使用虛擬實驗設(shè)計加速半導體工藝發(fā)展

摘要：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)半導體器件的目標性能。然而，在半導體設(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： 

1.      前置溝槽刻蝕（初刻蝕、初刻蝕過刻蝕、主刻蝕、過刻蝕）

2.      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）

3.      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

l   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)

l   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)

l   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。