在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的黃金時代,，當(dāng)戈登·摩爾還在為自己的公司制定路線圖時，平面尺寸的縮小就帶來了功耗,、性能和面積/成本的同步進(jìn)步（PPAC）,。但隨著時間的推移,，登納德平面尺寸縮小定律對功耗的幫助受阻,，而材料工程開始應(yīng)用于半導(dǎo)體制造,，以促進(jìn)功耗,、性能和面積/成本的持續(xù)提高,。其中,，高K值金屬柵極就是一個最有力的例證。

　　目前,，工程師們普遍承認(rèn)這種矛盾：設(shè)計工程師對功耗和性能進(jìn)行優(yōu)化,，而工藝工程師則進(jìn)行積極的2D尺寸縮小來減少面積和成本。無論邏輯還是存儲器,，尤其是當(dāng)業(yè)界生產(chǎn)圖形縮小至8nm 以下時,，設(shè)計的進(jìn)步?jīng)]有與工藝創(chuàng)新有機地結(jié)合。盡管節(jié)點命名尺寸在縮小,，但特征尺寸的縮小速度卻不及以往,。此外,，我們也看到成本降低的速度在急劇放緩（見圖1）。

　　圖1：芯片設(shè)計的復(fù)雜性導(dǎo)致特征尺寸縮小放緩和成本上升

　　為什么尺寸縮小并沒按應(yīng)有的速度不斷進(jìn)步呢,？為什么高端硅成本依然如此昂貴,？答案就在于芯片設(shè)計的復(fù)雜性--如今的芯片設(shè)計層數(shù)繁多，各層之間還必須無縫連接,。

　　以DRAM為例,。一個DRAM器件大約有7個關(guān)鍵圖形層，每層各不相同（見圖2）,。除了淺溝槽隔離（STI）層,、電容、位線和字線的物理結(jié)構(gòu)不同,，還有些層的長寬比很高,，這使得上一層與下一層對準(zhǔn)的難度越來越大。這些不同特征圖形必須要完好地成像并對準(zhǔn)才能確保器件的正常工作,。然而,，這些截然不同的圖形層的同時縮小，給工藝的實現(xiàn)帶來了更大的復(fù)雜性,。一旦工藝不能滿足要求,，圖形邊緣平整性誤差（EPE）會增加電阻、降低性能,，最終導(dǎo)致良率損失和器件故障,。

　　圖2： DRAM各自不同的器件層中生成對圖形縮小和對準(zhǔn)的挑戰(zhàn)

　　因此，在路線圖受阻下,，我們需要一個“新戰(zhàn)略”來改善芯片性能,、功率、面積成本以及產(chǎn)品走向市場的時間（PPACt）,。“新戰(zhàn)略”包括：

　　·新的計算架構(gòu)

　　·芯片上新器件和3D結(jié)構(gòu)

　　·新型材料

　　·持續(xù)2D尺寸縮小的新方法（本博客主題）

　   ·異構(gòu)設(shè)計和先進(jìn)封裝

　　從設(shè)備的角度來看,，我們需要做的不僅僅是引進(jìn)新的薄膜或改進(jìn)刻蝕之類的單項工藝,。我們還需要全盤綜合考慮，并根據(jù)每個器件需求開發(fā)出相應(yīng)的配套技術(shù),。

　　這種從單項工藝到材料集成解決方案的演進(jìn)也可以幫助客戶削減工藝步驟,、減少研發(fā)成本和時間，最終加快產(chǎn)品上市的速度,。以下是我在今年早些時候召開的SPIE高級光刻會議上發(fā)布的三項創(chuàng)新技術(shù),，這些技術(shù)展示了如何通過使用先進(jìn)圖形成像的整體方法讓芯片制造商在多方面受益。

　　直角側(cè)壁掩膜技術(shù)

