JP2005317961A - 集積回路の相互接続プロセスパラメータの測定 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この技術は、あらゆる種類の伝導材料により形成されている、あらゆる非理想形状の相互接続に適用可能である。テストストラクチャは、集積回路内に組み立てられる。非破壊の電気測定が、テストストラクチャと関連する結合容量を決定するためにテストストラクチャから実行される。フィールドソルバは、設計結合容量を決定するために、初期プロセスパラメータを用いる。そして、オプティマイザは、相互接続プロセスパラメータを決定するために、測定された結合容量と設計結合容量を用いる。
【選択図】 図1
Description
実際の相互接続プロセスパラメータを測定するために使用可能ないくつかの公知の技術がある。
1つの一般的に使用される測定技術は、破壊方法を用いる。この場合、焦点を定められたイオンビーム(“FIB”)が、相互接続線の断面をさらしている、組み立てられたウェーハー内に挿入される。そして、電子マイクロスコープの走査(“SEM”)によって、さらされている相互接続線の写真をとる。残念なことに、この技術は、ウェーハーを破壊する。また、ウェーハーが切断され、その後マイクロスコープを用いて分析するため、測定には比較的長い時間を要する。
1つの非破壊技術は、光学式度量衡ツールを使用する。この技術を用いる場合には、ウェーハーは損傷しない。光学式度量衡ツールを用いることにより、迅速に測定を行うことができ、また、結果を容易に判断することができる。しかしながら、現時点での光学式度量衡ツールの分解能は、サブミクロン領域(すなわち、100ナノミクロン以下)への応用を制限する。
この問題に取り組むために、半導体産業は、相互接続材料として、アルミニウムよりも銅を使用し始めた。これは、銅の相互接続を介する信号の遅れが、アルミニウムの相互接続を介する信号の遅れより小さいからである。アルミニウムの抵抗のほぼ半分である、銅の低抵抗により、相互接続の抵抗及び容量の双方が減少し、相互接続の遅延が減少する。
本明細書に開示されている種々の実施の形態は、相互接続プロセスパラメータを測定するための非破壊技術を提供する。種々の実施の形態は、銅の相互接続のような、非長方形形状を有する相互接続のプロセスパラメータも測定に対して特に有用である。
ステップ105では,テストストラクチャ(テスト構造)を有する集積回路が、この集積回路を製造するために使用される、特別の組み立て容易性のために知られている設計パラメータに対応して設計される。設計パラメータは、典型的には、設計段階において相互接続線の上部(トップ)及び底部(ボトム)で同じである、相互接続の幅を含んでいる。前述したように、テストストラクチャは、上部プレートと底部プレート(図2〜4参照)の間に配置されている実質的に対称な伝導体の2つのセットを含んでいる。
ステップ110では、テストストラクチャを有する集積回路が組み立てられる。
ステップ115では、3つの結合容量:(1)伝導体の第1のセットと伝導体の第2のセットとの間の結合容量、(2)伝導体のセットの1つと上部プレートとの間の結合容量、(3)伝導体のセットの1つと底部プレートとの間の結合容量、が決定される。
ステップ125では、フィールドソルバは、初期結合容量を計算する。
ステップ130では、初期結合容量は、測定された結合容量と比較される。
ステップ135では、システムは、結合容量の2つのセットが収束状態を満足している否かを決定する。収束状態は、結合容量の2つのセットの値が、繰り返しの間で互いに接近しているか、あるいは、著しく変化していない時に満足される。1つの実施の形態では、結合容量の2つのセットが互いに1%以内の違いである時に収束状態が満足される。
非理想形状を有する相互接続(例えば、銅の相互接続)の場合、結合容量の2つのセットは、最初は収束状態を満足しない。例えば、銅の相互接続の場合には、初期結合容量と測定された結合容量は、10〜20%程度相違する。これは、初期プロセスパラメータは、相互接続の上部及び底部の幅が同じであると仮定しているが、組み立てられた銅の相互接続は、実際には、台形形状を有しているからである。
修正定数は、プロセスパラメータ導関数と乗算される一定の値である。システムが収束化に接近していない時には、より大きい修正定数が用いられ、システムが収束化に接近している時には、より小さい修正定数が用いられる。
そして、修正されたプロセスパラメータは、フィールドソルバに入力され(ステップ120)、繰り返し処理が、収束が発生するまで継続される。
収束が発生すると、システムは、物理的な(実際の)プロセスパラメータが、修正されたプロセスパラメータの現時点のセットと等しいことを決定する。
図2Aは、集積回路及び/またはウェーハー内に組み立て可能な、例示的なテストストラクチャ200の斜視図を示している。
