超迈光电分析Applied Materials产品库----PVD篇

PVD篇

PVD是通过溅射或蒸发靶材材料来产生金属蒸汽，然后将金属蒸汽冷凝在晶圆表面上的过程。应用材料公司在 PVD 技术开发方面拥有 25 年以上的丰富经验，

PVD 沉积工艺在半导体制造中用于为各种逻辑器件和存储器件制作超薄、超纯金属和过渡金属氮化物薄膜。最常见的 PVD 应用是铝板和焊盘金属化、钛和氮化钛衬垫层、阻挡层沉积和用于互连金属化的铜阻挡层种子沉积。

PVD 薄膜沉积工艺需要一个高真空的平台，在这个平台上，将 PVD 沉积工艺与脱气和表面预处理技术相集成，以获得最佳的界面和薄膜质量。应用材料公司的 Endura 平台是当前 PVD 金属化的业界黄金标准。

Endura PVD

当前 200mm 物理气相沉积 (PVD) 面临的挑战在于，要能够沉积更厚的高度均匀低温兼容性薄膜。在功率器件市场中，能够高速切换且形状系数和空间占用小的器件，正推动对先进散热技术的需求，如厚度范围为 4µm 到超过 100µm 的 Al 层。

微机电系统 (MEMS)、CMOS 图像传感器和封装技术（如硅通孔 (TSV)）领域的新兴应用，正在推动氮化铝 (AlN)、氧化铟锡 (ITO)、氧化铝 (Al2O3) 和锗 (Ge) 等薄膜的 PVD 发展。

Endura PVD 200mm

应用材料公司的 Endura 平台是半导体行业有史以来最成功的金属化系统。凭借跨越前段金属化（如钴、钨、铝和铜互连）以及凸点下金属化等封装应用的沉积功能，过去 20 年制造的大多数微芯片均由 Endura 系统生产，目前，Endura 系统在全球的销量已超过 4,500 套。

Endura 能够以严格的薄膜厚度控制、出色的底部覆盖率和高共形性沉积多种超纯薄膜，这一能力是制造尖端器件的关键。该系统最多可容纳九个工艺腔室，从而能够混搭腔室，以创建集成的多步工艺序列。高度可配置的 Endura 平台支持两个可去除原生氧化物的预清洁腔室、多达六个 PVD 腔室以及两个 MOCVD 腔室（可选），以确保满足客户薄膜沉积和器件性能要求。

升级

目前有数千台 Endura 已投入使用，其中许多还是采用原始配置，因此我们提供了很多产品改进方案，可用于提升工艺性能和提高设备生产效率。例如，可通过将腔室 A 从流通腔室转换为冷却腔室，消除冷却腔室的产能瓶颈。通过 EZ LCF 可避免晶圆放置错误，同时通过严格的边缘排除来提升夹紧工艺的性能，并消除与多腔室工艺序列有关的层叠错误。此外，腔室升级可用于包括 TxZ 在内的许多腔室，以提升在片均匀性和减少维护工作。

Endura Ventura PVD

随着二维 (2D) 器件微缩达到物理和电气极限，TSV 技术成为了一种向紧凑型、三维 (3D) 架构过渡的方法，在当前激增的移动技术中，该架构能够以较低的功耗实现更快的性能和更强大的功能。TSV 技术使产品设计师能够创建 3D 互连，通过连接堆叠芯片或晶圆的垂直路径将各个节点的电路元件相集成。

应用材料公司的 Endura Ventura PVD 系统专为 TSV 金属化而设计，是公司在物理气相沉积 (PVD) 领域的最新创新，使客户能够将其 2D 镶嵌集成基础设施和专门技术扩展到深宽比 ≥10:1 的 TSV 和 2.5D 中介层应用。它也是首个面向 TSV 的 PVD 系统，可实现具有量产价值的钛阻挡层沉积。面向后段制程 (BEOL) 应用的现有 PVD 系统并不是专为此类高深宽比 (HAR) 特征而设计，这些系统需要高沉积率，以满足生产效率的要求，并实现无孔洞间隙填充和良好的可靠性。为确保间隙填充和器件可靠性所必需的连续阶梯覆盖，这些系统必须沉积相对较厚的层。除了成本更高以外，厚薄膜增加了可能降低最终良率的应力缺陷风险。

Ventura 系统可应对这些 TSV 挑战，显著降低了大规模采用这一技术的技术与成本障碍。该系统采用了改进的离子密度、方向性和可调能量，以便在 HAR TSV 内部沉积比 BEOL 系统中的层薄 50% 的连续钽或钛阻挡层和铜种子层，并大大降低了生产成本。较薄的薄膜与较高的沉积速率使 Ventura 系统的产能超过现有的 BEOL PVD 系统的一倍以上。