　　直角側(cè)壁掩膜技術(shù)是對兩次自對準(zhǔn)圖形成像（SADP）和四次自對準(zhǔn)圖形成像（SAQP）的應(yīng)用,。側(cè)壁沉積和側(cè)壁刻蝕很挑戰(zhàn),，原因之一就是所用的材料相對柔軟,，頂部和底部易弧化（不易形成直角）。這會導(dǎo)致不均勻性和間距漂移,，進(jìn)而造成光刻套準(zhǔn)誤差和垂直偏差EPE--在更小的工藝節(jié)點上,，這類波動問題會更為嚴(yán)重。

　　芯片制造商通常會通過增加額外的工藝步驟來解決波動問題,，這也將增加成本和復(fù)雜性,。此外，盡管額外的硬掩?？涛g和核心掩膜刻蝕工藝可減少來自第一次側(cè)壁刻蝕的波動性,，但也會降低設(shè)計人員想要的關(guān)鍵尺寸（CD）的實現(xiàn)。換言之,，解決EPE的工藝步驟同時伴隨著性能的妥協(xié),，會降低對設(shè)計結(jié)果的控制水平。

　　應(yīng)用材料公司開發(fā)的一項新工藝就能夠優(yōu)化側(cè)壁材料,，使其能更適應(yīng)刻蝕工藝,，從而實現(xiàn)更好的對準(zhǔn)效果（見圖3）。這項工藝首先使用CVD工藝以類似ALD的精度沉積非晶硅,，然后用我們的Centris? Sym3?刻蝕系統(tǒng)進(jìn)行圖形成像,，和VeritySEM?系統(tǒng)測量。我們提供的解決方案能讓芯片制造商在使用傳統(tǒng)的工藝步驟的同時,，還能保持圖形成像的保真度,，通過去除不必要的沉積和刻蝕步驟將SAQP步驟數(shù)從15個縮減至11個。整體有助于客戶用更經(jīng)濟高效的方式實現(xiàn)圖形尺寸減小,。

　　圖3：與傳統(tǒng)工藝相比,，應(yīng)用材料公司獨特的側(cè)壁材料能實現(xiàn)更好的均勻性和對準(zhǔn)效果

　　橫向刻蝕技術(shù)

　　應(yīng)用材料公司開發(fā)的另一項獨特技術(shù)被稱為橫向刻蝕。在使用傳統(tǒng)的光刻和刻蝕工藝的時候,，設(shè)計人員只能以有限的緊密度將各種特征結(jié)合在一起,。這在水平方向上稱為最小線空距，在垂直方向上稱為頂?shù)缀穸?。?dāng)使用EUV時,，目前最小線空距約為36nm，而頂?shù)缀穸燃s為40nm,。如果這些線空距對設(shè)計方案而言尺寸太大,，芯片制造商就不得不投資額外的圖形成像步驟--要么是增加掩模切斷或選擇性掩模，要么增加EUV光刻-刻蝕步驟,。而唯一的替代方案是繼續(xù)使用較大的芯片面積,，但這會增加芯片面積/成本比。

　　刻蝕歷來是自上而下進(jìn)行的。但應(yīng)用材料公司開發(fā)了一項創(chuàng)新型的橫向刻蝕技術(shù),，它能夠進(jìn)行45度角的刻蝕,，為設(shè)計人員帶來了新的自由度（見圖4）。通過控制刻蝕方向,，我們就能在保持縱向掩膜厚度下,，橫向收縮CD。事實證明,，我們已能實現(xiàn)橫向CD獨立縮小下縱向膜厚約20nm,。

　　圖4：應(yīng)用材料公司的創(chuàng)新型橫向刻蝕技術(shù)可將EUV掩模數(shù)減少50%甚至更多

　　橫向刻蝕可以讓設(shè)計人員減少工藝步驟，讓各項特征結(jié)合更緊密,，從而增加面積密度,，惠及更多器件的應(yīng)用。我們將這一工藝與我們的Producer? Precision? CVD碳和硅硬掩模,、Sym3 刻蝕以及PROVision?電子束測量和缺陷控制進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化,，以實現(xiàn)先進(jìn)圖形成像解決方案，使設(shè)計人員有機會將EUV掩模數(shù)減少50%甚至更多,。

　　選擇性工藝技術(shù)