テストストラクチャ200は、実質的に対称な1対のフィンガー(あるいはワイヤ)201と202、上部プレート203と底部プレート204を含んでいる。
フィンガー201と202は、上部プレート203と底部プレート204の間に設けられている。フィンガー201と202、上部プレート203と底部プレート204は、銅のような伝導材料によって構成可能である。上部プレート203と底部プレート204は、固体プレート、スロットが形成されたプレートあるいは非常に接近して配置されている一連の平行線により構成されるプレートであってもよい。
フィンガー201と202は、互いに電気的に絶縁されているとともに、誘電材料(図示せず)を介して上部及び底部プレート203、204と電気的に絶縁されている。
フィンガー201と202の長さやフィンガー201と202の数は、好ましくない寄生容量効果が最小化され、また、結合容量がフィールドソルバ(以下で説明)によって正確に計算できるように設計される。フィンガー201と202の幅や間隔は、設計規則や、プロセスパラメータが得られる実験点の設計に応じて選択可能である。
フィンガー201と202の厚さは、Tで示されている。フィンガー201の上面とフィンガー202の上面の間の間隔は、Stで示されている。フィンガー201の底面とフィンガー202の底面の間の間隔は、Sbで示されている。フィンガー201及び/または202の上面の幅は、Wtで示されている。フィンガー201及び/または202の底面の幅は、Wbで示されている。フィンガー201及び/または202と上部プレート203との間の距離は、Htで示されている。フィンガー201及び/または202と底部プレート204との間の距離は、Hbで示されている。
結合容量Cc、Ct及びCbの値は、相互接続のプロセスパラメータに依存する。
結合容量Ct、Cb及びCcの値は、適切な受動あるいは能動の容量測定技術を用いて決定可能である。図3は、LCRメータ(受動測定技術)を用いて結合容量Ct、Cb及びCcを決定可能なテストストラクチャ300を示している。
テストストラクチャ300は、フィンガー301と302、上部プレート303及び底部プレート304を含んでいる。検査パッド311、312、313及び314は、集積回路内に組み立てられ、それぞれフィンガー301と302、上部プレート303及び底部プレート304と電気的に接続されて配置されている。
容量C1は、フィンガー301の総容量であり、グランド(接地)305に対する寄生容量に加えて、フィンガー302に対する結合容量、上部プレート303及び底部プレート304に関する結合容量を含んでいる。C2は、フィンガー302の総容量であり、グランド305に対する寄生容量に加えて、フィンガー301に対する結合容量、上部プレート303及び底部プレート304に関する結合容量を含んでいる。C3は、一緒に接続されるフィンガー301及び302により構成されるストラクチャ(構造)の総容量であり、上部プレート303及び底部プレート304に関して、グランド305に対するストラクチャ(一緒に接続されるフィンガー301と302)の寄生容量に加えられる。C4は、底部プレート304の総容量であり、グランド305に対するストラクチャの寄生容量に加えて、フィンガー301に対する結合容量、フィンガー302及び上部プレート303に関する結合容量を含んでいる。C5は、一緒に接続されるフィンガー301及び底部プレート304により構成されるストラクチャの結合容量であり、フィンガー302及び上部プレート301に関して、グランド305に対するストラクチャ(一緒に接続されるフィンガー301及びプレート304)の寄生容量に加えられる。C6は、上部プレート303の総容量であり、グランド305に対する寄生容量に加えて、301に対する結合容量、フィンガー302及び底部プレート304に関する結合容量を含んでいる。C7は、一緒に接続されるフィンガー301及び上部プレート303により構成されるストラクチャの総容量であり、フィンガー302及び底部プレート304に関して、グランド305に対するストラクチャ(一緒に接続されるフィンガー301及びプレート303)の寄生容量に加えられる。
当業者は、LCRメータを用いてC1、C2、C3、C4、C5、C6及びC7を測定する方法を認識する。また、測定技術は、以下に、図4を参照して説明されている。
Ct=(C1+C4−C5)÷2 (式1)
Cb=(C1+C6−C7)÷2 (式2)
Cc=(C1+C2−C3)÷2 (式3)
したがって、参照ストラクチャは、第1パッド及び第1パッドから上部プレートへの接続、第2パッド及び第2パッドから底部プレートへの接続、第3パッド及び第3パッドから第1フィンガーが配置される領域への接続、第4パッド及び第4パッドから第2フィンガーが配置される領域への接続を含んでいる。
