Interconnect-Simulation. E. Bär (Fraunhofer IISB) Kolloquium zur Halbleitertechnologie und Messtechnik, Fraunhofer IISB, 12.

Transkript

1 Interconnect-Simulation E. Bär () zur Halbleitertechnologie und Messtechnik,,

2 Gliederung Einführung Simulation des Ätzens - Oxid-Ätzen in C 2 F 6 - Sputter-Ätzen Abscheidesimulation - Plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) - Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) - Superkonforme Cu-Abscheidung CMP-Simulation Integrierte Simulation - Prozess-Sequenz - Kopplung mit elektrischer Simulation Zusammenfassung 2

3 Verbindungsstrukturen (Interconnects) für integrierte Schaltungen REM-Bild einer Interconnect-Struktur Aufbau einer Interconnect- (T. Ohba, Fujitsu Sci. Tech. J.) Struktur (ITRS Roadmap 2003) 3

4 Verzögerungszeiten für Technologie-Knoten (ITRS Roadmap 2003) 4

5 Topographie-Prozess-Simulation (I) Beschreibung der Veränderung der Geometrie beim Ätzen (geometrische + physikalische Modelle) Abscheidung (CVD, PVD, superkonforme Kupferabscheidung) Chemisch-mechanisches Polieren Simulationsverfahren Beschreibung der Struktur durch Dreiecke Berechnung von Raten mittels physikalischer Modelle Verschiebung der Oberfläche entsprechend dieser Raten 5

6 Topographie-Prozess-Simulation (II) Ätzen Flussbilanzierung zur Bestimmung lokaler Raten Anwendungen: Sputter-Ätzen, Oxid-Ätzen in C x F y -Plasmen Abscheidung Physikalische Gasphasenabscheidung: (I)PVD Superkonforme Kupfer- Abscheidung Chemische Gasphasenabscheidung (LPCVD, PECVD) CMP Modellierung basierend auf mechanischer Wechselwirkung zwischen Poliertuch und Wafer 6

7 Ätzen von SiO 2 in C 2 F 6 - Mechanismus Plasma Ausgangsgas C 2 F 6 Neutrale Ionen F, CF, CF 2, C 2 F 3, C 2 F 4 CF 2+, CF 3+, C 2 F 4+, C 2 F + 5 Polymer (C - F) Polymer-Reaktionen SiO 2 Ätz-Reaktionen Grenzflächen-Spezies SiF, SiF 2, SiF 3, SiFCO 2, SiF 2 CO 2 7

8 Ätzen von SiO 2 in C 2 F 6 - Ratenmodelle für Reaktionen Reaktionsgleichung Reaktionsrate Reaktionswahrscheinlichkeit (abhängig von Ionen-Energie, Dicke der Polymerschicht) Fluss Spezies A Oberflächenbedeckung von Spezies B 8

9 Ätzen von SiO 2 in C 2 F 6 - Eingangsinformation für die Simulation Spezies- Flüsse Spezies- Winkelverteilungen Oberflächen- Modell-Parameter Messungen oder Gerätesimulation - Neutrale: isotrop - Ionen: direktional, z.b. Gauss-Verteilung mit σ = 1/(2R) 0.5, mit R = e V s /(kt i ), V s : Potentialdifferenz über Kathodendunkelraum, T i : Ionentemperatur k-koeffizienten für die Reaktionsgleichungen, abhängig von Ionen-Energie und Polymerdicke 9

10 Ätzen von SiO 2 in C 2 F 6 - Simulation eines Kontaktloches Parameter aus der Literatur für einen typischen Prozess Maske auf Schmale Öffnung Weite Öffnung Oxidschicht 10

11 Ätzen von SiO 2 in C 2 F 6 - Simulation eines Grabens Parameter aus der Literatur Ausgangsstruktur Nach dem Ätzen 11

12 Kopplung von Simulation auf Strukturebene mit Gerätesimulation - Ar + Sputter-Ätzen (I) 3 mtorr 300 mtorr Ar + Winkelverteilungen wurden mittels Gerätesimulation für ein Ar-Plasma erhalten (aus Literatur) 12

13 Kopplung von Simulation auf Strukturebene mit Gerätesimulation - Ar + Sputter-Ätzen (II) 3 mtorr 300 mtorr 13

14 Konforme (LPCVD) vs. nicht konforme (PECVD) Abscheidung P. McCann et al., SPIE Oct Konforme Oxidabscheidung Nichtkonforme PECVD von SiO 2 (LPCVD TEOS -Prozess) (TEOS in Sauerstoff-Plasma) 14

15 Schichtprofil-Simulation für PECVD Raten-Beiträge - Neutralteilchen (Radikale), isotrope Winkelverteilung - Ionen: Gauss-Winkelverteilung Modell lokale Rate R PECVD ~ ( s c F neutral + F ion ) F: Teilchen-Fluss, s c : Haftwahrscheinlichkeit Modell-Parameter r = R neutral / ( R neutral + R ion ) in 1D-Bereichen, s c, σ der Gauss- Winkelverteilung für die Ionen Implementierung F neutral aus Redistribution -Modell F ion aus Fluss-Integration 15