系统使我们的客户能够加工他们所选择的材料。尽管应用材料公司并不出售这些材料，但 Ventura 腔室可在 Endura 平台上与铜种子层工艺相集成，灵活处理钽和钛阻挡层。这两种材料都展现出了高可靠性，但钛具有更高的成本效益。

Endura Versa XLR2 W PVD

随着集成电路及其组件继续微缩，组件之间的金属互联线和接触件的尺寸也在缩小。其中一个结果为，这些连接器中的电阻越来越高。为生产更紧凑、更快速的电子器件，必须最大限度地降低电阻，以便能够进一步地微缩。

这种更高的电阻所造成的慢化效应通常被称做阻容延迟（或 RC 延迟），并以多种方式影响着电路。除这种不良效应以外，RC 延迟还会降低通过位线从 DRAM 结构读写数据的速度。此外，更高的电阻还会引起更高的功耗，这会为移动技术带来不良的副作用。

降低线电阻的最简单方法是增加导电金属的体积，即使导线更宽和更高。但是，更宽的导线会限制微缩，更高的导线会增加电容，并带来更大的刻蚀挑战。因此，降低尖端器件的导线电阻侧重于提升导电材料（DRAM 位线采用钨 (W)）的性能。

导体电阻是电子在穿过导体时所遇散射点密度的函数。薄膜中的杂质、晶粒边界和表面粗糙度是减缓电子移动速度的某些障碍。Versa XLR2 W PVD 腔通过沉积更纯净和更光滑的钨膜来降低互联电阻，该钨膜比使用当前技术所沉积的钨的电阻率低 10-15%。

新系统借助关键硬件组件的创新实现了这一质量增强，如微波源磁控管、新颖的工艺化学和等离子体特征调制。Versa XLR2 W 系统所生产的电阻率更低的钨是微缩的促成者，它将扩展作为位线金属的钨在用于 1xnm 节点的 DRAM 技术中的用途。以下动画解释该系统的出色薄膜如何提升器件的性能。

RC 延迟举足轻重，因为这可能成为继续向下微缩逻辑和存储器设备的重大障碍，而该项技术对于提升当前的多功能、移动消费电子设备的性能至关重要。

逻辑和存储芯片中的有源器件（晶体管）均通过金属线以电气方式连接彼此或芯片的其他区域。这些导线通过不导电（绝缘）介电层彼此分离。在逻辑和存储芯片中，互联线的作用为将信号从芯片的一个区域传输到另一个区域。能尽快完成信号传输，并能最大限度地降低几何尺寸缩小所造成的信号损失，这一点对器件微缩至关重要。在逻辑芯片中，微缩是指面积缩小，即借助于材料和设计创新，在更小的面积中封装越来越多的电路。在对价格敏感的 DRAM 制造领域，必须大幅控制成本，所以微缩侧重于从现有的材料和设计中获得逐步增强的性能。总之，逻辑和存储器导线中的信号传输速度受相同的基本原理支配，并取决于电阻和电容 (RC) 的乘积。同时降低电阻和电容是理想的方法。但是，对于存储器制造商而言，开发电容较低的绝缘材料并将其集成到制造流中的成本特别高。因此，降低电阻成为保证微缩后的性能的首选方法。根据电荷是垂直穿过不同的布线层，还是沿导体的长度横向通过，需要使用各种解决方案来应对 RC 挑战。尽管，无论对于哪种情况，其目标都在于最大限度地降低金属线的电阻。在垂直尺寸中，解决方案旨在最大限度地减小界面电阻。电接触件将有源区连接到第一级金属布线层。半导体-金属界面（或欧姆接触层）形成了有源区和金属接触层之间的接面。其目标在于，确保电荷能够从有源区通过接触件前往上层布线层，然后返回。为在欧姆接触层之间实现最快速和最大化的电荷传输，应形成低电阻率材料层。低电阻率硅化钴已作为此用途的行业标准被采用，其有效性依赖于能否沉积均匀的一层，以形成坚固的欧姆接触层。

Endura iLB PVD/ALD

随着器件尺寸缩小，而集成式衬垫/阻挡层 (iLB) 厚度消耗更多的钨插头体积，接触电阻在不断增加，造成相应的困难；应用材料公司配备 Centinel® 沉积室的 Endura iLB PVD/ALD 系统解决了这一难题。

该系统以低成本高效的方式利用 ALD（原子层沉积）技术，通过 90% 以上覆盖超薄、均匀、优质的阻挡膜，将客户现有的 iLB PVD/CVD 安装基础扩展至 32nm 及之上。它在沉积 TiN 膜时将等离子损伤或高介电材料属性不利变化的风险降到最小，从而支持先进的内存应用。

