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如何識別和防止7nm工藝失效

發布時間：2020-08-18 責任編輯：lina

【導讀】器qi件jian的de良liang率lv在zai很hen大da程cheng度du上shang依yi賴lai於yu適shi當dang的de工gong藝yi規gui格ge設she定ding和he對dui製zhi造zao環huan節jie的de誤wu差cha控kong製zhi，在zai單dan元yuan尺chi寸cun更geng小xiao的de先xian進jin節jie點dian上shang就jiu更geng是shi如ru此ci。過guo去qu為wei了le識shi別bie和he防fang止zhi工gong藝yi失shi效xiao，必bi須xu要yao通tong過guo大da量liang晶jing圓yuan的de製zhi造zao和he測ce試shi來lai收shou集ji數shu據ju，然ran後hou對dui采cai集ji到dao的de數shu據ju進jin行xing相xiang關guan性xing分fen析xi，整zheng個ge過guo程cheng費fei時shi且qie昂ang貴gui。

通過失效分類、良率預測和工藝窗口優化實現良率預測和提升

器qi件jian的de良liang率lv在zai很hen大da程cheng度du上shang依yi賴lai於yu適shi當dang的de工gong藝yi規gui格ge設she定ding和he對dui製zhi造zao環huan節jie的de誤wu差cha控kong製zhi，在zai單dan元yuan尺chi寸cun更geng小xiao的de先xian進jin節jie點dian上shang就jiu更geng是shi如ru此ci。過guo去qu為wei了le識shi別bie和he防fang止zhi工gong藝yi失shi效xiao，必bi須xu要yao通tong過guo大da量liang晶jing圓yuan的de製zhi造zao和he測ce試shi來lai收shou集ji數shu據ju，然ran後hou對dui采cai集ji到dao的de數shu據ju進jin行xing相xiang關guan性xing分fen析xi，整zheng個ge過guo程cheng費fei時shi且qie昂ang貴gui。如今半導體虛擬製造工具（例如SEMulator3D®）的出現改變了這一現狀，讓我們可以在“虛擬”huanjingxiawanchengyishangshiyan。shenzhizaiguicailiaozhongjinxinggongyishiyanzhiqian，xunizhizaojiukeyiyongyulejiegongyizhijiandexianghuyingxianghegongyibuzhoulingminduyishixianzuidahualianglv。benwenjiangtongguoyigejiandanshililaiyanshiruhetongguoxunizhizaolaitisheng7nm節點特定結構的良率，其中使用到的技術包括失效分類、良率預測和工藝窗口優化。

良率提升與失效分類

A．失效分類定義

邊緣定位誤差是導致後段製程良率損失的主要失效模式[1]。下麵用簡單實例說明，假設M1由金屬A（MA）和金屬B（MB）組成【通常由LELE（光刻-刻蝕-光刻-刻蝕），或自對準雙重圖形化技術（SADP）工藝產生】，而接觸孔（VC）被設計連接到MB。

金屬關鍵尺寸CD（或SADP工藝中的心軸CD）或VCCD或金屬至VC的套準精度存在工藝誤差，會引起因通孔和金屬層之間產生邊緣定位誤差而導致的良率損失。

如下失效分類分別對應不同的CD和套準誤差組合（見圖1）：

1.高接觸電阻（HR）：VC和MB接觸麵積過小

2.VC-MA漏電（VML）：VC至MA的距離過小

3.MA-MB漏電（MML）：MA至MB的距離過小

4.VC-MB開路（VMO）：VC未接觸MB，兩者之間沒有重疊

5.VC-MA短路（VMS）：VC接觸MA，兩者之間有部分重疊

如何識別和防止7nm工藝失效

圖1.分類圖示（a）合格，（b）HR，（c）VML，（d）MML，（e）VMO，（f）VMS

B．結構構建與校準，以及失效模式生成與識別

為了演示如何通過虛擬製造提高良率，現構建一個7nm的VC和M1工藝。在生成並校準虛擬工藝結構之後，執行一係列虛擬量測步驟。圖2展示了在虛擬結構上相應的測量位置，根據測量結果，可以將當前失效納入相應的失效分類。

