作者：John Ghekiere, ClassOne Technology 公司产品和技术副总裁、Cody Carter,  ClassOne Technology 公司产品工程师

摩尔定律所描述的器件尺寸持续缩小日益难以企及，这导致只有少数器件制造商能够在这场竞赛中脱颖而出，而台积电显然是处于技术领先地位。当每个晶体管的成本随着每一代技术进步而变得更加昂贵时，具体来说，大约在26纳米到22纳米节点之间，它甚至驱使许多规模更大、实力更强的制造商转向创新路径和创造价值的新方法。

例如，格芯（GlobalFoundries）大胆转向 FD-SOI；意法半导体则进军碳化硅。当今新器件类型的广泛扩展——简而言之，微电子器件几乎无处不在，几乎渗透到我们日常生活的方方面面——带我们走进了超越摩尔定律（MtM）的时代，在这个时代，器件尺寸的缩小不再是器件创新的唯一手段。

延续摩尔定律使工艺复杂性指数级增长

器件创新的这种巨变本质上是在功能扩展之后发生的，基于围绕器件架构的自由思维认知和不断研究所定义的制造步骤的适用性。从某种意义上说，该行业已经能够喘口气，我们现在清楚地看到，也许令人惊讶的是，摩尔定律的步伐推动了单元工艺流程和资本昂贵设备的某些复杂性，这些复杂性可能增加很少的价值，或者甚至根本没有增加任何价值。延续摩尔定律使单元工艺流程的复杂性几乎呈指数级增长，但超越摩尔定律则在保持实现晶圆片上性能的期望的同时，为降低复杂性打开了大门。

这种转变不仅是及时的，在实际生产制造方面也是非常必要的。随着全球争夺半导体领导地位的竞争不断升级，数以千计的新半导体工作岗位正在开放，未来还会有数千个新岗位出现。这是一种前所未有的扩张，其影响是劳动力经验的迅速稀释。现在，设置、操作和优化单元工艺设备的复杂性变得昂贵，对于许多超越摩尔制造商来说，这是一个令人头疼的挑战。器件制造商需要他们的设备具有相同的性能，但他们同样也需要它更易于使用。

我在之前的工作中，曾访问过一家主要的先进存储器制造商，通过讨论工艺制造设备技术，我清楚地了解了摩尔定律对复杂性影响的真相。我出差旅行是为了分享一些最近的开发成果，旨在将我们的设备放进该晶圆厂内的一个新研发地点。这家制造商的高级技术总监向我施压，提出我们的竞争对手拥有一项特别的精细化能力，而我们却没有。增加这种能力意味着需要引入一个复杂的机械系统，而且需要浸泡在浓湿的化学物质中。从工程的角度来看，这样的系统不仅价格昂贵，而且还引入了很多新的潜在失效模式。我向他解释说，我们已经深入研究了该功能及其影响，但没有发现任何迹象表明它能够提供任何的好处。我要求明确其在晶圆片上的优势。他说：“约翰，你不明白。如果我能够测量它的话，那么你就必须控制它。”

事情变得清晰起来了。摩尔定律的步伐意味着根本没有足够的时间来研究所有的一切以实现完全理解。对风险的感知就是风险，因此，复杂性就加入了进来。甚至即使在某些情况下，复杂性在很大程度上只是充当了针对可能重要或不重要的因素的保险手段。最好是要有复杂性（和成本），而不是有问题。

超越摩尔定律简化金属化工艺

在摩尔定律之后，超越摩尔的人群正在崛起，这里不再需要高度的复杂性来提供保证。复杂性只是增加了更高的成本和更笨重的工艺步骤；如果它不能带来可衡量的好处，那么它根本就不是必要的。

机会是诱人的。本文将重点关注电化学沉积（我们简单地称为电镀）的简化，与整个半导体单元工艺相比，就复杂性而言，它已经处于中间位置。电镀也受到大量专利广泛而深入的保护。作为一项基础技术，电镀已有200多年的历史；然而，正如我们将展示的那样，即使是它可以进行创新的基础已经成熟，但是简化操作不仅能够保持晶圆的片上性能，而且同时还能改进它。

