线边缘粗糙度 (LER) 如何影响高级节点的半导体性能？

一、介绍

BEOL 金属线 RC 延迟已成为限制高级节点芯片性能的主导因素 [1]。更小的金属线间距需要更窄的线 CD 和线间间距，这会引入更高的金属线电阻和线间电容。

这在图 1 中得到了证明，该图显示了跨不同 BEOL 金属的线路电阻与线路 CD 的模拟。即使没有线边缘粗糙度 (LER)，该图也显示电阻随着线宽缩小呈指数增加 [2]。为了缓解这个问题，在更小的节点上需要进行金属线线宽优化和精细的金属材料选择。

线边缘粗糙度也是决定电子表面散射和随后的线电阻率的重要因素。图 1 (b) 显示了具有可见 LER 的典型 5 nm BEOL M2 线的扫描电子显微镜图像 [3]。我们最近使用虚拟过程建模，通过改变 RMS 振幅、相关长度、使用的材料和金属线 CD，研究了 LER 对线电阻的影响。

图 1：(a) 线路电阻与线路 CD，(b) 5 nm M2 的 SEM 顶视图（由 TechInsights 提供）。

二、实验设计与执行

在晶圆厂中，通过改变线 CD 和金属来执行 LER 变化实验非常困难、昂贵且耗时。在 Si 晶圆上，由于光刻和蚀刻工艺的可变性和限制，LER 的控制也很困难。在这些情况下，虚拟制造可能是一种更直接、更有效的方式，可以“虚拟”生成实际 LER 金属线结构的复制品，并计算一系列变量的电阻率 [4]。

图 2(a) 显示了使用虚拟过程建模平台 (SEMulator3D®) 模拟 LER 的布局设计。图 2(b) 和 2(c) 从顶视图和横截面视图显示了虚拟制造的结构及其模拟的 LER。通过设置特定的 RMS 幅度（噪声幅度）和相关长度（噪声频率）值，可以在虚拟制造的光刻步骤中直接修改 LER。

图 2 (d) 显示了不同 LER 条件的简单拆分实验。线边缘粗糙度显示为不同金属线 CD、RMS 振幅和相关长度的函数。此数据是在 SEMulator3D 中的虚拟实验设计 (DOE) 期间生成的。为了系统地研究使用不同 CD 和材料的线边缘粗糙度的影响，使用表 1 所示的拆分条件完成实验拆分。然后从仿真结果中提取相应的金属线电阻。为简单起见，在模拟这些结构时未考虑衬里材料。

图 2：(a) 布局设计，(b) 生成的典型金属线的顶视图，(c) 金属线的横截面图，(d) RMS 的 LER 状态和相关长度拆分。

表 1：DOE 拆分条件。

三、DOE 结果和分析

使用表 1 中的拆分条件完成了 1000 多个虚拟 DOE 实验，以了解 LER 对金属线电阻的影响。在这些实验中，我们了解到：

四、结论

LER 控制在高级节点将变得越来越重要，因为 LER 对较小金属线 CD 的电阻有很大影响。我们在工艺建模拆分实验期间通过改变金属线 CD 和金属线材料来研究 LER 对金属线电阻的影响。

在 EUV 光刻期间，CDU 和 LER 可能会出现问题，因为大多数 EUV 工具的测试成本高且能量密度低。在这些情况下，可能需要修改光刻开发以最大限度地减少 LER。这些修改可以进行虚拟测试，以降低开发成本。新的 EUV 抗蚀剂方法（例如 Lam Research® 提出的干法抗蚀剂）也可能有助于在较低的 EUV 曝光能量下降低线边缘粗糙度。

在高级节点，需要正确选择金属线材料，CD优化和抵抗开发，以减少由电子表面散射引起的LER和线电阻。未来节点可能还需要额外的 LER 改进（光刻后），以减少 LER 引起的电阻。

参考

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., … & Tőkei, 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

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