16 Simulation von PECVD und Vergleich mit Experiment 3D-Simulation Querschnitt REM-Bild aus der Literatur 16

17 Simulation der Sputter-Abscheidung β Prinzip - Integration des Metallatom-Flusses, der vom Target am Substrat erzeugt wird (bei niedrigem Druck) - Höherer Druck: isotrope Verteilung - Berechnung der aufwachsenden Dicke aus Metallatom-Fluss 17

18 Simulation der Sputter-Abscheidung von Titan Ziel: Bestimmung des Einflusses der Lage der Struktur auf dem Wafer Target-Durchmesser = 300 mm, Abstand Target - Substrat = 150 mm Abscheidung bei niedrigem Druck Zentrum 50 mm Abstand 100 mm Abstand vom Zentrum vom Zentrum 18

19 Simulation der kollimierten Sputter-Abscheidung Kein freier Fit-Parameter Vergleich kollimiert-konventionell (Sim.) Vergleich Experiment-Simulation 19

20 Simulation der ionisierten Metall-Plasma-Abscheidung (IMP) 20 V => Kein Re-Sputtering 100 V => Re-Sputtering Haftwahrscheinlichkeit der Metallatome = 1 Isotrope Winkelverteilung der Metallatome Substrat- Vorspannung 20 V Substrat- Vorspannung 100 V 20

21 Simulation der superkonformen Cu-Abscheidung (I) Elektrochemische Abscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung Beginn der Abscheidung: Gleichmäßige Bedeckung mit Beschleuniger Während Schichtwachstum: Anreicherung am Boden => dort erhöhte Rate 21

22 Simulation der superkonformen Cu-Abscheidung (II) Simulation der Abscheidung in Kontaktloch r a =0 r a =10 r a =100 Modellparameter r a charakterisiert Raten-Erhöhung durch Beschleuniger 22

23 Simulation der superkonformen Cu-Abscheidung (III) Damaszenische Struktur nach Nach superkonformer konformer Abscheidung der Barriere Cu-Abscheidung (r a =100) 23

24 Simulation der superkonformen Cu-Abscheidung (IV) Simulation für Graben und Kontaktloch unter identischen Bedingungen (qualitative Übereinstimmung mit CVD-Experiment) Graben Kontaktloch 24

25 Simulation des chemisch-mechanischen Polierens (CMP) - Prinzip Modell (Vlassak) Druck-Verteilung Lokale Polierrate - Raue Poliertuch-Oberfläche - Geometrische Beschreibung der Rauigkeit - Bestimmt durch Kontakt der rauen Poliertuch- Oberfläche mit Substrat-Oberfläche - Hängt ab von: Materialeigenschaften und Geometrie der Poliertuch-Oberfläche, Druck, Substrat-Geometrie - Preston-Gleichung mit Material-abhängigen Koeffizienten 25

26 Simulation des chemisch-mechanischen Polierens (CMP) - Beispiel Kupfer Ti-Barriere Oxid Anfangsphase Struktur nach 200 s... nach 360 s des Polierprozesses 26

27 Integrierte Simulation von Interconnect-Prozessen Ätzen Ausgangsstruktur Barriere- PVD und Cu- Abscheidung CMP 27

28 Kopplung von Prozess-Simulation und elektrischer Charakterisierung (I) Simulierte Interconnect- Stromdichte-Verteilung Geometrie (Software STAP, TU Wien) 28

29 Kopplung von Prozess-Simulation und elektrischer Charakterisierung - DRAM-Interconnects (I) Bitline Kontakt Wordline 3D-Struktur mit Volumengitter Querschnitt (ohne Dielektrikum) 29

30 Kopplung von Prozess-Simulation und elektrischer Charakterisierung - DRAM-Interconnects (II) C [ F ] Kapazität C zwischen Bitline und Wordline in Abhängigkeit von der Kontakt-Geometrie (Neigungswinkel der Wand) (Software STAP, TU Wien) 30

31 Zusammenfassung Simulation von Topographie-Prozessen und Anwendung auf Interconnects Physikalische Simulation von Ätzen, Schichtabscheidung, CMP Module können für integrierte Topographie-Sequenzen verwendet werden Schnittstellen zu externer Software, z.b. für die Simulation des elektrischen Verhaltens der Interconnects 31

32 EU Projekt MULSIC: Interconnect-Simulation (Prozess-Simulation) E. Bär, S. Kistler, H. Nguyen TU Wien (Simulation des elektrischen Verhaltens): H. Ceric, C. Harlander, R. Sabelka ISE AG (Software-Integration und -Evaluierung): L. Bomholt, V. Deshpande 32