　　我們在SPIE高級光刻會議上發(fā)布的第三項技術(shù)是一種選擇性材料沉積工藝,。該工藝可解決EPE的問題，通過控制不同器件層之間的位錯來改善圖形縮小效果,。與傳統(tǒng)沉積不同,，選擇性加工（沉積/刻蝕）工藝用于消除EPE，從而設(shè)計規(guī)則上尺寸得到減少并降低掩模數(shù),。

　　要使選擇性沉積有效減少EPE,，有兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)必須設(shè)法克服。第一,，晶圓表面必須足夠清潔,，以便實現(xiàn)所需材料（而非其他材料）上進(jìn)行選擇性沉積。晶圓上的任何缺陷都會損害選擇性,。第二個挑戰(zhàn),，是有效地控制選擇性沉積的材料，這種材料不僅會垂直生長,，而且還會水平生長,。由于上述挑戰(zhàn)，大多數(shù)選擇性沉積僅限于在很薄的層上進(jìn)行,。

　　應(yīng)用材料公司利用Endura沉積平臺、Producer Selectra選擇性刻蝕技術(shù)以及PROVision?電子束測量和缺陷檢測技術(shù)開發(fā)出了一項協(xié)同優(yōu)化的選擇性加工解決方案,。我們已經(jīng)在圖5所示的通孔工藝流程中演示了這一工藝,。我們首先從金屬層開始，進(jìn)行材料選擇性生長,；隨后進(jìn)行填充和平坦化,；接下來進(jìn)行氮化鈦（TiN）硬掩模傳統(tǒng)工藝處理,，通孔光刻膠層積；然后繼續(xù)通孔光刻,，再轉(zhuǎn)入刻蝕,。當(dāng)我們在一個方向上進(jìn)行刻蝕時，它對定義溝槽的TiN起到掩膜作用,。我們新開發(fā)的材料具有刻蝕高選擇,。這意味著通孔會被完美刻蝕成一個矩形，該矩形定義了兩個金屬層彼此交錯的位置,。這種技術(shù)通過最大限度地擴大通孔尺寸來消除EPE,，也消除了與互連尺寸減小相關(guān)的問題。

　　圖5：視頻顯示了結(jié)合Applied材料工程能力的通孔流程,，目的是減少掩模數(shù)并改善EPE,。

　　如果設(shè)計人員通孔版圖比光刻的最低分辨率高，他們就必須采用多次光刻-刻蝕的通孔工藝,。使用我們的新工藝,，客戶可以定義一個較大的通孔，并僅在兩個金屬層之間的交叉處建立通孔,。這樣,，我們就能將底部和頂部器件層完美對準(zhǔn)，從而節(jié)省工藝步驟,，并實現(xiàn)大工藝寬容度低阻抗通孔（見圖6）,。

　　VLSIresearch董事長兼首席執(zhí)行官Dan Hutcheson表示：“真正的創(chuàng)新之處在于，與傳統(tǒng)的多重圖形成像多次圖像合成切割掩模方法相比,，應(yīng)用材料公司能夠建立新的通孔工藝,，從而減少EPE引起的良率損失并降低成本，同時還能因單通孔節(jié)約0.7納米,。除了提高良率外,，減少EPE還能增加每片晶圓的收入，因為芯片的可靠性和性能均有提升,，芯片功耗卻更低,。”

圖6：與傳統(tǒng)工藝相比,，具有完全選擇性的自對準(zhǔn)加工可降低電阻,、增加良率并減少掩模數(shù)

　　總而言之，這一“新戰(zhàn)略”為我們帶來了加快推進(jìn)行業(yè)路線圖的新工具,，包括從全局角度應(yīng)對尺寸減小的挑戰(zhàn),，以求同時解決PPACt的各項問題。通過協(xié)同優(yōu)化應(yīng)用材料公司廣泛的技術(shù)，我們可以提供新的材料來實現(xiàn)新的圖形尺寸減小,，讓經(jīng)濟高效的縮放能夠在不影響設(shè)計的前提下繼續(xù)推進(jìn),。歡迎步入材料化圖形成像時代！

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