对于金属化来说，电镀仍然是一种可行的、具有成本效益的和高度灵活的选择。生产高质量电镀和出色的晶圆片上结果的方法已经确立。卓越性能背后的机理已经不再是一两个供应商所独占的领域了。

通过电镀进行均匀沉积需要仔细探究两个关键的因素：电场的分布和流体运动的分布。

事实证明，电场实际上是两者中更容易完善的。计算流体动力学建模（CFD，Computational Fluid Dynamic）围绕电场及其对晶圆片上性能的最终影响（即薄膜沉积速率）提供了异常准确和可预测的模型。这里需要在晶圆表面提供零梯度电势。电场需要为零梯度，因此在反应腔工程这方面都与开发“不碍事”的硬件有很大关系。然而，就行业中反应腔硬件的实际状态而言，减小尺寸的竞赛导致大多数超越摩尔应用的电镀腔室都过度设计，并且可以说许多超越摩尔的应用都在>32nm的节点以上。

阳极升降装置、机械驱动的虹膜和多个独立控制的阳极，提供了非常聪明和有趣的控制旋钮（作为一名广泛使用此类系统的工程师，我也发现它们玩起来非常有趣）。但这些功能增加了复杂性和硬件成本，除了最极端的使用案例外，几乎没有带来任何好处。例如，多个独立控制的阳极确实允许电场的径向调节。但由天然聚丙烯制成的物理扩散器也能实现这项功能。不同之处不在于均匀沉积的能力——两者都可以实现。不同之处在于需要（或不需要）原位的动态调节。

电场动态调节非常酷。但是对于大约100A以上的种子厚度显然是不必要的。仔细阅读本文的读者会注意到，晶圆表面的均匀电势并不一定意味着整个表面的电流密度均匀。然而，更仔细地观察实际情况，我们发现在缩小尺寸驱动足够薄的种子材料，从而会导致晶圆本身出现明显的电势梯度之前，均匀的电势确实会导致均匀的电流密度。多个独立的阳极以及机械驱动的虹膜实际上只在动态条件下使用，在这种动态条件下，非常薄的阻性种子层（典型用于最先进的逻辑和存储器件中）迅速通过电镀变厚，将曲线变为平坦曲线。绝大多数MtM应用以及32nm及以上的嵌入式应用都适用于具有平坦电势分布的晶圆。值得注意的是，如果您相信专利分布情况，那么只有一家主要的电镀制造商在其系统中设计了多个阳极，更值得注意的是，这家供应商的这一产品并不拥有更的大市场份额。

△图1：比较POR条件下与更改条件下LCD的V-I曲线图

因此，我们看到可以很容易地实现电场形貌控制，并且没有带来挑战性的复杂设置程序，也没有带来扩展潜在失效模式的复杂性。

更具挑战性的因素是流体运动曲线。流体运动曲线完全与阳离子可用性有关。电镀工艺会产生美丽的、闪亮的高纯度金属薄膜，这在很大程度上是因为这些工艺是在“电子贫乏”状态下运行的。当晶圆表面可用的目标阳离子浓度下降到与电子的“浓度”相近时，这种机制就会失效。在晶圆片上发生这种耗尽的区域里，电阻会上升，并且由于电镀系统是在通过电流表调节来驱动电势，因此局部电流密度降低从而局部电镀的速度将会减慢。

确保充足的阳离子供应的关键，是使目标阳离子在每个位置穿过扩散层所需的时间一致。这可以通过简单地减慢该工艺过程来完成。但是，作为一项规则，器件制造商不喜欢让工艺慢下来。同样，摩尔定律固有的风险规避驱动导致了大量的复杂性，旨在通过蛮力而不是系统效率来消除阳离子可用性问题。