能動測定技術は、測定回路のいくつかが集積回路上に組み立てられていることを除いて、受動測定技術と同様である。能動測定技術は、一般的には、受動測定技術よりも正確であり、したがって、結合容量がアト(10−18)ファラッドである場合に使用すべきである。
CBCM方法を用いた結合容量の測定は、“An On-Chip,Interconnect
Capacitance Characterization Method with Sub-Femto-Farad Resolution”
(IEEE Transactions On Semiconductor Manufacturing,Vol.11,No.2,204-210,
May 1998)により詳しく説明されている。
C=Iavg÷(Vdd×f) (式4)
ここで、Iavgは、VddからVss(グランド)に流れる電流であり、Vddは、供給電圧であり、fは、パルスの周波数である。Iavgは、Vddに直列に接続された電流メータを用いて測定することができる。
容量C1を決定するために、GS1が選択され(Vddに接続される)、一方、GS2、GS3、GS4は非選択される(Vss(グランド)に接続される)。これにより、フィンガー401が、CBCM回路451と電気的に接続される。そして、電流Iavgを測定し、(式4)を用いることによって、容量C1が決定される。
容量C2を決定するために、GS3が選択され、GS1、GS2及びGS4が非選択される。これにより、フィンガー402が、CBCM回路451に電気的に接続される。そして、電流Iavgを測定し、(式4)を用いることによって、容量C2が決定される。
容量C3を決定するために、GS1とGS3が選択され、GS2とGS4が非選択される。これにより、フィンガー401と402が、CBCM回路451に電気的に接続される。そして、電流Iavgを測定し、(式4)を用いることによって、容量C3が決定される。
容量C4を決定するために、GS2が選択され、GS1、GS3及びGS4が非選択される。これにより、上部プレート403がCBCM回路451に電気的に接続される。そして、電流Iavgを測定し、(式4)を用いることによって、容量C4が決定される。
容量C5を決定するために、GS1とGS3が選択され、GS3とGS4が非選択される。これにより、フィンガー401と上部プレート403がCBCM回路451に電気的に接続される。そして、電流Iavgを測定し、(式4)を用いることによって、容量C5が決定される。
容量C6を決定するために、GS4が選択され、GS1、GS2及びGS3が非選択される。これにより、底部プレート404がCBCM回路451に電気的に接続される。そして、電流Iavgを測定し、(式4)を用いることによって、容量C6が決定される。
容量C7を決定するために、GS1とGS4が選択され、GS2とGS3が非選択される。これにより、フィンガー401と底部プレート404がCBCM回路451に電気的に接続される。そして、電流Iavgを測定し、(式4)を用いることによって、容量C7が決定される。
Coupling Capacitance In An IC Chip”という名称を有し、N.D.Aroraに特許された、米国特許第5999010号に開示されている技術を用いることができる。米国特許第5999010号は、その全てを参照として組み入れられている。
初期結合容量は、図1のステップ120として示されている、初期プロセスパラメータをフィールドソルバ(あるいは、初期プロセスパラメータから結合容量を決定可能な他の数学的ツール)に入力することによって計算される。
初期プロセスパラメータは、集積回路設計者が集積回路を生成する時に用いたパラメータである。前述したように、初期プロセスパラメータは、典型的には、相互接続の厚さと相互接続の幅を含んでいる。
フィールドソルバが初期結合容量を計算した後、初期結合容量は、図1のステップ130〜135に示されているように、測定された結合容量と比較される。
初期結合容量と測定された結合容量との差が十分に小さい(すなわち、収束が発生している)場合には、システムは、物理的な(実際の)プロセスパラメータが初期プロセスパラメータと等しいことを決定する。したがって、システムは、最終プロセスパラメータを出力する。一方、初期結合容量と測定された結合容量との間の差が十分に小さくない場合には、システムは、正確な最終プロセスパラメータを得るためにオプティマイザ(最適化手段)を用いる。図1のステップ145〜165を参照。
各繰り返しの期間中、修正されたプロセスパラメータは、フィールドソルバに入力される。フィールドソルバは、修正された結合容量を計算する。そして、修正された修正容量は、測定された結合容量と比較される。
オプティマイザは、修正された結合容量と測定された結合容量との間の差が、繰り返しの間で増加しているか減少しているかを認識する。
