4年前，半導(dǎo)體行業(yè)面臨著一個危機。正當集成電路的設(shè)計標準向0.25微米以下發(fā)展時，業(yè)內(nèi)人士就意識到了在3年或更短的時間內(nèi)，當IC達到0.13微米的時候，將會遇到一個技術(shù)的屏障，如果不能突破的話，會嚴重影響正在改變?nèi)蛏畹男畔r代的發(fā)展速度。
在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)誕生以來的大部分時間里，人們一直采用鋁材料制造集成電路中的微連線或配線。然而在0.13微米的設(shè)計標準中，由鋁微連線制造的器件開始在可靠性方面出現(xiàn)問題。惟一的解決辦法就是犧牲器件的性能。大家都知道，半導(dǎo)體設(shè)計標準不斷變小的目的之一就是提高器件的性能，而鋁線已經(jīng)開始成為技術(shù)革新的絆腳石。盡管數(shù)年前人們就已經(jīng)知道銅材料在導(dǎo)電方面要優(yōu)于鋁，但在將銅應(yīng)用于半導(dǎo)體微連線的制造之前，還需要克服一些技術(shù)性挑戰(zhàn)。
迎接挑戰(zhàn)
IBM最早認識到了這一問題的嚴重性，同時也意識到了開發(fā)出銅淀積工藝的緊迫性。他們最初的嘗試是負銅離子工藝，但此次嘗試證明了銅蝕刻并不是可行的制造方法。緊接著，IBM公司又開發(fā)出了銅/雙Damascene工藝，在理論上實現(xiàn)了采用銅微連線制造芯片。這些芯片在速度、功耗和制造成本等方面顯著優(yōu)越于鋁材料芯片。最令人振奮的是，銅微連線的應(yīng)用重新為更小化的設(shè)計標準開辟了道路。IBM深知成功應(yīng)用雙Damascene工藝的關(guān)鍵之處是要有一個高產(chǎn)能、高可靠性的銅電化淀積系統(tǒng)，于是IBM開始與諾發(fā)公司(Novellus System)，業(yè)界領(lǐng)先的半導(dǎo)體淀積技術(shù)的供應(yīng)商合作。1998年6月，諾發(fā)公司成功地推出了SABRE Electrofill統(tǒng)，業(yè)內(nèi)第一個用于生產(chǎn)銅線芯片的設(shè)備。
在諾發(fā)公司和IBM提出銅/雙Damascene微連線概念時，許多業(yè)內(nèi)人士均對該項新技術(shù)的需求及生存能力產(chǎn)生質(zhì)疑。而過去的4年卻讓他們改變了看法。當銅處理工藝已成為半導(dǎo)體生產(chǎn)的主流時，那些當初對此持懷疑態(tài)度的業(yè)內(nèi)人士卻開始竭盡所能地在銅市場上搶占領(lǐng)地。
消費者受益
銅材料器件迅速得到普及，利用它所開發(fā)的新型便攜式消費電子產(chǎn)品體積變得更小，速度更快，功能更強，同時功耗也更低?；仡櫼幌逻^去4年中發(fā)生在筆記本電腦和手機上的變化：體積、功能及電池壽命的變化就可見一斑。
長期以來，銅/雙Damascene工藝為消費者提供了功能更強大，而價格又合理的電子產(chǎn)品。由于銅在導(dǎo)電方面具備卓越的性能，采用銅微連線的器件在層數(shù)上只需達到采用鋁微連線時的一半就可以實現(xiàn)相同的功能。因此，當銅技術(shù)的雙Damascene工藝日趨成熟達到相當?shù)乃綍r，采用銅微連線的器件將會主宰半導(dǎo)體行業(yè)。據(jù)預(yù)測，到2004年，大多數(shù)邏輯設(shè)備都會采用銅微連線制造。而當銅的成本達到合理的價位時，存儲設(shè)備，諸如DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)，也將會緊隨其后。
開拓市場空間
銅/雙Damascene工藝的普遍采用極大地改變了半導(dǎo)體市場，并為那些生產(chǎn)銅電鍍和絕緣體淀積設(shè)備的公司以及其他半導(dǎo)體設(shè)備公司創(chuàng)造了新的增長機會。隨著銅電鍍技術(shù)日臻完善，雙Damascene工藝為其他技術(shù)提供了新的應(yīng)用。例如，用于消除淀積后剩余銅化學(xué)機械磨平(CMP)，以及用于淀積阻擋層和播種層的物理汽相淀積(PVD)。同時，這一因素也促使一直處于領(lǐng)先地位的鋁工藝去尋找新的市場機會。真正的贏家是那些在半導(dǎo)體制造技術(shù)轉(zhuǎn)變的初期，就抓住了新機會的公司。
自1998年6月以來，諾發(fā)公司就受益于其銅技術(shù)的成功，收入已翻了一倍多。目前制造業(yè)中所使用的大多數(shù)銅電鍍工具均來自于諾發(fā)公司，使得諾發(fā)公司擁有了絕大部分的市場份額。在世界排名前10名的半導(dǎo)體公司中，有9家都采用了諾發(fā)的SABRE系統(tǒng)來制造高級邏輯設(shè)備，包括微處理器和數(shù)字信號處理器(DSP)。
