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2022年10月11日

基于模型的CMP可制造性研究

基于模型的CMP可制造性研究 2011年12月09日 来源:

基于模型的化学机械抛光(CMP)对于65nm及以上技术是至关重要的,因为其影响已超越良率和可靠性的意义,而进入技术节点本身可制造性的问题。而且,随着每一新节点的金属节距越来越紧密,CMP对互连精度、时序和信号完整性的影响需要精心建模和评估。

本文将比较基于规则的填充到基于模型的填充对所做的各项研究的影响。并就金属填充对可制造性的影响、填充对时序和互连的影响,以及金属填充的可靠性和信号完整性方面的问题进行论述及讨论。

可制造性

由于大马士革工艺的多次平坦化加工,已能获得金属互连和通孔的多层堆叠。互连层数越多且互连节距越密集,则每次不平坦性的允许量就越小,因为平坦性是累积计量的。为了使被刻蚀材料的密度和均匀性一致,若在每一层空间距中不加入“虚拟填充”,则通过单独CMP工艺是无法实现的。可以通过在填充空间插入重复图形,从而有效的利用基于规则的填充图形,这对于铝合金和宽松的Cu设计规则非常合适。用电镀工艺通过沟槽的Cu晶籽淀积导致的淀积后不均匀性更加严重,因为节距互连规则更加严格,如图1所示。

CMP前Cu的形貌

这样,基于规则的填充将不再合适,就需要基于模型的新的设计规则。基于模型的填充没有同一的重复图形,通过模拟需要时插入,以使局部金属和ILD厚度的峰值间变化最小。

为了将设计转化为功能与良率,首要考虑的是设计的可制造性。方程(1)和(2)(Rayleigh方程)表明,分辨率R和焦深DOF同时是照明波长λ和投影透镜数值孔径NA的函数。k1和k2是与系统有关的附加因子,数值为0.4至0.65。DOF计算指出其大小只有几十纳米。实际上它是所有互连层上ILD累积的不平坦性所允许的上限,超过此值则完全没有刻印的可能性。这说明在模拟推动的基于模型的填充中,需要额外的措施来使ILD厚度局部峰波动减至最小。R=k1*λ/NA (1)DOF=(K2*λ)/NA2 (2)

图2说明了基于规则的填充,它是以标准的重复线条以离有效线条特定的间距作为缓冲间隔来实现的。作为对比,图3说明了模拟推动的基于模型的填充。一般说来,在ILD变化中获得较好波峰间控制所需的填充密度较小。很明显,这对电容和时延具有另外的意义。

基于规则的填充

基于模型的填充

时序和互连

大多数情况下金属填充是与路由器一起完成的,填充程序嵌入路由算法中。不管填充是基于规则还是基于模型,对填充物来说最重要的通用参数是填充与有效信号间的最小间隔。最小间隔是指缓冲间隔,1X是指最小的节距间隔等。而且填充可以是浮动的或接地的,浮动填充则是常用的。评估金属填充对容性负载(及对延时)的影响是十分麻烦的,用大多数静态时序引擎都无法处理。但评价这一影响还是非常重要的,因为它能大大地改变性能。

采用关于CMP建模和模拟,以及精确抽取寄生参数的EDA工具,将有金属填充的关键路径的延时对无任何填充的同一路径规范化。对1X、2X、3X和10X缓冲间隔和浮动填充及接地填充二种情况做了这一工作。同时也对基于规则的填充考虑了最大和最小层密度二个极端情况,这是代加工设计规则中所要求的。

图4说明了所有这些情况下的规范化关键路径时延。最坏情况应与高密度填充、接地和1X缓冲间隔对应。而且也证明了最坏情况的影响有31%。当缓冲间隔增加时,3X缓冲间隔处影响减少至约5%也是合理的(根据耦合电容是距离的函数),除此以外没有任何好处。由基本分析可知,将填充接地会带来较高的耦合电容,从而增加了延时。尽管它与选择浮动填充相比会得到极高的预见性,但很少有人选择接地填充。这些实验确立了3X缓冲间隔成为用于缓冲的必然选择,且它将其对时序(和寄生参数)的影响量化,约为5%。有一点必须注意,金属填充通常会改变关键路径的次序。

基于规则和基于模型填充的时序影响

基于规则和基于模型填充的信号串扰

可靠性和信号完整性

金属填充信号完整性是互连寄生参数提取直接导出的结果。以延时作为中介,对由于金属填充耦合产生的总电容的增量进行量化。用具有动静对(aggressive-quiet pairs)标准总线结构的HSpice评估信号串扰时延和畸变对动静对的影响。就缓冲、密度、接地和基于规则及模型填充采用了同样的实验安排,图5总结了得到的结果,每一项均进行了规范化并与无填充情况比较。实验结果再次与图5期待的趋势中的直观想法一致,与图4结果完全相反,即1X缓冲情况下由于强电容耦合得到了最坏的延时效应,同样的电容耦合导致最小的信号串扰等。

总结

从论述和实验可以得出若干结论。瑞利(Rayleigh)方程确立了任一技术节点的最大焦深范围,DOF随每一新节点不断缩小。因而,模拟驱动基于模型的填充是使ILD局部峰值间变化最小的途径,这一点对可制造性和良率是非常关键的。实验回答了金属填充对性能和信号完整性的影响及什么缓冲间隔是最理想的问题。3X缓冲间隔时,基于模型的填充可在最坏时序情况下预期得到比较稳定的5%的损失,同时保证可制造性、可靠性和相当好的良率。

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