使用新一代高度可調(diào)的低介電薄膜來解決串?dāng)_、隔離等制造挑戰(zhàn)

SPARC沉積技術(shù)可滿足新興需求，為邏輯和DRAM器件提供有效隔離

作者：泛林集團(tuán)公司副總裁兼電介質(zhì)原子層沉積產(chǎn)品總經(jīng)理Aaron Fellis

提升集成電路中的介電層性能可以在現(xiàn)在和未來的存儲(chǔ)器和邏輯電路發(fā)展中產(chǎn)生巨大的戰(zhàn)略影響。

想象一下，在一個(gè)擠滿人的大房間里，每個(gè)人都有一條您需要的重要信息。他們都很樂意告訴您他們的信息，但問題是，他們都在同一時(shí)間說話。房間里的人越密集，就越難將想要關(guān)注的信息與周圍的雜音區(qū)分開。

這就是“串?dāng)_”，維基百科將其定義為“傳輸系統(tǒng)上一個(gè)電路或通道上傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)在另一個(gè)電路或通道中產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的影響”。如果您從事存儲(chǔ)器和邏輯器件制造，那么您面臨的情況就很像那個(gè)嘈雜的房間，因?yàn)樵谶@當(dāng)中非常鄰近的范圍里就有數(shù)十億個(gè)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 (DRAM) 單元或邏輯晶體管。

典型的DRAM單元包含一個(gè)電容器（存儲(chǔ)電荷用以代表1或0）、一個(gè)存取晶體管以及一個(gè)位線（用來讀取電容器中的電荷）。為了追求更高的存儲(chǔ)密度、更快的讀寫速度和盡量小的功耗，這些結(jié)構(gòu)變得越來越小，并在最近幾年演變出了3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳感電壓 (?V) 和單元電容 (Cs) 隨著每一代技術(shù)的演進(jìn)而降低，因此需要相應(yīng)的降低位線電容(CBL)。

類比嘈雜房間的例子，傳感電壓和單元電容的降低就好比你想聽到的說話聲變得更加不清晰，使你更難將他所說的內(nèi)容區(qū)分于環(huán)境音。邏輯領(lǐng)域也是如此：越來越大的寄生電容（柵極間以及柵極和柵極觸點(diǎn)之間）增加了串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)。

串?dāng)_問題自電子學(xué)早期就一直存在。幸運(yùn)的是，我們有一個(gè)眾所周知的解決方式：隔離。在嘈雜的房間中，隔離需要在每個(gè)人的周圍都放置隔音板；而在集成電路上，通常可以通過更好的介電薄膜來實(shí)現(xiàn)隔離。

其中“更好”的介電薄膜不僅僅意味著更低的介電常數(shù) (k)，盡管這是一個(gè)重要因素。薄膜也必須在不損害其他電路元件的情況下進(jìn)行沉積，還要能夠在隨后的熱加工、刻蝕、清洗和其他步驟中存留并且不改變?nèi)魏翁匦?，它們必須是無缺陷且均勻的。而且在3D電路的時(shí)代，僅實(shí)現(xiàn)平面厚度均勻還不夠，即使是在垂直維度沉積，薄膜特性也必須一致。

此外還有一個(gè)因素：每個(gè)先進(jìn)的芯片制造企業(yè)都面臨著激烈的競爭，因此他們努力開發(fā)自己獨(dú)特的方法，以獲得更高的良率和更優(yōu)的性能。負(fù)責(zé)這些工藝調(diào)整的工程師需要薄膜具有多樣性和靈活性，這意味著他們能夠調(diào)控薄膜成分以獲得不同特性，包括刻蝕選擇性等。每一代新技術(shù)帶來更高的密度和復(fù)雜性，使得提升性能和良率更具挑戰(zhàn)。回到嘈雜房間的類比，我們可以理解為房間變得越來越小，而人們說話的聲音越來越大；可以用于隔離的空間越來越少，但卻更需要隔離來聽清我們想聽到的聲音。

在3D時(shí)代之前，工藝與整合工程師在尋求隔離方案時(shí)可以考慮已經(jīng)被證實(shí)可行的方法：沉積可調(diào)的平面介電層或共形二氧化硅或氮化物。但現(xiàn)在的介電層既需要可調(diào)性和共形性，也需要能夠沉積含有硅碳鍵的薄膜如SiCO，從而獲得更高的刻蝕選擇性，因?yàn)閺沫h(huán)柵結(jié)構(gòu)內(nèi)隔離層到后段介電層再到先進(jìn)的光刻工藝，刻蝕選擇性在許多應(yīng)用中變得越來越重要。同時(shí)，等離子體對電路的損傷也越來越令人擔(dān)憂。

l 那么，隔離的探索方向在哪里？

一種方向是新的沉積技術(shù)SPARC，它可以很好地滿足這些新興需求。除了能在高深寬比結(jié)構(gòu)中的不同深度保持一致的成分和特性外，SPARC還能沉積高度共形的SiCO薄膜。這種薄膜可以作為低介電常數(shù)隔離層為邏輯和DRAM器件提供有效隔離。

SPARC方法能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的成分調(diào)控，同時(shí)仍保持極好的共形性。SPARC沉積的SiCO薄膜致密，堅(jiān)固而漏電低，其介電常數(shù) (k) 值為~4-4.4，并且可以在不氧化底層的情況下直接沉積于鈷、鎢等金屬。這種薄膜在表現(xiàn)出極佳的粘附性的同時(shí)也展現(xiàn)了氣密性。即使在400℃的低沉積溫度下，碳也是完全交聯(lián)的，只有很少甚至沒有末端甲基，與其他SiOC薄膜相比，SPARC法制備的SiCO薄膜具有更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