迄今為止，已有超過1500百萬只晶片運行在諾發(fā)公司的SABRE系統(tǒng)上。為了滿足不斷增長的需求，諾發(fā)又增開了制造工廠，專門生產(chǎn)PECVD和制造高級銅雙Damascene結(jié)構(gòu)所需的電鍍填充設(shè)備。當此項技術(shù)成為主流的時候，由于較低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)量所帶來的經(jīng)濟利益，將使得內(nèi)存制造廠商也加入銅微連線的生產(chǎn)行列。
成為主流
顯然，銅微連線的采用對電子行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響，使得業(yè)界得以開發(fā)出功能更強大、更輕便、更便宜的電子產(chǎn)品，而且這些產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)的產(chǎn)量正在不斷攀升。此外，與鋁材料不同，作為導(dǎo)體原材料，銅將在未來的發(fā)展中證明其相當可觀的可擴展性。
目前，從設(shè)計角度來看，最先進的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)該是在0.13微米。德州儀器公司(TI)已經(jīng)開發(fā)出了90納米的工藝。在諾發(fā)公司的客戶整合中心(CIC)里，經(jīng)過研發(fā)人員的努力，用最優(yōu)化的銅淀積工具，成功完成了65納米水平以下的銅電鍍集成，德州儀器公司(TI)和諾發(fā)公司所取得的成果證明了銅微連線在未來幾代工藝發(fā)展中的可擴展性。
每個制造廠都有著獨特的半導(dǎo)體制造工藝，以及優(yōu)化的產(chǎn)品性能，使其保持競爭優(yōu)勢。在意識到了支持客戶個別需求的重要性之后，諾發(fā)公司創(chuàng)建了其客戶整合中心CIC，該中心和客戶以及一些設(shè)備供應(yīng)商一起緊密合作，根據(jù)客戶不同的制造工藝要求解決銅和低K值絕緣體的整合問題，同時力爭每個工藝單元達到完美。這種根據(jù)客戶需求的定制方法為半導(dǎo)體行業(yè)帶來了相當可觀的利潤，它使得每個公司都可以根據(jù)特定的需求優(yōu)化其銅微連線工藝，而不需要僅依賴于一個統(tǒng)一的解決方案。換而言之，諾發(fā)公司提供的銅微連線集成方法使得每個客戶都能保持最佳的競爭優(yōu)勢，并與競爭對手形成區(qū)別。在成功實現(xiàn)了用CIC幫助客戶解決各種銅淀積電化學(xué)問題和缺陷的挑戰(zhàn)之后，諾發(fā)現(xiàn)在正致力于在CIC建設(shè)同樣水平的專門技術(shù)，來解決低K值絕緣材料與銅整合的問題。
在引導(dǎo)半導(dǎo)體行業(yè)進入銅線時代的進程中，諾發(fā)公司扮演了關(guān)鍵的角色，并且這種主導(dǎo)地位使公司在銅電鍍市場上受益非淺。然而，諾發(fā)公司也意識到了銅電鍍技術(shù)僅僅是全部雙Damascene銅微連線技術(shù)的一部分。下一步要做的工作是推出高產(chǎn)出、低K值的絕緣體工藝，以及雙Damas-cene制造所需要的其它補充工藝，并將其成功地與銅電鍍技術(shù)整合。
通過工藝整合優(yōu)化性能
利用雙Damascene銅微連線實現(xiàn)最理想的器件性能關(guān)鍵取決于降低金屬導(dǎo)體的電阻，并減小金屬線之間絕緣體或絕緣材料的電容。它也取決于如何成功地將這些材料整合到產(chǎn)品化的雙Damascene薄膜堆棧中。
從長遠角度來看，盡管這種方法將會比傳統(tǒng)的鋁結(jié)構(gòu)制造成本要低，但開發(fā)起來仍需要面臨挑戰(zhàn)，因為它需要新的工藝(如電化學(xué)淀積)；由此產(chǎn)生的新缺陷也需要去識別、分析并清除；需要采用新型的絕緣材料；需要仔細的將極薄的薄膜堆棧進行整合，以確保最佳的可制造性、器件性能和可靠性等。
另外，雙Damascene需要新的制造工藝。在鋁材料為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)中，通過淀積金屬、腐蝕多余的金屬來形成電路。但在雙Damascene結(jié)構(gòu)中，電路板先被腐蝕成絕緣材料，然后阻隔、播種和銅薄膜被淀積到蝕刻的槽中。多余的材料通過CMP技術(shù)進行處理，表面清理干凈了之后，對下一個導(dǎo)電層重復(fù)上述過程。
