蝕實驗中,使用SEMulator3D的可視性刻蝕功能進行了工藝建模。我們在虛擬實驗中修改的是等離子體入射角度分布(BTA)和過刻蝕因子(Fact)這兩個輸入?yún)?shù)。完成虛擬通孔刻蝕后,使用虛擬測量來估測每次模擬運行的最大彎曲關(guān)鍵尺寸和位置。這個方法使用BTA(初刻蝕等離子體入射角度分布)和Fact(過刻蝕量)實驗實驗生成了虛擬結(jié)構(gòu),同時測量和繪制了彎曲關(guān)鍵尺寸和位置。第三次DOE的結(jié)果表明,當彎曲關(guān)鍵尺寸足夠小時,可以獲得無空隙的結(jié)構(gòu);當彎曲關(guān)鍵尺寸大于150nm時,空隙體積將急劇增加(見圖4)。 因此,可以利用最佳的第三次DOE結(jié)果來選擇我們的制造參數(shù)并進行硅驗證。

圖4:前置通孔剖面實驗等高線圖、杠桿圖、DOE3的輸出結(jié)構(gòu)

通過將前置通孔彎曲規(guī)格設(shè)置在150nm以下(圖5中的145nm),我們在最終的硅工藝中獲得了無空隙結(jié)構(gòu)。此次,硅結(jié)果與模型預(yù)測相符,空隙問題得到解決。

圖5:當彎曲關(guān)鍵尺寸小于150nm時,SEMulator3D預(yù)測的結(jié)果與實際的硅結(jié)果

此次演示中,我們進行了SEMulator3D建模和虛擬DOE來優(yōu)化DED鎢填充,并生成無空隙結(jié)構(gòu),3次DOE都得到了空隙減小或無空隙的結(jié)構(gòu)。我們用DOE3的結(jié)果進行了硅驗證,并證明我們解決了空隙問題。硅結(jié)果與模型預(yù)測相匹配,且所用時間比試錯驗證可能會花費的短很多。該實驗表明,虛擬DOE在加速工藝發(fā)展并降低硅晶圓測試成本的同時,也能成功降低DED鎢填充工藝中的空隙體積。

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