以工藝窗口建模探索路徑：使用虛擬制造評估先進(jìn)DRAM電容器圖形化的工藝窗口
2023-11-23
作者：泛林集團(tuán) Semiverse Solutions 部門半導(dǎo)體工藝與整合高級工程師王青鵬博士
來源：泛林集團(tuán)
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。如果晶圓測試數(shù)據(jù)不足，評估不同集成方案的工藝窗口會變得困難。為克服這一不足，我們將舉例說明如何借助虛擬制造評估 DRAM 電容器圖形化工藝的工藝窗口。
在 DRAM 器件開發(fā)中，必須在硅晶圓上刻蝕用于存儲電荷的電容孔陣列。可用來制造 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、雙自對準(zhǔn)雙重圖形化技術(shù) （SADP）（80nm芯軸間距）和雙自對準(zhǔn)四重圖形化技術(shù) （SAQP）（160nm芯軸間距）。在這項研究中，我們選擇了浸潤式雙 SADP 和 SAQP 圖形化方案，并對其工藝靈敏性和工藝窗口進(jìn)行了比較。我們?yōu)槊總€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，我們在 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量結(jié)果
基于以上的虛擬流程和測量，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)計結(jié)果幫助我們研究每項輸入對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 方向第一個間隔層厚度；SPX2 表示 X 方向第二個間隔層厚度；SPY1 表示 Y 方向第一個間隔層厚度；SPY2 表示 Y 方向第二個間隔層厚度。
表1：實(shí)驗(yàn)設(shè)計變量及輸入范圍
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，還可以通過提高規(guī)格 （3 sigma） 要求，進(jìn)一步對其進(jìn)行優(yōu)化。我們計算了不同條件下 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，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)行了工藝窗口評估和優(yōu)化。虛擬評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）。
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