智能刻蝕帶來突破性的生產(chǎn)力提升

Sense.i為刻蝕技術(shù)的未來設(shè)定步伐

作者：泛林集團(tuán) 高級副總裁兼刻蝕事業(yè)部總經(jīng)理 Vahid Vahedi

增加電路密度而不必移動到新技術(shù)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢使得垂直擴(kuò)展成為半導(dǎo)體行業(yè)的強(qiáng)大驅(qū)動力。但它也有一系列挑戰(zhàn)，其中關(guān)鍵的挑戰(zhàn)便是刻蝕能力。

隨著晶圓廠已經(jīng)在制造超過90層的NAND器件，他們需要50:1或更高深寬比 （HAR） 的存儲孔結(jié)構(gòu)。

這意味著晶圓廠需要埃米級的輪廓控制同時(shí)在特征結(jié)構(gòu)中進(jìn)行多微米深刻蝕?？涛g這樣的孔洞時(shí)我們會面臨傳輸限制的根本性挑戰(zhàn)。中子和離子都不能充分到達(dá)孔的底部，而通過增加離子能量來解決這一點(diǎn)會消耗頂部的掩膜。因此，高深寬比刻蝕會出現(xiàn)關(guān)鍵尺寸變化、不完全刻蝕和扭曲等問題，這就要求刻蝕能力具有選擇性和精確性。

不過挑戰(zhàn)并未就此結(jié)束。芯片設(shè)計(jì)的要求是，在每一片晶圓上同時(shí)刻蝕超過一萬億個(gè)孔，且需要這些孔均勻并可預(yù)測。當(dāng)大批量生產(chǎn)要求晶圓廠每月生產(chǎn)140萬片NAND晶圓時(shí)，刻蝕挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜，并可能對位成本產(chǎn)生重大影響（圖1）。

圖1：保持節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的成本降低曲線是行業(yè)成功的基石，而這變得越來越困難。

商業(yè)需求

盡管深寬比越來越高，刻蝕選擇性要求也越來越高，關(guān)鍵尺寸（CD）的收縮速度也越來越快，但開發(fā)產(chǎn)品的制造商們還是希望盡快從研發(fā)階段過渡到量產(chǎn)階段。盡管面臨著位成本的挑戰(zhàn)，但3D NAND從研發(fā)到量產(chǎn)的速度并未放緩。其實(shí)這一過程正在加速，因?yàn)橹圃焐滔ＭM早將產(chǎn)品推向市場，以收回他們的研發(fā)投資（圖2）。因此，制造商需要一種適應(yīng)性強(qiáng)的設(shè)備，既能提供研發(fā)所需的靈活性，又能快速過渡到量產(chǎn)。

圖2：提高垂直縮放集成面臨的三重挑戰(zhàn)，業(yè)務(wù)需要快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)，以及在有限的晶圓廠空間的運(yùn)營條件下現(xiàn)實(shí)所需的顛覆性的刻蝕技術(shù)創(chuàng)新。

此外，隨著刻蝕強(qiáng)度的增加，晶圓廠為這些設(shè)備提供足夠空間的挑戰(zhàn)變得越來越大。由于晶圓廠的運(yùn)營成本和建造成本一樣高，晶圓廠負(fù)責(zé)人都想要優(yōu)化空間，并使用這些設(shè)備生產(chǎn)盡可能多的晶圓。

應(yīng)對挑戰(zhàn)

解決方案在于用更高的離子能量，去克服高深寬比結(jié)構(gòu)的傳輸限制，通過材料技術(shù)進(jìn)行高選擇性刻蝕，使掩膜在接近結(jié)構(gòu)頂部的地方得到保護(hù)，并確保整片晶圓上等離子體的均勻性——所有這些都來自空間優(yōu)化的整體解決方案，需要其擁有足夠的靈活性，以滿足迅速從研發(fā)到爬坡實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

泛林集團(tuán)Equipment Intelligence? （設(shè)備智能）的概念就建立在性能的三個(gè)關(guān)鍵支柱之上——自感知、自維護(hù)和自適應(yīng)。