Centinel 技术通过 RE-ALD 室（经原子团增强的原子层沉积室）增强了 Endura iLB 集成式 PVD/CVD（物理气相沉积/化学气相沉积）工艺平台，通过实现 32nm 以下逻辑器件中更小的接触电阻而优化钨体积。它也设计用于 4X 节点嵌入式 DRAM、DRAM 电极和掩埋字线应用。

Centinel 工艺实现的出色阶梯覆盖能使阻挡层厚度最小化，从而优化均匀沉积的内部特性。除了使钨填充可用的体积最大化之外，阻挡层的极限厚度减少了加工每枚硅片所需的时间，并有助于提高生产率。由于不发生背面沉积，生产率不受背面清洁的不利影响。另一项好处是沉积室工作的加工温度更低，从而减少对高介电材料的再结晶损害。

Pika™ PVD

应用材料公司的 Pika PVD 系统是当今业界体积最小、速度最快的单晶圆 PVD 设备，设计用于以较低的拥有成本开展高性能研发和小批量生产。该系统设计紧凑 (1657mm x 755mm x 1822mm)，包含脱气、预清洁和溅射沉积模块，并配备高真空机械手传送室和完整的盒对盒自动化功能。它具有很高的可靠性，正常运行时间超过 92％。

该设备支持选择各种 PVD 溅射源，包括直流电、脉冲直流电、射频溅射，其金属或反应性溅射工艺能够共溅射金属和氧化物的合金。D 源磁控管技术的工艺流程经过验证，可在硅、玻璃、有机材料、金属和砷化镓或其他 III-V 化合物的衬底上沉积各种单层膜和多层膜。Pika 系统的即插即用设计可最大程度地减少设置时间。

Topaz™ PVD

应用材料公司的 Applied Topaz PVD 系统可满足市场对 PLP （面板级封装）不断增长的需求，凭借领先的技术能力，可处理最大尺寸为 600mm x 600mm 的衬底。市场需要更低成本、更高性能的电子产品，而这种需求促使半导体行业从 WLP （晶圆级封装）转向 PLP。在标准化固定成本支出上，PLP 不到晶圆级封装的一半。

针对扇出型晶圆级封装（FOWLP）、LCD 和印刷电路板所开发的制程技术和设备的融合，使扇出型封装技术变得非常实惠。成本的降低将使该技术能够广泛应用于移动电子设备（例如，系统级封装、处理器、射频和电源管理）、汽车和物联网等多种半导体封装应用中。

除了 PLP，Topaz 系统还可以处理玻璃和有机中介层以及在衬底中嵌入裸片等应用。它独特的模块化架构可实现低接触电阻；将最小所需粘合强度加倍；低压力；更低的衬底温度 (<120C°)；在刻蚀或激光钻孔中形成具有极佳侧壁覆盖率的共形种子层。

Axcela PVD

在过去十年的应用中，堪称同类最佳的 应用材料公司 Axcela PVD 系统已证明了其工艺优越性和稳定性，非均匀度小于 2％ 1σ。每个溅射腔室在设计上都尽量降低设备拥有成本，方便保养维护，可形成厚达 8µm 的厚膜，标配沉积三种不同材料的能力，并且可以选择共溅射以提高沉积速率。该系统结构紧凑，可采用 150、200、300 或 330mm 等多种组合配置。系统包括脱气、预清洁和 PVD 腔室模块，可满足多种应用需求，以及最优的工艺和产量要求。这种简单易行的系统配置能力，使客户可为特定的应用来选择最理想的配置。

Axcela 系统的小批量集群架构使这种高度可靠的 PVD 工具成为大多数金属化应用（包括 EMI 屏蔽、背面金属化、MEMS、TSV、UBM 和 RDL）的选择。它可以严格控制薄膜的沉积厚度，从而帮助工艺和制造工程师以满足苛刻的设计要求。

D 源磁控管可通过全面腐蚀来提高标靶利用率。腔室和靶材的架构，使其可以最大效率收集从靶材溅射出来的原子，而不是将其浪费在屏蔽罩上。磁控管和屏蔽罩的设计方便了系统的超低颗粒计数。

Charger UBM PVD

应用材料公司的 Charger UBM PVD 系统在芯片封装金属沉积工艺的生产效率和可靠性方面树立了新的标准。Charger 系统专为 UBM、RDL 和 CMOS 影像传感器应用而设计，它采用线性架构，其晶圆产量是其他同类设备的两倍以上，达到市面上最高的生产效率。此外，系统集成最新的 Volaris® 预清洗技术，在两次保养间隔期内可处理更多的晶圆，达到极长的无故障运行时间，并实现目前最低的单位晶圆成本。