Озор новых технологий

Собственно, о прорыве в Cu-технологии изготовления микрочипов компания IBM заявила еще в сентябре 1997 года. Но за прошедшие до того пять лет напряженных лабораторных исследований и испытаний недостатка в подобных постоянно повторяющихся заявлениях уже никто не испытывал. И вот только последовавшие за этим октябрьские и ноябрьские события в мире большой полупроводниковой промышленности дали понять, что Великая медная революция, похоже, свершилась, поскольку вышла из лабораторий и теперь широко внедряется в серийном оборудовании полупроводниковой промышленности. Хочется спросить, где же эти гигабитные, гигагерцовые медные вундерчипы, кто их выпускает? Позволю себе некоторое отступление по этому поводу.

Мир чипов устроен, как античная вселенная: его держат могучие атланты (или слоны, по другой версии; скорей всего, и те, и другие вперемежку) с такими именами, как IBM, Motorola, Texas Instruments, Intel, NEC, National Semiconductors, Samsung, Hyundai, еще десяток-два гигантов. Что атланты, что слоны - все как на подбор великаны, вселенные сами по себе. Но вот ноги у них покоятся на черепахах, которые как раз и барахтаются в мировом океане микроэлектроники. Спору нет, у самых старых и гигантских слонов вроде IBM ноги вросли и проросли сквозь этих черепах уже довольно давно, однако в традиционной пирамиде технологические проблемы промышленного производства чаще всего решаются особыми компаниями, даже для той же IBM. Таких компаний немного, порядка 20 во всем мире, они сравнительно мало известны широкому кругу, но вклад их в подобную структуру мироздания неоценим.

Одной из таких компаний является Lam Research Corporation (Фримонт, Калифорния). Контексте альянса Lam и Novellus Systems, созданного как раз в целях разработки промышленной медной технологии. Кстати, Novellus Systems (Сан Хозе, Калифорния) - это тоже одна из черепах, в свое время лицензировавшая у IBM ряд технологических решений в ее так называемой дамасской медной технологии. В короткий срок с помощью специалистов IBM была разработана усовершенствованная реализация этой технологии, получившая название «двойной дамасской». Краткость сроков была продиктована жесточайшей конкуренцией на рынке: еще один, и далеко не последний альянс организовали компании Intel и Applied Materials (эта последняя, вообще говоря, лидер «черепашьего» мира по валовым показателям), взяв за основу своей разработки первоначальный «одинарный» дамасский процесс. В силу необходимости улаживать массу несовместимостей микрометаллургии и электрохимии меди с существующими наработками в микроэлектронике подобные технологии сложны. Однако на подходе уже другие варианты технологии, лед тронулся! Сразу признаюсь, что мое исследование породило гораздо больше вопросов, чем внятных ответов, завеса секретности весьма плотна, поэтому пока хочу ограничиться кратким описанием наиболее продвинутой в плане промышленного внедрения двойной дамасской технологии.

Вначале о преимуществах двойной дамасской медной технологии - Damascus Complete Copper, название технологической линейки оборудования альянса Lam и Novellus (и примкнувшей к ним IPEC), - перед традиционной алюминиевой. Попутно нужно заметить, что названный дамасским процесс имеет довольно слабое касательство к металлургии булатной стали. Похожего между ними маловато, кроме, возможно, удачно найденного гетерогенного сочетания различных медных структур. Гомогенные пленки меди просто никак не вписывались в существующие технологические приемы. Ну и, естественно, очень похожа секретность, которой окружены технологические режимы и параметры получения той и другой «дамасской» структуры.

Лучшая (чем у алюминия) проводимость меди позволяет исключить до 200 технологических операций (этапов) в изготовлении чипа. Это сильно, если вспомнить, что еще лет десять назад чип изготавливался за 60 операций, сегодня же производство микропроцессора требует 800 и более этапов.

Работая на одной тактовой частоте, чипы с медными межсоединениями будут потреблять на 30% меньше энергии, чем «классические». Учитывая же двух-трехкратное сокращение линейных размеров, достигаемое с помощью меди, подобная экономия выразится в еще больших значениях. Здесь уместно представить себе легкий и негорячий палмтоп (или хэнд-хелд - как кому нравится) с процессором, равным по мощности сегодняшнему Pentium II, только на частотах порядка 1 ГГц, с кэшем первого уровня под 1-2 Гбайт, с флэш-памятью под 300-500 Мбайт и/или RAM-диском 1-2 Гбайт.

