深入IBM氣隙製程
[科技新知]深入IBM氣隙製程
氣隙(Airgap)結構長久以來被視為可以增加IC晶片上的導線速度，儘管尚未有人開發出值得製造的製程流程，只有在去年某些公司如Philips(現在的NXP)展現類似氣隙製造流程的概觀，然而卻無法實現生產的承諾。現在IBM已經開發出使用自行組裝聚合物(Self-assembling polymer)光罩層於製程流程中的新型態氣隙，並宣稱只要附帶添加少許步驟，對每個介電層僅增加約1%的晶片成本；因此，對於先進的多層導線，約增加5%~8%的成本就可以增加35%的速度及降低15%的耗電。
電路速度會被環繞金屬導線的絕緣物介電常數(k)限制，所以產業藍圖大都聚焦在降低介電材料的k值，不幸的是，使用新介電材料的工程是困難且昂貴的，過去幾年儘管龐大的工作和許多錯誤的方向，現在世界上大部分人採用CVD生成SiCOH作為介電材料(k~3)，因為它提供可接受的成本、良率和可靠性。一般所謂的極低k值(ULK，又稱extreme low-k)薄膜通常是k~3的SiCOH添加約10%-40%體積率的微孔來達到k約為2.5-2.2，更多的微孔會損及良率和可靠性，所以達成k~2可行的方式是利用製程技巧導入單一孔洞如同「氣隙」。
IBM的成員Dan Edelstein，BEOL技術策略的經理，在多年的開發工作後創造出可生產的氣隙製程，在提供給SST關於IBM這些卓越的成果深入的說明時，他解釋說這不同於以往已知的氣隙製程流程，IBM的方式從雙鑲嵌銅和SiCOH介電層這些量產多年的製程開始，氣隙是用多步驟蝕刻形成的，利用自行組裝單層或標準的微影構成圖案，依導線的形狀而定。
自行組裝能用於造成平均20奈米的孔洞陣列，這些孔洞僅是用來在硬質罩幕層形成圖案後蝕刻進介電層，一個非關鍵(noncritical)微影步驟用來阻隔不需做氣隙的電路區域，Edelstein如此解釋。自行組裝層並非用來在上層導線的氣隙硬質罩幕層形成圖案，他說：「在這種架構的某些位置，使用微影比自行組裝更為可行」。
然而IBM並未使用氣隙於第一層金屬，但是這種導線架構中任何較高的金屬層都可使用，Edelstein補充說「大部分的晶片不需要在所有金屬層使用氣隙，但是或許需要一半」。無論哪一層，一種特別的三階段蝕刻製程用狹小的頂端開口來形成氣隙是製程中的關鍵(圖一)，「我們向下蝕刻出一條細縫，然後謹慎的挖開介電層使它看起來像汽球」，他解釋說「你有一個大間隙可降低電容和小狹縫可做封口」。
從雙鑲嵌銅導線/引洞和SiCOH單相介電層開始，基本的IBM氣隙製程流程如下：
1. 沉積硬質罩幕層。
2. 旋轉塗佈顯像層，可以是特別的新雙體(diblock)聚合物或標準光阻。
3. 使用聚合物的自行組裝特性或標準微影方式產生孔洞。
4. 用非關鍵微影阻隔不需蝕刻的電路區域。
5. 轉移顯像層的孔洞到硬質罩幕層。
6. 三階段蝕刻程序：單向性反應式離子蝕刻形成柱狀開口進入SiCOH，然後電漿損傷柱狀側壁，之後用等向性濕蝕刻去除大部分在硬質罩幕層下的SiCOH。
7. 移除硬質罩幕層。
8. PECVD沉積SiCOH層將細縫覆蓋形成典型的「封口」形狀。
因為自行組裝層無法與下層導線結構對準，而且阻隔層光罩使用「非關鍵」以節省成本，硬質罩幕層無可避免的會在某些金屬線的頂端或側邊曝開及蝕刻，因此SiCOH蝕刻劑必須有良好的選擇比以避免傷及銅或任何阻障金屬層，Edelstein說他們已經能夠將標準氣體先驅物成功運用在這道關鍵的反應式離子蝕刻步驟。
這個新的氣隙製程可以是標準流程外加的區段選項，所以設計者可以在任何晶片上導線結構選擇使用氣隙－而且IBM也開發出自動演算法來做出阻隔層光罩。Edelstein告訴SST「客戶可以在任何片上任何層次開啟氣隙選項」，這種把氣隙「附加」在現有的晶片上導線製程流程的能力將風險降到最低，同時也解釋了公司為何有信心在2009年導入生產。
這種雙體聚合物對氣隙製程的影響很大，開發出此材料IBM Almaden研究中心廣泛的把它運用在晶圓廠內－以處理和塗佈而言它像是一般的光阻，它有寬廣的製程條件範圍，而且IBM測出保存期限可超過一年。
用自行組裝連同微影打開整合製程流程的新契機，並在將來能夠尋求新的應用。「我們希望能直接把自行組裝應用在其它的元件架構」，Edelstein說「這只是冰山的一角」。
良性循環：日本太陽能市場成長吸引新供應商
日本剛萌芽的太陽能市場正在吸引運用新技術的新參賽者，而這將有助於降低價格並進一步刺激成長，這兩個將要大舉投入太陽能產業的大參賽者押注在設備和材料的創新以獲得成功。
