台积电介绍3nm后的互连方案

高级节点的互连和通孔光刻的进一步缩放受到提供支持图案后关键尺寸变化和掩模重叠公差的工艺窗口的要求的挑战。在最近于旧金山举行的国际电子器件会议 (IEDM) 上，台积电展示了其工艺开发活动的研究更新，以实现即将到来的节点的“自对准通孔”(self-aligned via：SAV)，互连+通孔流程可提高可制造性.本文总结了他们演讲的亮点。

介绍

过孔的可制造性需要解决多种光刻、电气和可靠性措施：

对叠加变化的容忍度（又名“边缘放置错误”，或 EPE）

通孔电阻的一致性

通孔到相邻金属介电特性的稳健性

漏电流

击穿前的最大外加电压 (Vbd)

介电可靠性，测量为随时间变化的介电击穿 (TDDB：time-dependent dielectric breakdown）

而且当然，

异常收益

（请注意，这些问题对于较低层金属和通孔的缩放最为严重，在本文的图中用“Mx”表示。）

通孔和相邻金属线之间的重叠定位会影响介电击穿——包括Vbd 和 TDDB。下图说明了具有代表性的 EPE 的传统通孔的覆盖与介电击穿问题。

“自对准”通孔（与相邻金属线具有独特的电介质）将提供更大的工艺范围来解决上面列出的挑战。

台积电 SAV 制程

TSMC SAV 工艺流程有两个关键步骤——在金属线上沉积“阻挡层”和选择性沉积电介质上电介质。

自组装单层（SAM）沉积在金属上

独特的工艺化学步骤在暴露的金属表面上沉积单层阻隔材料。该过程基于悬浮在溶液中的有机化学链对金属的亲和力。分子链吸附在金属表面，并自组装成一个有组织的域。随着时间的推移，分子会吸附，它们会成核成组并生长，直到金属表面被单层覆盖。（由于范德华力，中性有机固体之间的弱净吸引力，单层紧密堆积。）

该 SAM 单层将用作阻挡材料。它的成分需要承受下一步的热暴露 - 在氧化物上的选择性介电沉积。

选择性介电对介电 (DoD) 沉积

先进的节点已经利用了几代的原子层沉积 (ALD) 步骤。将气相“前体”引入处理室。由于化学吸附，独特的前体单层沉积在晶片表面。前体粘附在表面上，但不粘附在自身上——没有连续的前体层沉积。然后清除腔室中多余的前体，随后引入共试剂。化学反应导致所需反应产物的最终单层保留在表面上，而多余的共试剂和反应副产物则被泵出。可以重复该循环以沉积多个“原子”层。ALD 已被广泛用于金属和薄氧化物介电材料的沉积。

一个活跃的研究领域是提供选择性的原子层沉积，其中前体只附着在特定的材料表面。目标是抑制特定区域的前体吸附 - 在这种情况下，是金属上的 SAM 分子。

台积电探索了一种选择性沉积化学工艺，用于电介质上电介质层的构建。下图中的图像描绘了在现有表面氧化物上方提升介电层的工艺流程。

SAM 阻挡层阻止了在暴露的电介质上的选择性沉积。如前所述，阻挡层必须经受住电介质上电介质选择性沉积的高温。TSMC 表示，更高的 DoD 工艺温度提高了电介质基座对周围用于通孔的低 K 层间电介质的蚀刻选择性，接下来将讨论。

上图中标记为“DoD”的图像说明了在电介质上电介质沉积之后以及在添加低 K 电介质之前去除硅片上的 SAM 阻挡材料之后的硅片。

右图显示了在低 K 电介质沉积/蚀刻和通孔图案化之后的最终通孔连接。由于与低 K 材料相比蚀刻速率较低，因此添加了 DoD 材料服务器作为合适的“蚀刻停止”。该图像说明了存在显着覆盖偏移的通孔到相邻金属电介质。

下图说明了增加的电介质上电介质层如何提高通孔鲁棒性。“对照”透射电子显微镜图像（没有 DoD）显示原始电介质的过孔蚀刻过多，与相邻的 Mx 线几乎没有隔离 - 不是特别容忍重叠错误。DoD TEM 图像显示隔离度大大提高。

SAV 过程的实验电气和可靠性数据

下面的各种图显示了来自台积电 SAV 工艺开发团队的实验数据。控制数据反映了没有选择性 DoD 层沉积的通孔图案化工艺的标准。

通过电阻

单通孔和通孔链（良率评估）电阻值均显示控制和 DoD 工艺之间没有差异。

过孔到相邻的 Mx 可靠性（漏电流、Vbd、TDDB）

为了评估工艺窗口，TSMC 团队通过有意的过孔到 Mx 覆盖偏移评估了漏电流和 Vbd。请注意，控制过程不支持 4nm 重叠公差。

为确保额外的 DoD 工艺步骤不会对现有 Mx 金属的特性产生不利影响，台积电共享了有和没有 DoD 工艺的金属线的评估数据。下图显示对金属线电阻或 TDDB/电迁移可靠性没有影响。

总结

3nm 节点以下的持续互连缩放将需要独特的工艺开发研究，以在存在（高达 4nm）重叠错误的情况下保持电气和可靠性规范。对低 K 层间电介质的需求是给定的——然而，这些材料中的通孔蚀刻并不是特别耐受 EPE。

台积电已经展示了一种潜在的“自对准通孔”工艺流程，其中包含额外的 DoD 材料。DoD 的蚀刻速率差异导致了更强大的通孔到相邻金属的可靠性。该工艺流程采用两个独特的步骤——金属表面阻挡材料的 SAM 和电介质上电介质的选择性 ALD。

希望选择性 ALD 流程将很快从研发过渡到生产制造——这种化学物质对先进节点缩放的潜在影响是巨大的。

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