32nm節(jié)點的PVD設備暗戰(zhàn)？

　　半導體產業(yè)的低谷擋不住技術前進的腳步。近期兩大設備廠商Applied Materials和Novellus相繼推出了新型PVD機臺，目標均鎖定為32nm及更小的技術節(jié)點。

　　5月28日，設備巨頭Novellus宣布開發(fā)出HCM(中空陰極磁電管)PVD技術，稱為IONX XL。該機臺可滿足3Xnm技術節(jié)點的薄阻擋層淀積，主要的服務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構，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、側壁薄的情況。這樣典型的形貌最終將導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線占整個導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體，因此阻擋層的厚度嚴重影響了銅導線的有效阻值。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，另一主要半導體設備商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在銅互連工藝領域近10年的經驗，在臺階覆蓋性及晶籽層的完整性方面性能良好，比同類設備的成本降低了近40%。

　　對于先進技術節(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設備廠商如此密集的推出先進技術節(jié)點的PVD設備，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，關于銅互連工藝的一大熱點就是PVD與ALD之爭。PVD工藝已經發(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構上淀積銅時出現(xiàn)頂部突懸結構，防止產生孔洞。但是它又不能太薄，否則將失去對銅擴散的有效阻擋能力，會面臨電遷移的風險。使用ALD技術能夠在高深寬比結構薄膜沉積時具有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)基礎上升級獲得的。從長遠來說，技術和可靠性的焦點在于，既要有低成本的系統(tǒng)服務，也要減少先進器件的制造成本。設備制造商需要擴展其現(xiàn)有設備的生產能力和設備的使用壽命，使設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和生產力兩方面的需求。隨著最前沿技術的應用，可以使制造商能夠生產更具有附加價值的個性化的產品，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備商和芯片制造商來說應該是一種雙贏的局面。