結果的に、物理的な(実際の)プロセスパラメータと実質的に等しい、修正されたプロセスパラメータが、この処理によって得られる。そして、これらのパラメータは、最終プロセスパラメータとして出力される。
Cc∝T/S;
Ci∝Wi/Hi;i=t,b
金属ピッチ(Wi+Si)と積み重ね高さ(Ht+T+Hb)が一定であると仮定すると、グラディエント(変化率)は以下のように算出される。
dT=
[(1−Cc−C0)(4W−2C0H)dCc−2Cc(CcW+H−2CcC0H)dCc]
÷(2−CcC0)2
dWi=
[−(2CiW+CiC0H−2CiC0CcW)dCc−
CiCc(H−CcW)dCc+(2−CcC0)(H−CcW)dCi]
÷(2−CcC0)2
ここで、[C0=(Ct+Cb)÷2]、[W=Wi+Si]、[H=Ht+T+Hb]である。
金属ピッチWは、設計ピッチと等しいと仮定されている。しかしながら、CMP(化学機械研磨機)のディッシング(平坦性)のために、全体の高さHは、設計積み重ね高さより大きく、△Hだけ補償される。これは、上部及び底部プレートの結合容量の値とフィールドソルバから決定可能である。
ここに開示されている実施の形態は、多くの利点を提供する。第1及び主要なものは、台形形状を有する銅の相互接続のような、非理想形状を有する相互接続が、ウェーハーを破壊することなく、簡単に、抵コストで比較的速くプロファイル可能である。得られる相互接続プロセスパラメータは、上部面及び底部面双方における金属線の厚さだけでなく、金属線の幅を含んでいる。また、相互接続システムのILDの厚さを決定することができる。初期プロセスパラメータと実際のプロセスパラメータとの間の不一致を知ることによって、寄生抽出あるいは回路遅延シミュレーションは、より正確に実行され、また、集積回路の性能は、より小さな設計保護マージンで高められることができる。他の利点は、通常の検査装置のみが測定を行うために必要とされることである。
以上のように、本明細書に開示されている実施の形態は、特別の実施の形態を参照にして説明されている。しかしながら、種々の修正及び変更が、開示されているより広い精神及び概念から逸脱しない範囲内で可能である。例えば、読者は、ここに開示されている処理フロー図に示されている処理動作の特別な順序及び組み合わせは単に例示であり、本発明は、異なるあるいは追加の処理動作、または、処理動作の異なる組み合わせあるいは順序を用いて実行可能であることを理解する。したがって、明細書及び図面は、制限的な意味よりも例示的な意味において眺められるべきであり、また、本発明は、添付の請求の範囲及びその法律上の均等の範囲に対応する部分を除いて限定あるいは制限されるべきでない。当業者は、幅広い様々のテストストラクチャが使用可能であり、フィールドソルバに代わる異なる数学技術、異なる受動及び能動技術が、結合容量を測定するために使用可能であり、また、異なる最適化方法が、最終プロセスパラメータを決定するために使用可能であることを認識する。また、当業者は、ここに開示されている実施の形態は、底部面の幅よりも小さい上部面の幅を有する相互接続を含む、非理想形状を有する相互接続を測定するために使用可能であることを認識する。最後に、ここに開示されている測定技術は、あらゆる伝導材料によって構成されている相互接続に適用することができる。
Claims (30)
- 集積回路の相互接続のプロセスパラメータを決定する方法であって、
テストストラクチャと関連する結合容量の第1のセットを決定すること、
テストストラクチャと関連する結合容量の第2のセットを計算すること、
結合容量の第1のセットと結合容量の第2のセットを用いて集積回路のプロセスパラメータを決定すること、
により構成されている。 - 請求項1の方法であって、テストストラクチャと関連する結合容量の第1のセットの決定は、
第1のプレートと第1の伝導体あるいは第2の伝導体との間の第1の容量を決定すること、
第2のプレートと第1あるいは第2の伝導体との間の第2の容量を決定すること、
により構成されている。 - 請求項1の方法であって、テストストラクチャと関連する結合容量の第2のセットの算出は、
初期プロセスパラメータをフィールドソルバに入力すること、
フィールドソルバを用いて結合容量の第2のセットを計算すること、
により構成されている。 - 請求項1の方法であって、結合容量の第1のセットと結合容量の第2のセットを用いる、集積回路のプロセスパラメータの決定は、
結合容量の第1のセットと結合容量の第2のセットを比較すること、
結合容量の第1のセットと結合容量の第2のセットとの間の差が設定値以下の時に、物理的なプロセスパラメータが初期プロセスパラメータと等しいことを決定すること、
により構成されている。 - 請求項1の方法であって、結合容量の第1のセットと結合容量の第2のセットを用いる、集積回路のプロセスパラメータの決定は、
