32nm节点的PVD设备暗战？

半导体产业的低谷挡不住技术前进的脚步。近期两大设备厂商Applied Materials和Novellus相继推出了新型PVD机台，目标均锁定为32nm及更小的技术节点。

5月28日，设备巨头Novellus宣布开发出HCM(中空阴极磁电管)PVD技术，称为IONX XL。该机台可满足3Xnm技术节点的薄阻挡层淀积，主要的服务对象为存储器制造厂商。由于在3Xnm节点，存储器的CD相比逻辑器件要小30%，存储器的铜互连中将更多的采用高深宽比的结构，这为阻挡层和晶籽层的台阶覆盖性带来了挑战。

由于PVD工艺是通过轰击靶材而溅射淀积到硅片上的，因此极易形成沟槽顶部的突悬(overhang)，同时会出现底部厚、侧壁薄的情况。这样典型的形貌最终将导致开口过小而影响铜的电镀，无法形成无孔洞的缝隙填充。另外，随着节点的减小，阻挡层的横截面积相对于铜导线占整个导线横截面积的比例变得越来越大。但是，实际上只有铜才是真正的电流导体，因此阻挡层的厚度严重影响了铜导线的有效阻值。这就要求TaN阻挡层非常薄，一般小于120A，对薄膜的一致性和均匀性要求极高。IONX XL通过加大等离子体密度，更有效地控制了到达硅片表面的离子流，从而实现较好的台阶覆盖性(图1)。除此之外，通过减少Ta靶材的使用量，生产成本大大降低。

图1. 采用IONX XL淀积的TaN没有出现突悬

无独有偶，5月31日，另一主要半导体设备商Applied Materials宣布推出Applied Endura? CuBS RFX PVD(图1)系统，主要用于32nm和22nm节点的铜互连阻挡层和晶籽层淀积，适用于逻辑和存储器闪存芯片的制造。该机台基于Applied Materials在铜互连工艺领域近10年的经验，在台阶覆盖性及晶籽层的完整性方面性能良好，比同类设备的成本降低了近40%。

对于先进技术节点的铜互连来说，阻挡层和晶籽层的性能对芯片的速度和可靠性至关重要，因为正是它们起着防止铜扩散的作用，并为随后的体铜淀积做好准备。CuBS RFX PVD系统的核心是其最新的EnCoRe? II RFX铜晶籽层工艺腔，创新的离子流控制改善了台阶覆盖性和形貌，有助于最终的无孔洞铜淀积。Applied Materials的Endura? CuBS PVD系统于1997年首次面世，目前全球已有近500套设备销往主要的芯片制造厂商。

图2. Applied Endura CuBS RFX PVD系统

此次两大PVD设备厂商如此密集的推出先进技术节点的PVD设备，似乎让人们看到了PVD进一步延伸至22nm的希望，而这也恰恰是芯片制造商最乐于看到的。在后45nm节点，关于铜互连工艺的一大热点就是PVD与ALD之争。PVD工艺已经发展的较为成熟，无论是铝线还是铜线均被广泛使用，其在产能、耗材成本等方面的优势是ALD工艺无法比拟的。但是，PVD工艺在淀积阻挡层和铜籽晶层时也存在一些问题。首先，铜籽晶层必须足够薄，这样才可以避免在高纵宽比结构上淀积铜时出现顶部突悬结构，防止产生孔洞。但是它又不能太薄，否则将失去对铜扩散的有效阻挡能力，会面临电迁移的风险。使用ALD技术能够在高深宽比结构薄膜沉积时具有100%台阶覆盖率，对沉积薄膜成份和厚度具有出色的控制能力，能获得纯度很高、质量很好的薄膜。不过ALD目前的缺点是硬件成本高、沉积速度慢、生产效率低。

另外值得注意的一点是，此次推出的两种PVD系统均是在其原有的机台系统基础上升级获得的。从长远来说，技术和可靠性的焦点在于，既要有低成本的系统服务，也要减少先进器件的制造成本。设备制造商需要扩展其现有设备的生产能力和设备的使用寿命，使设备可以覆盖多个工艺发展阶段。平台的可延伸性要满足技术和生产力两方面的需求。随着最前沿技术的应用，可以使制造商能够生产更具有附加价值的个性化的产品，以便在市场上获得额外的回报。因此，此次PVD机台在先进节点的可覆盖性和平台的可延伸性对于设备商和芯片制造商来说应该是一种双赢的局面。