今年10月，三星宣布率先在業(yè)界實現(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30%的芯片尺寸的基礎上，同時實現(xiàn)性能提升27%或高達40%的功耗降低。這是業(yè)界關于下一個工藝節(jié)點的最新消息。在此前后，英特爾、臺積電也宣布了雄心勃勃的發(fā)展計劃，摩爾定律依然腳步堅定地向前推進著。
結(jié)合這一趨勢，應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工藝的半導體設備：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用擴展到下一代器件的Applied Endura@VoltaTMCVD W和Centura@iSprintTM ALD/CVD SSW、以及實現(xiàn)原子級刻蝕精準性的Applied Producer@SelectraTM系統(tǒng)。未來的半導體技術仍將持續(xù)向前發(fā)展，5納米已經(jīng)在人們的討論范圍之內(nèi)，材料工程技術在這個發(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到極致，摩爾定律前進的步伐有所放緩，從以前的18-24個月進步一代，逐漸放慢到36-48個月進步一代，但從技術的角度看，進步步伐并沒有放慢。事實上，對摩爾定律到底還能延續(xù)多長時間的爭論早已有之，但是每次都因為關鍵性技術的變革，推動摩爾定律繼續(xù)向前發(fā)展。
根據(jù)應用材料中國公司首席技術官趙甘鳴的介紹，超級結(jié)技術的發(fā)展推動了90納米工藝的發(fā)展，應力工程技術將90納米推進到45納米節(jié)點，超低K技術推動了45納米至32納米的發(fā)展，而高K金屬柵是28納米的關鍵技術。
目前，半導體技術已經(jīng)進入16/14納米，以至<10納米的時代，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,加總起來導致未來半導體業(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)及多種技術的集成?！壁w甘鳴表示。在16/14納米至7納米區(qū)間，對于設備及工藝需要注意諸多問題，如：一切與界面相關需要精細材料工程的配合，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方法來定義圖形。也就是說，目前的關鍵技術與接觸區(qū)的創(chuàng)新、新型互連材料密切相關。
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定義可實現(xiàn)5納米的工藝技術。屆時產(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，引入新的技術與材料不可避免。
“隨著半導體技術的演進，材料工程將成為未來微縮工藝技術的主要驅(qū)動力量?！壁w甘鳴指出。
應用材料公司密集發(fā)布面向先進工藝設備
針對這一趨勢，在媒體見面會上，應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)點的產(chǎn)品。
根據(jù)應用材料中國公司資深工藝經(jīng)理李文勝的介紹，隨著半導體技術邁入10納米、7納米節(jié)點，半導體器件的結(jié)構(gòu)和缺陷越來越小，普通的光學分辨儀器已無法檢測，多重圖形技術又帶來了大規(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，同時與現(xiàn)有的電子束熱點檢測工具相比，檢測速度提高3倍，可確保在整個產(chǎn)品生產(chǎn)周期中對影響性能和良率的缺陷進行準確的表征、預判和識別。
應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)新進展。在早先的技術節(jié)點中，由于器件尺寸較大，能采用成核及平整化化學氣相沉積CVD)技術進行(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。如何應對接觸通孔體積縮小的挑戰(zhàn)，吳桂龍表示，應用材料公司新推出的Endura@VoltaTM CVD W是10年來首個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，達到15納米臨界尺寸，同時簡化工藝流程，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。
同時采用Applied Centura@iSprintTMALD/CVD進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)域進行特殊的預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。
趙甘鳴還介紹了應用材料公司在刻蝕技術上的進展，可實現(xiàn)原子級的精確刻蝕。隨著先進微型芯片的結(jié)構(gòu)日益復雜，3D邏輯芯片和存儲芯片尺寸持續(xù)縮小，一個重要壁壘是在一個多層結(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材料，對圖案化和3D結(jié)構(gòu)至關重要?！壁w甘鳴表示。SelectraTM系統(tǒng)適用于FinFET、柵繞式(GAA)、3D NAND及DRAM器件，實現(xiàn)FinFET器件的原子級刻蝕精準性，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器件可實現(xiàn)無損傷清除。