材料工程將成半導(dǎo)體微縮工藝主要驅(qū)動力量

　　今年10月，三星宣布率先在業(yè)界實(shí)現(xiàn)了10納米FinFET工藝的量產(chǎn)。與其上一代14納米FinFET工藝相比，三星10納米工藝可以在減少高達(dá)30%的芯片尺寸的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能提升27%或高達(dá)40%的功耗降低。這是業(yè)界關(guān)于下一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)的最新消息。在此前后，英特爾、臺積電也宣布了雄心勃勃的發(fā)展計(jì)劃，摩爾定律依然腳步堅(jiān)定地向前推進(jìn)著。

　　結(jié)合這一趨勢，應(yīng)用材料公司近日舉辦媒體見面會，一舉向媒體介紹了三款適用于先進(jìn)工藝的半導(dǎo)體設(shè)備：精確到1納米分辯率的Applied PROVisionTM電子束檢視系統(tǒng)、將鎢通孔接觸金屬化應(yīng)用擴(kuò)展到下一代器件的Applied Endura@VoltaTMCVD W和Centura@iSprintTM ALD/CVD SSW、以及實(shí)現(xiàn)原子級刻蝕精準(zhǔn)性的Applied Producer@SelectraTM系統(tǒng)。未來的半導(dǎo)體技術(shù)仍將持續(xù)向前發(fā)展，5納米已經(jīng)在人們的討論范圍之內(nèi)，材料工程技術(shù)在這個(gè)發(fā)展過程中將發(fā)揮越來越重要的作用。

　　10納米及以下工藝，人們面臨新挑戰(zhàn)

　　盡管晶體管的微縮幾乎達(dá)到極致，摩爾定律前進(jìn)的步伐有所放緩，從以前的18-24個(gè)月進(jìn)步一代，逐漸放慢到36-48個(gè)月進(jìn)步一代，但從技術(shù)的角度看，進(jìn)步步伐并沒有放慢。事實(shí)上，對摩爾定律到底還能延續(xù)多長時(shí)間的爭論早已有之，但是每次都因?yàn)殛P(guān)鍵性技術(shù)的變革，推動摩爾定律繼續(xù)向前發(fā)展。

　　根據(jù)應(yīng)用材料中國公司首席技術(shù)官趙甘鳴的介紹，超級結(jié)技術(shù)的發(fā)展推動了90納米工藝的發(fā)展，應(yīng)力工程技術(shù)將90納米推進(jìn)到45納米節(jié)點(diǎn)，超低K技術(shù)推動了45納米至32納米的發(fā)展，而高K金屬柵是28納米的關(guān)鍵技術(shù)。

　　目前，半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入16/14納米，以至<10納米的時(shí)代，新的晶體管型式加上掩膜、圖形、材料、工藝控制及互連等問題,加總起來導(dǎo)致未來半導(dǎo)體業(yè)將面臨許多困難。

　　“考慮到未來器件從芯片尺寸縮小方面會受到限制，必須采用新的材料與新的器件結(jié)構(gòu)及多種技術(shù)的集成?！壁w甘鳴表示。在16/14納米至7納米區(qū)間，對于設(shè)備及工藝需要注意諸多問題，如：一切與界面相關(guān)需要精細(xì)材料工程的配合，薄膜淀積可以采用原子層淀積(ALD)或者選擇性薄膜，甚至與晶格匹配的工藝，采用干法，選擇性去除及直接自對準(zhǔn)方法來定義圖形。也就是說，目前的關(guān)鍵技術(shù)與接觸區(qū)的創(chuàng)新、新型互連材料密切相關(guān)。

　　至于未來，到了5納米以下，人們則需要突破SiGe通道或者柵繞式結(jié)構(gòu)的技術(shù)挑戰(zhàn)。Intel公司提出下一代晶體管結(jié)構(gòu)——納米線FET，一種晶體管的一面讓柵包圍的FinFET，也被稱作為環(huán)柵FET，并己被國際工藝路線圖ITRS定義可實(shí)現(xiàn)5納米的工藝技術(shù)。屆時(shí)產(chǎn)業(yè)界將面臨更多的難題，有物理上的、也有靈敏度上的要求，引入新的技術(shù)與材料不可避免。

　　“隨著半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)，材料工程將成為未來微縮工藝技術(shù)的主要驅(qū)動力量?！壁w甘鳴指出。

