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图形化

图形化是微缩的基础;这项技术将晶体管的尺寸缩小到现今的大小,使现代的电子设备越来越实惠。因此,图形化也是半导体制造技术不断进步的驱动力。

1975 年,英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon E. Moore)注意到,自 1958 年集成电路发明以来,电路中的器件数量每年都成倍增长。他推论未来几十年这个趋势仍将持续。半导体行业以他的预测作为“路线图”,不断研发以进行大规模量产;这个预测至今仍然适用,很大程度上要归功于图形化技术。图形化技术使制造商能够逐步缩小电路及其元件的关键尺寸,进而提升晶圆每单位面积所提供的功能。
 
图形化使用光刻法和光学掩膜工艺来刻印图形,在器件制造工艺的特定工序,引导完成晶圆表面的材料沉积或清除。对于器件的每一层,在掩膜未覆盖的区域沉积或清除材料,然后使用新的掩膜来处理下一层。按照这种方式来重复处理晶圆,由此生成多层电路。
 
近几年来,市场对电子设备的性能需求不断增长,促使芯片制造商不断在晶圆中封装更多的晶体管,以提升器件性能。也就是说,晶体管和互连线的图形化尺寸一直在不断缩小。随着尺寸的缩小,每个晶圆上能够制造出的电路数量更多,使得电路更加便宜,同时晶体管速度也更快、功耗更低。随着每个晶体管成本下降,制造商现在能以更优化的成本制造功能更强大的芯片,使最终的电子产品更加经济实惠;成本持续下降稳定推动了市场对手机、平板电脑、上网本、视频游戏和 3D 电视等产品的需求,并使这些产品日趋先进。
 
为了支持晶圆特征尺寸的不断缩减,光刻技术本身要不断演进。深紫外线光刻波长已从 248 纳米缩短到 193 纳米,而且随着工艺节点继续微缩到 45 纳米及更小尺寸,浸没式光刻取代“干法”光刻,将分辨率提升 30% 至 40%,而且能够以工艺波长几分之一的尺寸进行图形化。如今,已采用双重和四重图形化这类技术增加浸没式光刻的分辨率。双重图形化技术使器件微缩至 22 纳米;四重图形化则将实现 10 纳米特征结构。
 

应用材料公司在其中发挥什么作用?

身为半导体设备制造领域的领导者,应用材料公司有能力将图形转印成器件结构。利用我们的系统,客户能够刻蚀制造在光刻工艺中使用的掩膜;通过图形引导在晶圆表面完成沉积、刻蚀和相关工艺;检查掩膜和晶圆,以确保高品质的图形化和相应的晶圆性能。我们的系统和工艺逐步发展演进,可解决图形尺寸缩小带来的诸多挑战。
 
 
随着图形越变越小,掩膜也变得更加复杂,以确保图形能精确转印,而且图形的刻蚀技术也相应变得更加先进。掩膜的缺陷验证是必备环节,以避免将掩膜的缺陷复制到晶圆上,从而造成废品损失;特别是高收益芯片,造成的损失更大。随着特征尺寸缩小和深宽比(直径与深度的比率)加大,晶圆表面工艺所要满足的规格越来越具有挑战性。优化最终器件性能,需要刻蚀工艺能够在各类薄膜上生成准确的形貌、均匀的特征宽度和间距(即关键尺寸 CD 均匀度)和平滑的边缘(即线条边缘粗糙度 (LER))。这种性能必须能在整个晶圆上严格精密度地复制,且同时能在数千个晶圆上重复进行。对于 20 个原子宽度、40 个原子间距的器件特征(如同 14 纳米节点的情况),满足这些要求需要无比的精密度和重复性控制。随着晶体管在未来几年转向三维设计,刻蚀工艺将面临同步进行多重深度刻蚀及其他复杂度的新要求。
 
为了达到这种刻蚀精度,光刻胶和硬掩膜材料不断演进,以提升分辨率,并提供所需的耐变性,从而能够改进选择比、形貌控制和线条边缘粗糙度,实现先进图形化。十年前较大尺寸几何结构使用的较厚有机聚合物光刻胶层(约 500 纳米),已逐渐被更结实的多层光刻胶所取代,因为光刻胶总厚度可减少 50%;而 193 纳米光刻中使用的新光刻胶成型较为脆弱,在等离子作用下更容易退化和变形。边缘清晰度的损失,使得难以实现更高的特征密度和完整性,这个问题可以通过有机和金属硬掩膜来解决。在这其中,应用材料公司开创了突破性的无定形碳硬掩膜技术。此先进图形化薄膜 (APF) 系列比光刻胶更坚固且具有粘性,在业界广泛用于小尺寸特征和高深宽比结构。该系列薄膜具有高刻蚀选择比、优异的 CD 控制以及轻微的线条边缘粗糙度等特性,促使应用材料公司开发出了自对准双重图形化工序。充构成电路的通孔和沟槽,其填充工艺也要不断演进,以实现无缺陷沉积,此处面临的挑战是,需要沉积薄膜的孔口尺寸不断缩小,同时深宽比不断增加。为应对此状况,化学气相沉积技术逐步向提高薄膜沉积共形性方向发展。采用溅镀方式沉积材料的物理气相沉积技术在不断改进,以达到所需的通孔侧面和底部覆盖率,通过采用热处理工艺,该技术可扩展应用到 10 纳米节点。
 
除了形成这些微观的特征,应用材料公司的工艺还可以保持其物理完整性。其中一些工艺可恢复和强化在器件制造过程中被前面工序削弱的晶格结构。还有一些工艺(例如,氧化去除)能确保特征表面洁净,以为后续工序做好准备。
 
应用材料公司的检测和分析系统,可对工艺品质进行监控。随着图形化和几何结构线宽的缩小,在早期技术节点不构成问题的瑕疵,现在已成为“致命”的缺陷,或影响成品率的主要因素。应用材料公司已逐步提升其检测系统的分辨率和成像能力,实现多维成像并能在各种光线条件下工作。这些系统可嵌入到晶圆工艺中,在器件制造工序中进行多次晶圆检查,检测和分析可能由工艺或其他来源造成的缺陷。这些系统有助于修正工艺条件或设备,以尽量减少此类缺陷的发生,帮助客户达到期望的成品率。