电场和流体运动曲线之间有一个有趣的区别，因为电场到达晶圆处并在此“下沉”。相比之下，流体运动曲线必须改变它自己原有的方式。到达晶圆的流体必须转向从而离开晶圆，并且它必须经过其他流体才能这样实现这个动作。为了支持尽可能高的电镀速率，这里的挑战是以不产生运动偏置的方式来设计出流体运动曲线。流体运动矢量的偏置在扩散层厚度上产生局部和稳定的差异，这将转变为阳离子扩散的时间略有不同。随着电流密度的增加以推动尽可能快的工艺过程，这些珍贵的阳离子的消耗也在增加。

△图2：晶圆表面处的电解质的CFD图像

只要供应源变得稀疏并开始导致更高的电势，从而降低了电流密度，使得局部电镀速度降低并影响均匀性，这时才会达到工艺极限。业内最流行的解决方案是使用下沉的桨。虽然概念上很简单，但桨确实增加了腔室的复杂性。它们引入了更多的活动部件，因此需要设置并具有某些失效模式。显然，它们还增加了建造反应腔的成本，包括材料、加工工艺和组装的工时。无论出于何种原因，在技术人员需要进入腔室内部的情况下，现在都需要让桨远离人手和设备工具。简而言之，即使是之前相对较简单的维护任务，现在也必须拆卸腔室。

有趣的是，正如本文前面提到的，虽然我们说形成电场的曲线很容易，相当于设置完成然后它就不碍事了，但一旦使用了桨，确实有些东西挡在了它的路上。

实际上，电场不受电解质运动的控制。但它受产生电解质运动的硬件所控制。换句话说，可以独立地模拟电场和流体运动曲线。并且模型的结果可以准确地预测晶圆片上的行为。这两个因素确实相互独立。这意味着，理论上，应该可以单独地调节它们。然而，反应腔设计历来将两者结合在一起。毕竟，流体经由和穿过与电场相同的硬件。结果导致由电场造型和流体运动形式的双重约束驱动下的高度复杂的反应腔曲线。从理论上讲，如果可以将电场的优化与流体运动曲线的优化完全分开，那么两者都可以调整到最佳状态而不会相互“妨碍”。事实证明，这可以通过降低复杂性，而不是增加复杂性来实现。

扩散层的厚度当然不能直接测量。但是，通过使用V-I曲线图可以得到一个非常具有描述性的替代方式，该图形将电压绘制为输入，将电流绘制为输出。欧姆定律当然是指出，对于具有给定电阻的电路，电流随电压线性上升。电化学系统也是如此，但有一个显著的影响因素。电化学单元涉及电化学反应，这意味着电子在反应产物（即沉积金属）的形成中将会被“消耗”。当阳离子开始变得稀少时，系统的电阻开始上升，曲线开始变平，如图1所示。这个平坦的区域称为受限电流密度(LCD，Limiting Current Density)，它实际上限制了我们可以驱动电镀系统达到的速度。接近该区域会导致均匀性变差，最终导致沉积不良。

因此，给定系统的LCD用作比较系统之间阳离子可用性的一种手段。如果对给定系统的修改导致LCD移动到更高的电势，这意味着阳离子的供应得到了改善。这进一步意味着该系统可以在更高的电流密度下运行，同时仍能沉积出高质量的薄膜。

ClassOne技术公司以MtM制造商为目标客户群，自成立以来一直坚持如下的设计理念，即除非能够实现实际的价值，否则不会增加其 Solstice 电镀系统的复杂性。即使从这个设计优雅的使命开始，我们仍然继续发现并保持甚至降低复杂性的同时推进晶圆片上结果的新方法。在重新审视上面总结的原则时，我们了解到我们的无桨GoldPro反应腔（该系统已经在晶圆片上性能和特征均匀性方面与全球所有主要电镀系统展开了竞争）在提供整个晶圆上完美均匀特征的简单性方面可以进一步改进。

