32nm節(jié)點的PVD設(shè)備暗戰(zhàn)？

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的低谷擋不住技術(shù)前進的腳步。近期兩大設(shè)備廠商Applied Materials和Novellus相繼推出了新型PVD機臺，目標(biāo)均鎖定為32nm及更小的技術(shù)節(jié)點。

5月28日，設(shè)備巨頭Novellus宣布開發(fā)出HCM(中空陰極磁電管)PVD技術(shù)，稱為IONX XL。該機臺可滿足3Xnm技術(shù)節(jié)點的薄阻擋層淀積，主要的服務(wù)對象為存儲器制造廠商。由于在3Xnm節(jié)點，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(jié)構(gòu)，這為阻擋層和晶籽層的臺階覆蓋性帶來了挑戰(zhàn)。

由于PVD工藝是通過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)，同時會出現(xiàn)底部厚、側(cè)壁薄的情況。這樣典型的形貌最終將導(dǎo)致開口過小而影響銅的電鍍，無法形成無孔洞的縫隙填充。另外，隨著節(jié)點的減小，阻擋層的橫截面積相對于銅導(dǎo)線占整個導(dǎo)線橫截面積的比例變得越來越大。但是，實際上只有銅才是真正的電流導(dǎo)體，因此阻擋層的厚度嚴重影響了銅導(dǎo)線的有效阻值。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，從而實現(xiàn)較好的臺階覆蓋性(圖1)。除此之外，通過減少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沒有出現(xiàn)突懸

無獨有偶，5月31日，另一主要半導(dǎo)體設(shè)備商Applied Materials宣布推出Applied Endura? CuBS RFX PVD(圖1)系統(tǒng)，主要用于32nm和22nm節(jié)點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Applied 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，比同類設(shè)備的成本降低了近40%。

對于先進技術(shù)節(jié)點的銅互連來說，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，因為正是它們起著防止銅擴散的作用，并為隨后的體銅淀積做好準(zhǔn)備。CuBS RFX PVD系統(tǒng)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，有助于最終的無孔洞銅淀積。Applied Materials的Endura? CuBS PVD系統(tǒng)于1997年首次面世，目前全球已有近500套設(shè)備銷往主要的芯片制造廠商。

圖2. Applied Endura CuBS RFX PVD系統(tǒng)

此次兩大PVD設(shè)備廠商如此密集的推出先進技術(shù)節(jié)點的PVD設(shè)備，似乎讓人們看到了PVD進一步延伸至22nm的希望，而這也恰恰是芯片制造商最樂于看到的。在后45nm節(jié)點，關(guān)于銅互連工藝的一大熱點就是PVD與ALD之爭。PVD工藝已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，無論是鋁線還是銅線均被廣泛使用，其在產(chǎn)能、耗材成本等方面的優(yōu)勢是ALD工藝無法比擬的。但是，PVD工藝在淀積阻擋層和銅籽晶層時也存在一些問題。首先，銅籽晶層必須足夠薄，這樣才可以避免在高縱寬比結(jié)構(gòu)上淀積銅時出現(xiàn)頂部突懸結(jié)構(gòu)，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，會面臨電遷移的風(fēng)險。使用ALD技術(shù)能夠在高深寬比結(jié)構(gòu)薄膜沉積時具有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ALD目前的缺點是硬件成本高、沉積速度慢、生產(chǎn)效率低。

另外值得注意的一點是，此次推出的兩種PVD系統(tǒng)均是在其原有的機臺系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級獲得的。從長遠來說，技術(shù)和可靠性的焦點在于，既要有低成本的系統(tǒng)服務(wù)，也要減少先進器件的制造成本。設(shè)備制造商需要擴展其現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力和設(shè)備的使用壽命，使設(shè)備可以覆蓋多個工藝發(fā)展階段。平臺的可延伸性要滿足技術(shù)和生產(chǎn)力兩方面的需求。隨著最前沿技術(shù)的應(yīng)用，可以使制造商能夠生產(chǎn)更具有附加價值的個性化的產(chǎn)品，以便在市場上獲得額外的回報。因此，此次PVD機臺在先進節(jié)點的可覆蓋性和平臺的可延伸性對于設(shè)備商和芯片制造商來說應(yīng)該是一種雙贏的局面。