要想成功地將這些不同的工藝過程集成到一個芯片中，需要徹底理解每一個工藝的流程以及和其他工藝流程之間的互相作用、相互影響。在各種淀積過程和最后的封裝過程中，器件經(jīng)受著相當程度的機械壓力和熱壓。其中任何一個環(huán)節(jié)引起的損傷都可能破壞器件的絕緣層以導(dǎo)致性能的降低。例如，熱壓就能引起諸如空的淀積銅層或分層(電鍍層之間剝離開)等致命的缺點，這些缺點將會影響器件的可靠性或降低器件的整體性能。
新的低K值絕緣材料也會帶來新的挑戰(zhàn)。用這些材料構(gòu)建的堆棧往往比高K值材料的堆棧更加柔弱。薄膜的K值越低，薄膜就越柔軟，就越難整合在一起。行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一是如何達到薄膜K值與硬度的最佳組合。例如，諾發(fā)公司就曾經(jīng)推出CORAL薄膜系列，從而成功實現(xiàn)了最佳組合，受到業(yè)界的廣泛好評。由于CORAL薄膜優(yōu)秀的合成品質(zhì)，現(xiàn)已被業(yè)界廣泛應(yīng)用。
另外，向蝕刻槽中淀積各種薄膜的電化學(xué)技術(shù)也需要控制。完全整合的失敗，或者形成雙Damascene堆棧的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤都將導(dǎo)致收益的嚴重降低以及引起器件穩(wěn)定性問題。
低K值的挑戰(zhàn)
當業(yè)內(nèi)意識到銅微連線的性能必須進行優(yōu)化，并需要一個可行的低K值絕緣體時，對最優(yōu)化的低K值方法還沒有達成一致意見，而且薄膜整合也面臨相當嚴峻的挑戰(zhàn)。低K值薄膜合成技術(shù)領(lǐng)域問題已經(jīng)在《國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍圖(ITRS)》上有多篇討論。早在1997年，ITRS就預(yù)測到2003年，將開發(fā)出K值在1.5的高質(zhì)量產(chǎn)品。現(xiàn)在，距離這一目標的實現(xiàn)還不到一年，業(yè)內(nèi)專家正致力于2.6-3.0范圍合成材料的研發(fā)。事實上，在開發(fā)低K值絕緣薄膜產(chǎn)品方面，已經(jīng)比當初1998年ITRS設(shè)定的目標落后了6年，開發(fā)難度由此可見一斑。
目前，至少有4種不同的方法為各類公司所采用，這4種方法涉及到了不同的材料和淀積工藝。當沒有哪一方有明顯的優(yōu)勢時，諾發(fā)公司的CORAL薄膜已在競爭中獲得明顯的領(lǐng)先地位。和其他產(chǎn)品相比，該薄膜在任何K值條件下均比其他產(chǎn)品要堅硬一些，使其更加容易刻蝕和合成。
未來
半導(dǎo)體行業(yè)所經(jīng)歷的4年是喧囂的。盡管出現(xiàn)過兩次嚴峻的行業(yè)低迷時期和最初的業(yè)內(nèi)懷疑時間，諾發(fā)公司及其在Damascus聯(lián)盟中的合作伙伴，以及富有前瞻性的客戶已經(jīng)通過漸成主流的雙Damascene銅處理工藝過程成功地完成了半導(dǎo)體制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。對于半導(dǎo)體和半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)，這意味著新的增長機會。對于最終用戶，它意味著出現(xiàn)了更多新型電子器件，改變著我們溝通、工作和娛樂的方式。
今后，將會有其它更另人振奮的半導(dǎo)體技術(shù)和功能被開發(fā)出來。一旦銅的能量得到了充分的應(yīng)用，銅導(dǎo)體將會使下一代產(chǎn)品功能更強大、更節(jié)約能源，而且還會出現(xiàn)更便宜的通信、計算機和消費電子產(chǎn)品。這將極大地提高生產(chǎn)力，并提高人們的生活品質(zhì)。
名詞注解
*Chemical Mechanical
Polishing(CMP)：是用漿和墊板將晶片表面變平的工藝。簡單的說，CMP一個晶片就類似于用一個軌道磨砂機將餐桌打磨得更精細。
*Interconnects(微連線)：是嵌入到絕緣膜層的金屬線，將一個集成電路上的數(shù)百萬個晶體管連接在一起。
*Copper Damascene/Dual
Damascene：是將電纜溝刻蝕在絕緣材料中的工藝，銅被填充到電纜溝內(nèi)并且被磨光。這樣導(dǎo)電材料就只能存在于電纜溝內(nèi)。
*k ＆#118alue the dielectric constant(絕緣體常量k值)：是某個絕緣層或者全部膜層堆棧的電容度量值。
*Dielectrics(絕緣體)：是絕緣材料，用于集成電路上的絕緣。通常所用的材料包括二氧化硅或氮化硅等。
以上信息僅供參考