提高LCD的典型调整包括增加搅拌或增加温度。通常，提高电解液温度会导致某些不希望的副作用，这不是一个实用的选择。这样就只剩下了搅拌，这也解释了桨在反应器设计中如此普遍存在的原因。其他增强搅拌的方法包括更高的晶圆旋转速度和更高的流体流速。晶圆旋转速度受两个因素的限制：第一，它会就阳离子可用性的局部变化产生径向效应，因此将存在一个最佳的旋转速度，高于该速度均匀性将再次变差。其次，过高的晶圆旋转速度可以形成稳定和定向的流体运动，即偏置，这会导致局部的非均匀电镀和不平衡的特征。因此，对于大幅提高电镀速度而言，晶圆旋转速度并不是一个切实可行的工艺旋钮。

纯粹的流体流速作为一个工艺参数是可行的，尽管它具有与泵尺寸和流体排空相关的实际限制（请记住，流体必须以它自己的方式来离开）。如果目标是简化，而实际上就是，那么包含桨就不是完成这件事情的首选方向。所有这一切显然为提高LCD和为更高的电镀速率腾出空间留下了很少的选择。ClassOne通过CFD建模辅助的聚焦努力，研究了其反应腔内流体控制的某些被动方式，旨在以非定向方式产生充足的流体运动。更仔细地考虑，我们的目标是将观察到的流体运动从附着在旋转晶圆上液体的圆周运动转变为随机模式，并尽可能地靠近晶圆来实现这一切。各种反应腔概念的CFD建模指导着设计团队的特定概念，通过被动方式来控制流体运动（即无桨或运动部件）。

△图3：距晶圆表面小于1mm处的电解质的CFD图像显示出随机运动

如模型所示，晶圆表面 (d=0) 处的电解质明显附着并随晶圆旋转移动。然而，在远小于1毫米的距离处，流体运动在很大程度上已经是随机的，没有看到有明显的偏置（参见图2和图3）。此外，这一概念增加了阳离子的可用性，正如LCD显著向上移动所证明的那样。通过在电压控制模式下启动电镀工序，然后周期性地提高电压设置，同时记录产生的电流，我们就可以得到LCD了。

使用这种方法，我们发现了使用>40 lpm流速的POR条件下的LCD。结合特定的晶圆旋转速率，此POR可在金电镀中产生<2.5% 3sigma 的全晶圆均匀性和<1% (max-min/max+min) 的特征均匀性。然后，我们使用相同的方法在较低的流速下找到LCD，包括通过系统时低至5 lpm的流速。标准系统上的较低流速会产生非常低的LCD，低到不可接受。简而言之，这是一个生产率非常低的过程。

接下来，通过对通过反应腔的流体运动进行一些有针对性的改变，这里仍然采用被动体系，我们确定5 lpm流速下的LCD可以再次提高到> 40 lpm的POR时的LCD水平。结论是，通过对反应腔进行有针对性的改变，我们能够在晶圆表面保持非常高的阳离子利用率，同时将流速降低87%以上！这在没有高流速的情况下显著增加了工艺的窗口。作为对新方法的最后确认，我们随后将流速增加到10 lpm（仍然是一个相当低的流速），我们看到LCD实际上可以改进到比原始POR时更高的值（参见图4）。结论就是使用更简单的工艺也可以获得更高的性能。

△图4：放大的V-I图，突出显示使用改变条件下的LCD的增加

尽管这种设计的细节不能在本文中公开，但它也确保了流体运动曲线的控制完全不会干扰电场的形成和曲线。腔室仍然不会碍事。总而言之，我们证实了，使用流体运动控制的被动方式（即没有桨或其他水下运动部件），可以在相当低的流速下获得极高的阳离子利用率。此外，我们证明了我们能够在不干扰电场分布的情况下实现这种配置。

这项工作表明，我们仍然有足够的空间不仅可以保持工艺系统中有竞争力的晶圆性能，而且可以改进它，同时消除其复杂性，这尤其适用于超越摩尔器件的制造商们。这会让器件的成本降低、维护的成本降低，并且在行业经验丰富的劳动力迅速稀释的情况下，系统运行起来也更加的简单。而这仅仅是个开始。如需更多信息，请访问：http://w.lwc.cn/s/Jf2uim