「我們正在積極的採用新設備和材料，因為我們的風格就是做別人不曾做過的事」，Honda Soltec太陽能電池開發的負責人Yasuhiro Suzuki告訴SST的夥伴Nikkei Microdevices。據報導Honda將要運用源自汽車產業的鍍膜工具－非真空製程－於CIGS薄膜電池，今年內將在27.5MW的新工廠開始生產。Fuji Electric官員也說他們正在積極的採用新材料不同於目前樣品中的可撓式薄片來鑑別非晶矽電池。
許多不同領域的供應商正逐步增加提供給主流的複晶矽太陽能電池製造商－新型態的低成本矽、更高效能的線鋸和更好的封膠－來壓低太陽能的價格。JFE Steel提供的複晶矽用金屬冶煉製程去除矽中的雜質(首先用真空電子束，然後用氬氣電漿炬)，之後是類似鋼鐵製造的熔液純化和冷卻連續製程。這些冶金複晶矽爐可以相對稍微快速和便宜的上線使用，儘管出來的產品純度只有「6個9」(99.9999%)－低於傳統Siemens製程的「11個9」，但是至少對於產生電流太陽能電池顯然是足夠的。
Chisso Corp.正在重新改良舊式的還原鋅製程，來製造「7個9」 (99.99999%)純度的複晶矽，它的成本略多於冶金製程，但是仍低於Siemens方式30%-40%，這個化學品製造商已經和Nippon Mining Holdings及Toho Titanium合資將其商品化，現在正在初期生產將要驗證可大量生產。
Chisso製程利用熔化的矽與氯氣反應生成氯化矽(SiCl4)，然後以鋅蒸氣還原氯化矽產生複晶矽，和副產物氯化鋅(ZnCl2)，利用Toho Titanium的熔化鹽電解技術，氯化鋅可再回收成氯和鋅繼續加入反應。
其他供應商則是找到減少矽晶棒在切割成晶圓時使用典型0.14-0.16毫米線鋸，可降低廢料的方法。Yusunaga Wire Saw System供應極細0.07毫米線鋸及嚴格的均勻性控制給化合物半導體產業，看見太陽能產業的客戶購買研磨液回收系統(說明80%左右公司回收研磨液)也需要更好的線鋸，所以在四月引進一種商用太陽能矽晶線鋸，使用0.12毫米的線鋸可以同時切割兩支125毫米 x 25毫米 x 80毫米晶棒，據報導產出較0.14毫米線鋸多出6.8%，而且晶圓產出從1436片增加到1534片。
一家以線切割放電加工系統做精密切割的主要供應商Mitsubishi Electric，也正在使用新技術到太陽能產業，這項技術用線鋸和材料之間脈衝放電的熱能，在不需接觸的情況下，精細的熔化並切割材料，雖然放電線鋸可以精細的切割，而且不需研磨液，但是一般只能用在易於產生脈衝放電的金屬切割，Mitsubishi利用高頻、單極源使得這種方式在矽的切割也能使用，該公司報導試驗證實晶圓在切割過程的額外熱能，對最終的太陽能電池轉換效率沒有影響。
同時Dainippon Printing (DNP)正在使用食物包裝塑膠的技術到太陽能電池的封膠和背板，DNP宣稱它的熱塑化烯烴膜的抗水蒸氣性能明顯優於其他熱處理膜，不需一般150℃的熱燒30分鐘，也不增加成本。DNP報導日本及海外主要的太陽能電池製造商已經驗證過這種材料，將在今年中產量提升後廣泛採用。
用於特性測試的單一奈米線放置系統
美國國家標準與技術局(NIST)的研究員宣稱創造出一種在半導體晶圓上操控和放置個別奈米線的方法，只用光學顯微鏡和傳統微影製程就可以製造測試結構。
目前最小直徑的奈米線是用原子接原子「從下而上」的整體成長過程組合而成的，例如CVD，依照NIST生長成為「乾草堆」般不同直徑和長度的奈米線。傳統的方式是「丟下整捆的奈米線在測試表面上，用顯微鏡在大概可能出現的地方尋找直到發現一根看起來還好的線，再用微影去做電性接觸」，NIST電子工程師Curt Richter如此陳述。
新的製程使用具有高解析顯微鏡的改良式探針量測儀，在一對客製化的鈦探針其針頭直徑<100(圖三)之下定位工作表面。矽奈米線懸浮在一滴水上，沉積於用微細標竿圖案化的承載晶圓；當乾燥後奈米線留在這些標竿上，就能被探針頭用靜電力選取出來。測試結構的晶圓放置在探針下，晶圓和/或探針頭移動直到奈米線放置在選定的位置。
然而無可否認地「並非完全適合量產」，這種製程有做出複雜結構測試奈米線特性的潛力，NIST說。這個團隊已經建立多點電性接觸測試結構來測試奈米線電阻，不受接觸電阻的影響，以及電化學開關作奈米線彈性的的量測。SST-AP/Taiwan
圖一：顏色對比增強型掃描式電子顯微鏡截面圖(放大2萬倍)顯示出氣隙結構，由下而上：鎢導線、銅導線、氧化物和複晶矽，氣隙是在銅導線兩邊的洞(來源：IBM)
圖二：日本太陽能電池產量提昇計畫將以Gigawatts來估計(來源：Sanya Electric、Nikkei Microdevices)