Обычно средние затраты на этап технологического процесса в полупроводниковой промышленности имеют тенденцию снижаться на 25-30% каждый год. Внедрение двойного дамасского процесса на уровне внутренней разводки сократит общие затраты на 30% разом, сохраняя общую тенденцию сокращаться и далее, из года в год.

Для уровня 0,13 мкм и менее задержки в медных проводниках вдвое меньше, чем они могли бы быть в подобных (гипотетических, по большей части) структурах Al-SiO2. Вот они где, гигагерцовые чипы!

Кроме того, в алюминиевых тонких (ширина около 0,25 мкм) проводниках плотность тока уже такова, что происходит электромиграция алюминия, приводящая к отказам. Лучшая сопротивляемость этому эффекту, характерная для меди, позволяет достаточно легко преодолеть предел по ширине проводника. Теперь остаются ограничения типа слишком высокой диэлектрической проницаемости у SiO2 (между слоями металла лежит именно этот материал). С преодолением этого недостатка и внедрением более совершенной литографии медь будет применяться до пределов 0,13 мкм.

Дальнейшее изложение основывается на открытых исследовательских материалах и описаниях оборудования компаний Lam Research Corporation и Novellus Systems (http://www.lamrc.com/, http://www.novellus.com/)

Два основных отличия двойного дамасского медного процесса изготовления межсоединений от традиционной алюминиевой технологии состоят в следующем.

Во-первых, операцией, определяющей минимальную ширину и шаг разводки в случае Al, является травление металла, а планаризация (выравнивание обрабатываемой поверхности чипа по горизонтали) каждого металлического уровня осуществляется на этапах заполнения промежутка и CMP (химико-механической планаризации) диэлектрика. В процессе же изготовления медной разводки этапом, определяющим минимальную ширину и шаг проводников, является не травление металла, а более простое травление диэлектрика. Задачу планаризации выполняют на этапах осаждения и CMP меди.

Во-вторых, двойной дамасский процесс обладает еще одним преимуществом как перед обычной дамасской технологией, так и субтрактивным процессом, применяемым в настоящее время для изготовления алюминиевой разводки, он позволяет примерно на треть сократить число технологических этапов.

Двойная дамасская технология медных проводников

Схема

1. Осаждается тонкий слой нитрида кремния (голубого цвета - на рисунке). Это барьер, препятствующий диффузии меди между уровнями разводки, а также слой-ограничитель на этапе травления диэлектрика. Слой SiN должен быть плотным, не иметь остаточных изыточных напряжений и пор, ухудшающих его барьерные свойства.

2. Осаждается диэлектрик. Пока это SiO2, но в скором будущем он будет заменен на материал с меньшей диэлектрической проницаемостью, чтобы минимизировать паразитную электрическую емкость между слоями металла. Все технологические операции должны быть совместимы с новыми (low K) материалами - претендентами на замену оксида кремния.

3. Этап фотолитографии. Двойной дамасский процесс, при всех его преимуществах, представляется настоящим вызовом специалистам по литографии.

4-6. Травление сквозных отверстий. Почти идентично традиционному травлению канавок (trench), однако здесь есть сложности. При травлении канавок отсутствуют слои-ограничители (например TiN), что приводит к неравномерности глубины канавок. Выходом может служить осаждение оксида в два раздельных слоя (на рисунках этот технологический вариант не показан): один для уровня разводки, другой для сквозных отверстий. Между слоями - тонкий слой ограничителя травления. Но это усложняет технологию.

7-8. Осаждение меди. Выполняется известным способом химического осаждения из газовой фазы (CVD), довольно давно практикуемым в заполнении сквозных отверстий вольфрамом при традиционной алюминиевой разводке. Диффузионный барьер наносится плазменным осаждением тантала из газовой фазы. Тантал здесь идеален как партнер меди и, кроме того, он является материалом, качественно наиболее подходящим для покрытия ступенек сквозных структур. Еще одним вариантом процесса заполнения медью может служить гальваностегия. Этот метод дешев даже с учетом появления лишней операции - осаждения тонкого затравочного слоя, что необходимо перед запуском процесса гальванического покрытия. Здесь возможно осложнение: частицы меди могут попасть на стенки сквозных отверстий, где им совсем не место.

