線邊緣粗糙度(LER)如何影響先進節(jié)點上半導(dǎo)體的性能

l  介紹 

由后段制程(BEOL)金屬線寄生電阻電容(RC)造成的延遲已成為限制先進節(jié)點芯片性能的主要因素^[1]。減小金屬線間距需要更窄的線關(guān)鍵尺寸(CD)和線間隔，這會導(dǎo)致更高的金屬線電阻和線間電容。圖1對此進行了示意，模擬了不同后段制程金屬的線電阻和線關(guān)鍵尺寸之間的關(guān)系。即使沒有線邊緣粗糙度(LER)，該圖也顯示電阻會隨著線寬縮小呈指數(shù)級增長^[2]。為緩解此問題，需要在更小的節(jié)點上對金屬線關(guān)鍵尺寸進行優(yōu)化并選擇合適的金屬材料。

除此之外，線邊緣粗糙度也是影響電子表面散射和金屬線電阻率的重要因素。圖1(b)是典邏輯5nm后段制程M2線的掃描電鏡照片，可以看到明顯的邊緣粗糙度。最近，我們使用虛擬工藝建模，通過改變粗糙度振幅(RMS)、相關(guān)長度、所用材料和金屬線關(guān)鍵尺寸，研究了線邊緣粗糙度對線電阻的影響。

圖1：(a) 線電阻與線關(guān)鍵尺寸的關(guān)系；(b) 5nm M2的掃描電鏡俯視圖（圖片來源：TechInsights）

l  實驗設(shè)計與執(zhí)行 

在晶圓廠里，通過改變線關(guān)鍵尺寸和金屬來進行線邊緣粗糙度變化實驗很困難，也需要花費很多時間和金錢。由于光刻和刻蝕工藝的變化和限制，在硅晶圓上控制線邊緣粗糙度也很困難。因此，虛擬制造也許是一個更直接和有效的方法，因為它可以“虛擬地”生成具有特定線邊緣粗糙度的金屬線結(jié)構(gòu)，進而計算出相應(yīng)顯粗糙度條件下金屬的電阻率。

圖2(a)顯示了使用虛擬半導(dǎo)體建模平臺 (SEMulator3D^?) 模擬金屬線邊緣粗糙度的版圖設(shè)計。圖2(b)和2(c)顯示了最終的虛擬制造結(jié)構(gòu)及其模擬線邊緣粗糙度的俯視圖和橫截面圖。通過設(shè)置具體的粗糙度振幅(RMS)和相關(guān)長度（噪聲頻率）值，可以在虛擬制造的光刻步驟中直接修改線邊緣粗糙度。圖2(d)顯示了不同線邊緣粗糙度條件的簡單實驗。圖中不同RMS振幅和相關(guān)長度設(shè)置條件下，金屬的線邊緣展示出了不同的粗糙度。這些數(shù)據(jù)由SEMulator3D的虛擬實驗仿真生成。為了系統(tǒng)地研究不同的關(guān)鍵尺寸和材料及線邊緣粗糙度對金屬線電阻的影響，使用了表1所示的實驗條件進行結(jié)構(gòu)建模，然后從相應(yīng)結(jié)構(gòu)中提取相應(yīng)條件下的金屬線電阻。需要說明的是，為了使實驗更為簡單，模擬這些結(jié)構(gòu)時沒有將內(nèi)襯材料納入考慮。

圖2：(a) 版圖設(shè)計；(b) 生成的典型金屬線俯視圖；(c) 金屬線的橫截面圖；(d) 不同RMS和相關(guān)長度下的線邊緣粗糙度狀態(tài)

表1: 實驗設(shè)計分割條件

 l  實驗設(shè)計結(jié)果與分析 

為了探究線邊緣粗糙度對金屬線電阻的影響，用表1所示條件完成了約1000次虛擬實驗設(shè)計。從這些實驗中，我們了解到：

1.     當(dāng)相關(guān)長度較小且存在高頻噪聲時，電阻受到線邊緣粗糙度的影響較大。

2.     線關(guān)鍵尺寸較小時，電阻受線邊緣粗糙度RMS振幅和相關(guān)長度的影響。

3.     在所有線關(guān)鍵尺寸和線邊緣粗糙度條件下，應(yīng)選擇特定的金屬來獲得最低的絕對電阻值。

l  結(jié)論 

由于線邊緣粗糙度對較小金屬線關(guān)鍵尺寸下的電阻有較大影響，線邊緣粗糙度控制在先進節(jié)點將變得越來越重要。在工藝建模分割實驗中，我們通過改變金屬線關(guān)鍵尺寸和金屬線材料研究了線邊緣粗糙度對金屬線電阻的影響。

在EUV（極紫外）光刻中，由于大多數(shù)EUV設(shè)備測試成本高且能量密度低，關(guān)鍵尺寸均勻性和線邊緣粗糙度可能會比較麻煩。在這種情況下，可能需要對光刻顯影進行改進，以盡量降低線邊緣粗糙度。這些修改可以進行虛擬測試，以降低顯影成本。新的EUV光刻膠方法（例如泛林集團的干膜光刻膠技術(shù)）也可能有助于在較低的EUV曝光量下降低線邊緣粗糙度。

在先進節(jié)點上，需要合適的金屬線材料選擇、關(guān)鍵尺寸優(yōu)化和光刻膠顯影改進來減小線邊緣粗糙度，進而減少由于電子表面散射引起的線電阻升高。未來的節(jié)點上可能還需要額外的線邊緣粗糙度改進工藝（光刻后）來減少線邊緣粗糙度引起的電阻。

參考資料 

[1] Chen, H. C., Fan, S. C., Lin, J. H., Cheng, Y. L., Jeng, S. P., & Wu, C. M. (2004). The impact of scaling on metal thickness for advanced back end of line interconnects. Thin solid films, 469, 487-490.

[2] van der Veen, M. H., Heyler, N., Pedreira, O. V., Ciofi, I., Decoster, S., Gonzalez, V. V., … & T?kei, Z. (2018, June). Damascene benchmark of Ru, Co and Cu in scaled dimensions. In 2018 IEEE International Interconnect Technology Conference (IITC) (pp. 172-174). IEEE.

[3] Techinsights TSMC 5nm logic tear down report.

[4] http://www.coventor.com/products/semulator3d