從物理化學(xué)電介質(zhì)原子層方面分析制造芯片的難度

1.引言

       我們都知道芯片的制造過程將會面臨很多問題，像我們之前討論過的光刻和掩模版的制作的問題，還有接下來要討論的物理、化學(xué)、材料、電介質(zhì)和原子層的問題。

2. 物理和化學(xué)方面的挑戰(zhàn)

除了光刻方面的挑戰(zhàn)外，精細(xì)的圖案本身對小顆粒的損壞也很敏感，并容易受到結(jié)構(gòu)完整性的困擾。毛細(xì)作用會導(dǎo)致清潔步驟中的圖案塌陷，而曾經(jīng)可以忽略的細(xì)小的缺陷和污染物現(xiàn)在可以立即或在部署后破壞芯片。要以非常小的圖案以高寬比超過10：1的方式沉積膠片，則需要極其保形的工藝才能獲得足夠的覆蓋率。

3. 材料方面

隨著芯片尺寸的縮小，連接芯片上晶體管的導(dǎo)線需要電阻率較低的新型冶金材料，以避免信號延遲并提高可靠性。長期以來，銅一直是互連布線的手選金屬，但是工程師已開始探索電阻較小的材料，例如鈷，鉬和釕，以蕞小的布線尺寸替代銅。這些材料的前體以及用于沉積這些膜的工藝仍不成熟，在準(zhǔn)備進(jìn)行大批量生產(chǎn)之前還需要進(jìn)一步開發(fā)。越來越多的沉積前體是固體，從固態(tài)衍生出氣體的挑戰(zhàn)需要專門的處理和輸送設(shè)備。

圖1  半導(dǎo)體芯片材料

4. 電介質(zhì)

隨著晶體管變得越來越小，柵極絕緣體的厚度也必須縮小，以使足夠的電流密度通過溝道。幾十年來，二氧化硅（SiO 2）是手選的柵極氧化物材料。但是，隨著柵極電介質(zhì)尺寸的減小，它們在厚度小于1.2 nm時變得“漏氣”。電子隧穿導(dǎo)致不可接受的電流泄漏水平，這增加了功耗并降低了可靠性。通過使用具有較高介電常數(shù)的材料，絕緣體的厚度可以增加到足以防止電子隧穿它，并且仍具有足夠的滲透性，以使柵極電場穿透溝道以導(dǎo)通晶體管。解決此難題的方法是用高k材料（例如ha和鋯基氧化物（HfO 2和ZrO 2））代替二氧化硅柵極電介質(zhì)。這些材料在控制泄漏的同時增加了柵極電容。 

圖2  芯片中的電介質(zhì)

5. 原子層工藝

具有高長寬比（HAR）的小幾何形狀如果不被后續(xù)層的沉積所破壞，則需要極端的保形性。原子層沉積（ALD）是實現(xiàn)這種程度的保形性的有效方法。該過程在多個循環(huán)中的每個循環(huán)中都會沉積材料的幾個原子層。這可以實現(xiàn)高水平的控制，并實現(xiàn)近乎完美的膠片保形性。在某些情況下，可以對工藝進(jìn)行設(shè)計，以允許在一種類型的材料上選擇性沉積膜，而不能在另一種材料上選擇性沉積膜，從而實現(xiàn)更大的工藝控制。類似地，去除小型HAR結(jié)構(gòu)上的薄膜通常需要可在原子級尺寸上控制的蝕刻工藝。

圖3  原子層工藝

       以上的幾個因素，不管是物理化學(xué)，還是材料、電介質(zhì)，以及原子層沉積，都將對芯片的質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響，是需要在加工制造的過程中特別注意的問題。