9. После этапа нанесения меди проводится планаризация. Метод CMP (представьте себе, что по пластине прошлись щеткой, пропитанной в особом растворе) подходит для меди, которая легко окисляется и пластична. Однако эти же качества создают опасность появления так называемого эффекта вогнутости. Он заключается в избыточном удалении металла с контактных площадок большой площади. Завершающий этап очистки после CMP чреват осложнениями, так как края и обратная сторона пластины обычно подвергаются воздействию медьсодержащих растворов процесса планаризации. Тем самым очистка требует тщательного мониторинга по остаточной меди. На практике как раз риск загрязнений на последних этапах и составляет одну из проблем, стоящих перед широким внедрением медных технологий. Двойной дамасский процесс добавляет сюда еще и вопросы, связанные с относительно глубоким травлением и последующей литографией.

Лабораторная практика получения медных структур показала наличие упомянутых здесь проблем и ограничений метода. И, тем не менее, недавно была представлена работоспособная технологическая линейка оборудования, реализующая модификацию двойного дамасского процесса и способная, как заявляется, решить все перечисленные и множество других проблем.

В линейку входят агрегаты компании Novellus Systems (Dual SPEED/SEQUEL, известная машина SABRE и др.), компании Lam Research Corporation (многокамерная машина Lam 4520XLE известной серии Alliance и очиститель On Track Synergy Performa), а также компании IPEC (AvantGaard 776).

Стандартный комплект оборудования для такого «медного» заводика обойдется заказчику примерно в миллион долларов США, что, в целом, соответствует сумме для обычного «алюминиевого» завода аналогичной производительности. Никакого удорожания от перехода на новую технологию. Более того, осторожно обещают даже удешевление производства медных чипов по сравнению с алюминиевыми, бери не хочу!

Линейка выставлена на продажу месяца три уже, эти же три месяца нужны для монтажа и пуска оборудования в промышленную эксплуатацию. Так что я начал разыскивать в Интернете первые медные чипы.

Но вот прошла неделя упорных, ночи напролет, поисков. И нет ничего! Не считая, конечно, выставочных образцов полулабораторного мастерства, типа представленных на недавней выставке «Semicon West» (Сан-Франциско) чипов компании AMD (медный SRAM на 256 Кбит и 1 Мбит не сильно впечатляет) и Motorola (опять медный SRAM, но, правда, на 4 Мбит и с рекордно малым размером ячейки памяти: 3,97 кв. мкм) В чем тут дело? За разъяснениями я обратился к знакомым мне сотрудникам компании Lam Research Corporation.

Ларчик просто открывался: вся полупроводниковая промышленность плюс все эти технологичекие черепахи находятся в затяжном и неостановимом кризисе. Заводы, которые одни проектируют и оборудуют, а другие эксплуатируют, вот уже два года как терпят убытки из-за перепроизводства. От 40 до 60% потребителей нового технологического оборудования размещены в Юго-Восточной Азии, и разразившийся там кризис привел к тому, что этих чудо-машин просто никто не покупает.

Создалась просто парадоксальная ситуация. Хорошо известно, что разработка современной промышленной технологии в области микроэлектроники для уровней массового выпуска чипов требует усилий тысячных коллективов разработчиков, и именно в таких масштабах построены основные компании в этой индустрии. Казалось бы, мелким фирмам здесь делать нечего. Ан нет! В условиях, когда признанные лидеры промышленности чуть живы, производя сокращения своего персонала на треть и более, появляется организованный двумя китайцами крошечный стартап с названием CuTec Research Inc.<1>, который довольствуется поштучной продажей отдельных машин медной технологии собственной разработки (http://www.cutec.com/). Понятно, что все это может сгодиться только для лабораторных испытаний, но на безрыбье...

Конечно, свою роль играет и то обстоятельство, что пока еще возможности традиционной алюминиевой технологии далеко не исчерпаны. Иными словами, гигабитные гигагерцовые чипы еще не стали насущной потребностью, как бы того ни хотелось. Компании AMD, IBM, Motorola, Intel называют различные даты, когда медные технологии будут востребованы в массовом объеме. Однако даже наиболее оптимистичный прогноз относит появление коммерческих медных чипов к 2001 году, а про безусловный переход от алюминия к меди вообще говорится с предельной осторожностью