• 一個(gè)自感知的設(shè)備將感知到卡盤的存在、卡盤的制造數(shù)據(jù)、卡盤的變化、卡盤是否被適當(dāng)校準(zhǔn)、以及如何實(shí)時(shí)校準(zhǔn)卡盤。例如泛林的Hydra?系統(tǒng)就具有這樣的自感知功能，這可以省去人力校準(zhǔn)卡盤的工作量。
• 智能設(shè)備的自維護(hù)功能讓設(shè)備可以檢測到何時(shí)需要維護(hù)，合理安排維護(hù)以避免計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間，并自動化所有涉及到維護(hù)的重復(fù)性任務(wù)。泛林已經(jīng)成功將其應(yīng)用于Corvus? R系統(tǒng)中，用于監(jiān)測和更換外緣圓環(huán)。
• 自適應(yīng)設(shè)備可以通過調(diào)整來抵消載入物料變化或工藝偏差。例如，泛林的LSRa系統(tǒng)通過分析從晶圓反射的光譜，使每片晶圓的刻蝕端點(diǎn)基于其進(jìn)入狀態(tài)，這種自適應(yīng)大大降低了可變性。

Sense.i對智能刻蝕的意義

泛林全新的開創(chuàng)性平臺Sense.i? （圖3）將所有這些功能整合到一個(gè)解決方案中。Sense.i平臺基于緊湊且高密度的架構(gòu)，擁有無與倫比的系統(tǒng)智能，確保在最高生產(chǎn)率下依然能實(shí)現(xiàn)良好的工藝性能，支持邏輯和存儲設(shè)備在未來十年的擴(kuò)展路線圖。

它提供了一個(gè)更大的工藝窗口，以改善關(guān)鍵尺寸和輪廓控制，并更好地使器件實(shí)現(xiàn)縮放。重新設(shè)計(jì)的等離子體均勻性控制提供了最均勻的晶圓成品和最高的良率，而增加的離子能量不僅可以實(shí)現(xiàn)高深寬比刻蝕，還可以提高刻蝕速率且降低晶圓成本。

Sense.i名字的意義基于兩個(gè)概念： “sense”， 感知，即設(shè)備具有最大的感知和監(jiān)控能力；“ei”指的是equipment intelligence，即設(shè)備智能，它可以理解數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為信息，助力晶圓廠提高設(shè)備的生產(chǎn)率。

通過泛林Equipment Intelligence?提供支持，Sense.i 可以分析數(shù)據(jù)，并幫助芯片制造商了解數(shù)據(jù)中的模式和趨勢，以進(jìn)一步優(yōu)化整組設(shè)備的性能和生產(chǎn)率。

自感知的Sense.i在系統(tǒng)感知性能和數(shù)據(jù)監(jiān)控能力方面提高了10倍。隨著不斷提升的感知和自校準(zhǔn)能力，自維護(hù)的Sense.i可提升設(shè)備的可用時(shí)間。例如，在生產(chǎn)過程中，該平臺可以在不打破真空的情況下進(jìn)行環(huán)交換，從而將設(shè)備的生產(chǎn)率提高15%以上。

圖3：提供更高的刻蝕性能和吞吐量的同時(shí)保持緊湊的設(shè)計(jì)，Sense.i的智能自學(xué)習(xí)能力使其滿足行業(yè)未來的要求。

泛林的Equipment Intelligence?配合Sense.i使這些系統(tǒng)具有高度自適應(yīng)能力，晶圓廠因而可以優(yōu)化設(shè)備性能，不僅僅是在一個(gè)腔室內(nèi)，而是從腔室到腔室以及設(shè)備到設(shè)備，貫穿整個(gè)晶圓廠的設(shè)備組。

該平臺的腔室具有更高的適應(yīng)性。將可擴(kuò)展性考慮在內(nèi)從頭開始重新設(shè)計(jì)，泛林能夠在制造需求不斷變化的情況下有效地交付下一代解決方案。

Sense.i平臺的占地面積更小，可解決晶圓廠面臨的空間挑戰(zhàn)，在相同的晶圓廠區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超過50%的晶圓吞吐量，讓該設(shè)備在關(guān)鍵和半關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域具有吸引力。

持續(xù)顛覆

行業(yè)需要顛覆性的生產(chǎn)力解決方案，以保持節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的成本降低曲線，不僅是現(xiàn)在，未來的節(jié)點(diǎn)也是如此。Sense.i智能刻蝕將憑借其大數(shù)據(jù)能力，在一個(gè)小小的空間中為刻蝕技術(shù)的未來設(shè)定步伐。