如何識別和防止7nm工藝失效

圖2虛擬測量（結構檢索）（a）VA-MA最小接觸麵積，（b）VA-MB最小距離，（c）MA-MB最小距離，（d）VB-MB最大接觸麵積

基於特定的規格和規則，可以根據測量結果自動實現失效模式分類。

C．良率預測和失效模式排行

在實際的製造過程中，心軸/通孔CD和套準精度等工藝參數被控製在以目標值為中心一定寬度的範圍內分布。通過SEMulator3D可自動執行實驗設計（DOE）並生成和收集由用戶定義的平均值和範圍寬度/標準差。根據收集的數據和預先設定的良率規則，即可計算出合格率或良率（即在特定輸入條件下，通過合格次數與檢驗總次數的比率）。用戶還可以根據生成的測量結果與失效規則做對比，對失效進行自定義分類。

我們首先確定了MCD（心軸CD）、VCD（通孔CD）、SPT（側牆厚度）和MVO（軸心-VCX軸方向套準精度）的均值移動範圍及其分布寬度，之後執行實驗設計，用蒙特卡洛模擬方法執行3000次虛擬實驗測試。圖3（a,b）為wei四si種zhong不bu同tong輸shu入ru條tiao件jian下xia的de失shi效xiao類lei別bie彙hui總zong條tiao形xing圖tu和he良liang率lv彙hui總zong表biao，通tong過guo這zhe些xie圖tu表biao可ke以yi看kan出chu特te定ding輸shu入ru條tiao件jian下xia發fa生sheng各ge種zhong失shi效xiao的de概gai率lv大da小xiao並bing由you此ci判pan斷duan出chu各ge類lei失shi效xiao模mo式shi對dui良liang率lv的de影ying響xiang。

如何識別和防止7nm工藝失效

圖3.特定MCD/VCD/MVO條件下的良率情況。（a）失效模式條形圖，（b）良率彙總

D．工藝窗口優化

在(zai)工(gong)藝(yi)開(kai)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)，開(kai)展(zhan)上(shang)述(shu)分(fen)析(xi)可(ke)能(neng)會(hui)引(yin)發(fa)一(yi)係(xi)列(lie)其(qi)他(ta)問(wen)題(ti)，例(li)如(ru)預(yu)測(ce)所(suo)得(de)的(de)良(liang)率(lv)是(shi)否(fou)合(he)理(li)？是(shi)否(fou)可(ke)通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)規(gui)格(ge)均(jun)值(zhi)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)良(liang)率(lv)？放(fang)寬(kuan)工(gong)藝(yi)分(fen)布(bu)寬(kuan)度(du)要(yao)求(qiu)的(de)同(tong)時(shi)能(neng)否(fou)保(bao)持(chi)良(liang)率(lv)？如(ru)果(guo)無(wu)法(fa)達(da)到(dao)滿(man)意(yi)的(de)良(liang)率(lv)結(jie)果(guo)，是(shi)否(fou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)收(shou)緊(jin)分(fen)布(bu)寬(kuan)度(du)以(yi)達(da)到(dao)目(mu)標(biao)良(liang)率(lv)，以(yi)及(ji)收(shou)緊(jin)程(cheng)度(du)如(ru)何(he)？要(yao)回(hui)答(da)上(shang)述(shu)問(wen)題(ti)就(jiu)要(yao)用(yong)到(dao)SEMulator3D中的工藝窗口優化（PWO）功能。該功能可以自動搜索具有固定分布寬度的均值組合，然後再根據所收集的數據得出最高良率（合格率）的最佳工藝窗口。

表1所示為工藝參數優化前，優化後，優化後+收緊SPT厚度條件下的良率及其對應的工藝窗口。通過該表可以看出，隻需優化工藝規格均值即可將良率從48.4％提高至96.6％，接下來隻需進一步收緊SPT分布寬度值即可獲得99％的目標良率。

如何識別和防止7nm工藝失效

表1.不同輸入條件下的良率彙總表

結論

本文探討了如何通過虛擬製造提高良率。文中實例采用了因邊緣定位誤差導致VC-M1良率損失的7nm6TSRAM模型，采用的技術包括結構構建、模型校準、虛擬量測、失效分類、良率預測和工藝窗口優化。分析結果表明通過工藝窗口優化功能和收緊規格要求可以將良率從48.4％提高到99.0％。可以看出，虛擬製造可廣泛應用於各種良率提升研究，而這些研究的結果將推動半導體工藝和技術的發展。

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