　　應(yīng)用材料公司密集發(fā)布面向先進(jìn)工藝設(shè)備

　　針對這一趨勢，在媒體見面會上，應(yīng)用材料公司一舉向媒體介紹了三款面向10納米、7納米工藝節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品。

　　根據(jù)應(yīng)用材料中國公司資深工藝經(jīng)理李文勝的介紹，隨著半導(dǎo)體技術(shù)邁入10納米、7納米節(jié)點(diǎn)，半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和缺陷越來越小，普通的光學(xué)分辨儀器已無法檢測，多重圖形技術(shù)又帶來了大規(guī)模的測量需求，而3D結(jié)構(gòu)卻很難使缺陷被檢測到。為了解決這些問題產(chǎn)業(yè)界開始采用電子束檢測設(shè)備解決這些挑戰(zhàn)。

　　針對這一需求，李文勝表示，新推出的PROVisionTM電子束檢視系統(tǒng)可以提供精確到1納米的分辨率，同時(shí)與現(xiàn)有的電子束熱點(diǎn)檢測工具相比，檢測速度提高3倍，可確保在整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期中對影響性能和良率的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的表征、預(yù)判和識別。

　　應(yīng)用材料中國公司資深工藝工程師吳桂龍介紹了接觸區(qū)的材料工程上的創(chuàng)新進(jìn)展。在早先的技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，由于器件尺寸較大，能采用成核及平整化化學(xué)氣相沉積CVD)技術(shù)進(jìn)行(W)填充。如今，由于插塞處的超小開口很容易發(fā)生懸垂現(xiàn)象，薄膜表面均勻生長的共形階段可能在填充完成前就關(guān)閉或夾斷，從而留下孔洞。即使沒有孔洞，由于填充物從側(cè)壁生長，在共形沉積時(shí)必然會在中間形成中心縫隙問題。

　　在此過程中，接觸區(qū)是晶體管性能提升的重要瓶頸，也是影響良率的主要因素。如何應(yīng)對接觸通孔體積縮小的挑戰(zhàn)，吳桂龍表示，應(yīng)用材料公司新推出的Endura@VoltaTM CVD W是10年來首個(gè)用于鎢填充的新型襯底層，采用鎢填充可將阻擋層和襯墊層合二為一，鎢填充寬度增加三倍，達(dá)到15納米臨界尺寸，同時(shí)簡化工藝流程，有效降低了鎢薄膜的電阻(可使接觸電阻最多降低90%)，提升晶體管性能。

　　同時(shí)采用Applied Centura@iSprintTMALD/CVD進(jìn)行抑制縫隙型鎢填充，可能生成自下而上的填充，而不會產(chǎn)生縫隙和孔洞問題。對成核層的上部區(qū)域進(jìn)行特殊的預(yù)處理可促成鎢自下而上生長，從而盡可能減少因夾斷而造成的孔洞或接觸區(qū)縫隙的產(chǎn)生。

　　趙甘鳴還介紹了應(yīng)用材料公司在刻蝕技術(shù)上的進(jìn)展，可實(shí)現(xiàn)原子級的精確刻蝕。隨著先進(jìn)微型芯片的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，3D邏輯芯片和存儲芯片尺寸持續(xù)縮小，一個(gè)重要壁壘是在一個(gè)多層結(jié)構(gòu)中有選擇地清除某一特定的材料，而不破壞其他材料。

　　“傳統(tǒng)的濕法刻蝕容易破壞高深寬比器件，無法穿透小尺寸器件。傳統(tǒng)的干法刻蝕缺管極端選擇性，且橫向刻蝕控制能力不足。應(yīng)用材料公司新推出的SelectraTM系統(tǒng)能在不損傷其他物質(zhì)的前提下有選擇地清除目標(biāo)材料，對圖案化和3D結(jié)構(gòu)至關(guān)重要?！壁w甘鳴表示。SelectraTM系統(tǒng)適用于FinFET、柵繞式(GAA)、3D NAND及DRAM器件，實(shí)現(xiàn)FinFET器件的原子級刻蝕精準(zhǔn)性，可支持10納米以下的FinFET器件;均勻的側(cè)向刻蝕可適用于3D NAND器件;對DRAM和GAA器件可實(shí)現(xiàn)無損傷清除。