32nm節點(diǎn)的PVD設備暗戰？

　　半導體產(chǎn)業(yè)的低谷擋不住技術(shù)前進(jìn)的腳步。近期兩大設備廠(chǎng)商Applied Materials和Novellus相繼推出了新型PVD機臺，目標均鎖定為32nm及更小的技術(shù)節點(diǎn)。

　　5月28日，設備巨頭Novellus宣布開(kāi)發(fā)出HCM(中空陰極磁電管)PVD技術(shù)，稱(chēng)為IONX XL。該機臺可滿(mǎn)足3Xnm技術(shù)節點(diǎn)的薄阻擋層淀積，主要的服務(wù)對象為存儲器制造廠(chǎng)商。由于在3Xnm節點(diǎn)，存儲器的CD相比邏輯器件要小30%，存儲器的銅互連中將更多的采用高深寬比的結構，這為阻擋層和晶籽層的臺階覆蓋性帶來(lái)了挑戰。

　　由于PVD工藝是通過(guò)轟擊靶材而濺射淀積到硅片上的，因此極易形成溝槽頂部的突懸(overhang)，同時(shí)會(huì )出現底部厚、側壁薄的情況。這樣典型的形貌最終將導致開(kāi)口過(guò)小而影響銅的電鍍，無(wú)法形成無(wú)孔洞的縫隙填充。另外，隨著(zhù)節點(diǎn)的減小，阻擋層的橫截面積相對于銅導線(xiàn)占整個(gè)導線(xiàn)橫截面積的比例變得越來(lái)越大。但是，實(shí)際上只有銅才是真正的電流導體，因此阻擋層的厚度嚴重影響了銅導線(xiàn)的有效阻值。這就要求TaN阻擋層非常薄，一般小于120A，對薄膜的一致性和均勻性要求極高。IONX XL通過(guò)加大等離子體密度，更有效地控制了到達硅片表面的離子流，從而實(shí)現較好的臺階覆蓋性(圖1)。除此之外，通過(guò)減少Ta靶材的使用量，生產(chǎn)成本大大降低。

 

　　圖1. 采用IONX XL淀積的TaN沒(méi)有出現突懸

　　無(wú)獨有偶，5月31日，另一主要半導體設備商Applied Materials宣布推出Applied Endura? CuBS RFX PVD(圖1)系統，主要用于32nm和22nm節點(diǎn)的銅互連阻擋層和晶籽層淀積，適用于邏輯和存儲器閃存芯片的制造。該機臺基于A(yíng)pplied Materials在銅互連工藝領(lǐng)域近10年的經(jīng)驗，在臺階覆蓋性及晶籽層的完整性方面性能良好，比同類(lèi)設備的成本降低了近40%。

　　對于先進(jìn)技術(shù)節點(diǎn)的銅互連來(lái)說(shuō)，阻擋層和晶籽層的性能對芯片的速度和可靠性至關(guān)重要，因為正是它們起著(zhù)防止銅擴散的作用，并為隨后的體銅淀積做好準備。CuBS RFX PVD系統的核心是其最新的EnCoRe? II RFX銅晶籽層工藝腔，創(chuàng )新的離子流控制改善了臺階覆蓋性和形貌，有助于最終的無(wú)孔洞銅淀積。Applied Materials的Endura? CuBS PVD系統于1997年首次面世，目前全球已有近500套設備銷(xiāo)往主要的芯片制造廠(chǎng)商。

 

　　圖2. Applied Endura CuBS RFX PVD系統

　　此次兩大PVD設備廠(chǎng)商如此密集的推出先進(jìn)技術(shù)節點(diǎn)的PVD設備，似乎讓人們看到了PVD進(jìn)一步延伸至22nm的希望，而這也恰恰是芯片制造商最樂(lè )于看到的。在后45nm節點(diǎn)，關(guān)于銅互連工藝的一大熱點(diǎn)就是PVD與ALD之爭。PVD工藝已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，無(wú)論是鋁線(xiàn)還是銅線(xiàn)均被廣泛使用，其在產(chǎn)能、耗材成本等方面的優(yōu)勢是ALD工藝無(wú)法比擬的。但是，PVD工藝在淀積阻擋層和銅籽晶層時(shí)也存在一些問(wèn)題。首先，銅籽晶層必須足夠薄，這樣才可以避免在高縱寬比結構上淀積銅時(shí)出現頂部突懸結構，防止產(chǎn)生孔洞。但是它又不能太薄，否則將失去對銅擴散的有效阻擋能力，會(huì )面臨電遷移的風(fēng)險。使用ALD技術(shù)能夠在高深寬比結構薄膜沉積時(shí)具有100%臺階覆蓋率，對沉積薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，能獲得純度很高、質(zhì)量很好的薄膜。不過(guò)ALD目前的缺點(diǎn)是硬件成本高、沉積速度慢、生產(chǎn)效率低。

　　另外值得注意的一點(diǎn)是，此次推出的兩種PVD系統均是在其原有的機臺系統基礎上升級獲得的。從長(cháng)遠來(lái)說(shuō)，技術(shù)和可靠性的焦點(diǎn)在于，既要有低成本的系統服務(wù)，也要減少先進(jìn)器件的制造成本。設備制造商需要擴展其現有設備的生產(chǎn)能力和設備的使用壽命，使設備可以覆蓋多個(gè)工藝發(fā)展階段。平臺的可延伸性要滿(mǎn)足技術(shù)和生產(chǎn)力兩方面的需求。隨著(zhù)最前沿技術(shù)的應用，可以使制造商能夠生產(chǎn)更具有附加價(jià)值的個(gè)性化的產(chǎn)品，以便在市場(chǎng)上獲得額外的回報。因此，此次PVD機臺在先進(jìn)節點(diǎn)的可覆蓋性和平臺的可延伸性對于設備商和芯片制造商來(lái)說(shuō)應該是一種雙贏(yíng)的局面。