重要的是，這些優(yōu)點(diǎn)是在非等離子體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的。流入的基態(tài)自由基只與選定的前驅(qū)體分子中的特定鍵相互作用，因此斷鍵具有選擇性，這使得前驅(qū)體自由基粘附系數(shù)低，從而獲得臺(tái)階覆蓋性極高的薄膜。在沉積步驟中，硅碳鍵不會(huì)被斷開，任何與前驅(qū)體分子中的硅結(jié)合的氧、氮或碳都被保留下來。為了實(shí)現(xiàn)大范圍的成分調(diào)控，需要根據(jù)所需的薄膜類型來設(shè)計(jì)和選擇前驅(qū)體。

在此工藝中，可以增加硅碳鍵的比例，同時(shí)降低硅氧鍵的密度。即使對于在不同溫度下沉積的薄膜，相比于薄膜中的碳密度或碳總量，交聯(lián)碳的量才是影響刻蝕選擇性的主要因素。此外，這些SiCO薄膜在稀氫氟酸和熱磷酸等典型濕法化學(xué)物質(zhì)中的濕法刻蝕速率為零，因此可提供近乎無限的濕法刻蝕選擇性。薄膜直到15?都一直具有連續(xù)性，且沒有針孔，不像原子層沉積氮化硅薄膜，至少需要30?才沒有針孔。

l SiCO薄膜在實(shí)踐中表現(xiàn)如何？

回到DRAM示例：正如前面提到的，技術(shù)節(jié)點(diǎn)演進(jìn)過程中使得DRAM單元電容持續(xù)下降，為了提高獲取DRAM單元信息的能力，需要相應(yīng)的降低位線電容。

位線電容的很重要一部分（可能是一半）源自位線和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)單元之間的耦合。自20nm節(jié)點(diǎn)開始，空氣間隙成為減少這種耦合的一種手段?？諝忾g隙兩側(cè)的介電薄膜必須滿足許多嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，包括共形性、粘附性、氣密性、介電常數(shù)和擊穿電壓。SPARC沉積的SiCO薄膜的特性可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)材料更低的電容耦合，從而提高DRAM的性能。

在邏輯器件中，柵極隔離層長期以來一直被認(rèn)為是減少柵極之間以及柵極和柵極觸點(diǎn)之間寄生電容、從而降低串?dāng)_風(fēng)險(xiǎn)的一種手段。隔離層的概念被引入了3D環(huán)柵結(jié)構(gòu)中，但額外的要求是，隔離層材料還必須充當(dāng)橫向刻蝕停止層。

SPARC沉積的SiCO薄膜的綜合特性也非常適合環(huán)柵結(jié)構(gòu)邏輯器件這種情況。除其電學(xué)特性外，SiCO高度的各向異性和出色的刻蝕選擇性還能幫助改善生產(chǎn)線。

在這兩個(gè)例子中，串?dāng)_的最小化只是眾多考慮因素之一。但這種最小化對整個(gè)電路開發(fā)有著重要影響，因?yàn)樗鼫p輕了電容器和晶體管的負(fù)擔(dān)，使它們更容易實(shí)現(xiàn)其各自的功能。從全局來看，這減弱了尋求其他途徑來提高性能的必要性，而那些途徑都必然要付出成本，并且可能會(huì)帶來新的復(fù)雜情況。這很好地體現(xiàn)了在基礎(chǔ)層面上進(jìn)行的細(xì)微升級也能產(chǎn)生巨大的影響力。

SPARC工藝的高度靈活性和適應(yīng)性使其可以用于制備多種共形薄膜和不同成分的薄膜。例如，它可用于沉積高度可調(diào)的碳氮化硅薄膜。碳化硼和硼碳氮等優(yōu)質(zhì)共形硼基薄膜也已被成功制備，它們的濺射和刻蝕行為與硅基薄膜不同。

一個(gè)頗具潛力的應(yīng)用是在先進(jìn)的圖形化技術(shù)方面，比如自對準(zhǔn)四重圖形化技術(shù)、自對準(zhǔn)柵極和觸點(diǎn)以及完全自對準(zhǔn)通孔，這些技術(shù)都是為了制備日益復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)所開發(fā)的，它們都需要用到具有特別突出的刻蝕選擇性的材料，來實(shí)現(xiàn)更高的層間對準(zhǔn)精度。先進(jìn)圖形化技術(shù)需要獨(dú)特的隔離層、硬掩膜和刻蝕停止層材料的組合，以使它們能在各種等離子體刻蝕和濕法化學(xué)刻蝕過程中呈現(xiàn)出接近完美的選擇性?；谔蓟鸷团鹛嫉谋∧な呛芎玫倪x擇，因?yàn)樗鼈兙邆浜线m的介電常數(shù)k值、共形性、電特性以及其他特點(diǎn)。

同樣，使用SPARC技術(shù)沉積的、基于碳化硅的薄膜在3D NAND存儲(chǔ)孔的制造中也非常有用，因?yàn)樗鼈冇辛己玫目烧{(diào)性，且對氧化物和氮化物具有很好的選擇性。在任何基于等離子體的工藝出現(xiàn)問題時(shí)，使用自由基來制造薄膜的能力是很有吸引力的新選項(xiàng)。

很少有比半導(dǎo)體制造迭代得更快的行業(yè)，這對開發(fā)和整合日新月異的生產(chǎn)工藝組合提出了不斷挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體行業(yè)一直面臨著如3D整合等新問題和像串?dāng)_這樣持續(xù)存在的問題，因而需要工程師們的智慧和創(chuàng)造力確保技術(shù)的與時(shí)俱進(jìn)，也需要像SPARC這樣的創(chuàng)新設(shè)備支持技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，以確保“每條信息都被清楚聽到”。

審核編輯 黃宇