以工藝窗口建模探索路徑：使用虛擬制造評(píng)估先進(jìn)DRAM電容器圖形化的工藝窗口

持續(xù)的器件微縮導(dǎo)致特征尺寸變小，工藝步驟差異變大，工藝窗口也變得越來(lái)越窄[1]。半導(dǎo)體研發(fā)階段的關(guān)鍵任務(wù)之一就是尋找工藝窗口較大的優(yōu)秀集成方案。如果晶圓測(cè)試數(shù)據(jù)不足，評(píng)估不同集成方案的工藝窗口會(huì)變得困難。為克服這一不足，我們將舉例說(shuō)明如何借助虛擬制造評(píng)估 DRAM 電容器圖形化工藝的工藝窗口。

在 DRAM 器件開(kāi)發(fā)中，必須在硅晶圓上刻蝕用于存儲(chǔ)電荷的電容孔陣列?？捎脕?lái)制造 40nm 孔陣列的圖形化方案包括極紫外光刻刻蝕、四重光刻刻蝕、雙自對(duì)準(zhǔn)雙重圖形化技術(shù) (SADP)（80nm芯軸間距）和雙自對(duì)準(zhǔn)四重圖形化技術(shù) (SAQP)（160nm芯軸間距）。在這項(xiàng)研究中，我們選擇了浸潤(rùn)式雙 SADP 和 SAQP 圖形化方案，并對(duì)其工藝靈敏性和工藝窗口進(jìn)行了比較。我們?yōu)槊總€(gè)圖形化方案 (SADP和SAQP) 建立了虛擬工藝流程（如圖1），并將電容器孔面積作為電容及其均勻性分析的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為了算出孔面積的變化范圍，我們?cè)?SEMulator3D 中使用結(jié)構(gòu)搜索，尋找 4×4 孔陣列中電容器孔面積的最小值和最大值，并計(jì)算出平均面積和面積差值。圖2顯示了一次輸出結(jié)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果，其中確定了結(jié)構(gòu)中孔面積的最小值和最大值。

圖1：SADP和SAQP的主要工藝步驟

圖2：最小面積與最大面積的虛擬測(cè)量結(jié)果

基于以上的虛擬流程和測(cè)量，我們使用 SEMulator3D 分析模塊，進(jìn)行了3000次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)。我們將芯軸關(guān)鍵尺寸和間隔層厚度設(shè)置為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)，將平均面積和面積變化范圍設(shè)置為輸出參數(shù)。表1列出了 SADP 和 SAQP 工藝的輸入?yún)?shù)值范圍。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果幫助我們研究每項(xiàng)輸入對(duì)平均面積和面積變化范圍的影響。在表1中，MX 表示 X 方向芯軸關(guān)鍵尺寸；MY 表示 Y 方向芯軸關(guān)鍵尺寸；SPX1 表示 X 方向第一個(gè)間隔層厚度；SPX2 表示 X 方向第二個(gè)間隔層厚度；SPY1 表示 Y 方向第一個(gè)間隔層厚度；SPY2 表示 Y 方向第二個(gè)間隔層厚度。

表1：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)變量及輸入范圍

平均面積越大、面積變化范圍越小，電容分布就越密集且均勻。通常認(rèn)為，平均面積在900nm2至1100nm2之間，面積變化范圍小于200nm2被定義為實(shí)驗(yàn)成功。在特定條件下，可以為工藝窗口算出成功模擬實(shí)驗(yàn)在總體實(shí)驗(yàn)所占比率（稱為規(guī)格內(nèi)比率），從而生成平均值和3-sigma（±3*標(biāo)準(zhǔn)差）分布。這個(gè)比率表示產(chǎn)生成功標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)平均面積和面積變化范圍需要的輸入組合比例。

為了最大化平均±3 sigma窗口中的實(shí)驗(yàn)成功次數(shù)，可以通過(guò)調(diào)整輸入工藝參數(shù)平均值的方法，優(yōu)化規(guī)格內(nèi)比率[2]。如果優(yōu)化后的規(guī)格內(nèi)比率仍然不夠高，還可以通過(guò)提高規(guī)格 (3 sigma) 要求，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。我們計(jì)算了不同條件下 SADP 和 SAQP 工藝的規(guī)格內(nèi)比率。在 3 sigma 分布相同的情況下，SADP 工藝的規(guī)格內(nèi)比率比 SAQP 工藝高約10%。調(diào)整芯軸關(guān)鍵尺寸的 3-sigma 規(guī)格后，SADP 工藝的規(guī)格內(nèi)比率接近100%。當(dāng)芯軸關(guān)鍵尺寸相同時(shí)，SAQP 工藝的規(guī)格內(nèi)比率較低，表明 SAQP 工藝窗口需要進(jìn)一步緊縮。

結(jié)論

在這項(xiàng)研究中，我們使用虛擬制造為先進(jìn) DRAM 結(jié)構(gòu)中的電容器形成工藝進(jìn)行了工藝窗口評(píng)估和優(yōu)化。虛擬評(píng)估提供了明確且可量化的指導(dǎo)，幫助我們判斷在先進(jìn) DRAM 結(jié)構(gòu)中使用不同圖形化方案的工藝難題。最重要的是，我們能在晶圓實(shí)驗(yàn)前確定每個(gè)圖形化方案的最佳工藝目標(biāo)組合和條件允許的最大工藝窗口。

參考資料：

1.A.J., Strojwas, 2006 IEEE International Symposium on Semiconductor Manufacturing (pp. xxiii-xxxii).

2.Q. Wang, Y. D. Chen, J. Huang, W. Liu and E. Joseph, 2020 China Semiconductor Technology International Conference (CSTIC) (pp. 1-3).