結合容量の第1のセットと結合容量の第2のセットと比較すること、
結合容量の第1のセットと結合容量の第2のセットとの間の差が設定値以上の時に、修正されたプロセスパラメータを生成すること、
により構成されている。 - 請求項1の方法であって、テストストラクチャと関連する結合容量の第1のセットの決定は、
第1のプレートと第1の伝導体あるいは第2の伝導体との間の第1の容量を決定すること、
第2のプレートと第1の伝導体あるいは第2の伝導体との間の第2の容量を決定すること、
第1の伝導体と第2の伝導体との間の第3の容量を決定すること、
により構成されている。 - 請求項6の方法であって、第1のプレート、第2のプレート、第1の伝導体及び第2の伝導体は、銅により形成されている。
- 請求項1の方法であって、テストストラクチャは、銅により形成されている。
- 請求項1の方法であって、テストストラクチャは、チャージベース容量測定(CBCM)回路と電気的に接続されている。
- 請求項1の方法であって、テストストラクチャの断面は、非長方形である。
- 集積回路内のテストストラクチャの結合容量を決定する方法であって、テストストラクチャは、第1のプレート、第2のプレート、第1のプレートと第2のプレートの間に設けられている第1の伝導体、第1のプレートと第2のプレートとの間に設けられている第2の伝導体を備えており、
第1のプレートと第1の伝導体あるいは第2の伝導体との間の第1の容量を決定すること、
第2のプレートと第1あるいは第2の伝導体との間の第2の容量を決定すること、
第1の伝導体と第2の伝導体との間の第3の容量を決定すること、
により構成されている。 - 請求項11の方法であって、第1のプレート、第1の伝導体、第2の伝導体及び第2のプレートは、銅により形成されている。
- 請求項11の方法であって、第1の伝導体と第2の伝導体の形状は、対称である。
- 請求項11の方法であって、第1の伝導体と第2の伝導体の双方は、櫛形状を有している。
- 請求項11の方法であって、第1の伝導体と第2の伝導体の双方は、迷路形状を有している。
- 請求項11の方法であって、第1の伝導体と第2の伝導体の双方は、蛇行形状を有している。
- 請求項11の方法であって、第1のプレートと第2のプレートの双方は、固定プレートである。
- 請求項11の方法であって、第1のプレートと第2のプレートの双方は、スロットが形成されたプレートである。
- 請求項11の方法であって、第1のプレートは、第1の検査パッドに電気的に接続され、第1の伝導体は、第2の検査パッドに電気的に接続され、第2の伝導体は、第3の検査パッドに電気的に接続され、第2のプレートは、第4の検査パッドに電気的に接続されている。
- 請求項11の方法であって、第1のプレートは、第1のマルチプレクサに電気的に接続され、第1の伝導体は、第2のマルチプレクサに電気的に接続され、第2の伝導体は、第3のマルチプレクサに電気的に接続され、第2のプレートは、第4のマルチプレクサに電気的に接続され、第1のプレート、第1のマルチプレクサ、第1の伝導体、第2のマルチプレクサ、第2の伝導体、第3のマルチプレクサ、第2のプレート及び第4のマルチプレクサは、1つの集積回路内に含まれている。
- 請求項11の方法であって、第1の伝導体の断面は、非長方形であり、第2の伝導体の断面は、非長方形である。
- 少なくとも1つのテストストラクチャを含む集積回路であって、テストストラクチャは、
第1の伝導プレートと、
第2の伝導プレートと、
第1の伝導プレートと第2の伝導プレートとの間に設けられている第1の伝導体と、
第1の伝導プレートと第2の伝導プレートとの間に設けられている第2の伝導体と、
第1の伝導プレート、第2の伝導プレート、第1の伝導体及び第2の伝導体に電気的に接続されている電流測定回路、
を備えている。 - 請求項22の集積回路であって、第1の伝導プレート、第1の伝導体、第2の伝導体及び第2の伝導プレートは、銅により形成されている。
- 請求項22の集積回路であって、第1の伝導体と第2の伝導体の形状は、対称である。
- 請求項22の集積回路であって、第1の伝導体と第2の伝導体の双方は、櫛形状を有している。
- 請求項22の集積回路であって、第1の伝導体と第2の伝導体の双方は、迷路形状を有している。
- 請求項22の集積回路であって、第1の伝導体と第2の伝導体の双方は、蛇行形状を有している。
- 請求項22の集積回路であって、第1の伝導プレートと第2の伝導プレートの双方は、固体プレートである。
- 請求項22の集積回路であって、第1の伝導プレートと第2の伝導プレートの双方は、スロットが形成されたプレートである。
- 請求項22の集積回路であって、第1の伝導体の断面は非長方形であり、第2の伝導体の断面は非長方形である。
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