Как отмечает EE Times, развитие этой технологии отражает более широкий сдвиг в полупроводниковой отрасли: чем сложнее геометрия устройств, тем важнее становится способность управлять материалами внутри структур, которые после изготовления отдельных слоёв оказываются скрытыми от непосредственного контроля.
Трёхмерное масштабирование меняет требования к материалам
На протяжении десятилетий развитие микроэлектроники связывали прежде всего с уменьшением размеров элементов. Однако по мере перехода к объёмным архитектурам логических микросхем и памяти производственная задача усложняется. Недостаточно сформировать структуру заданных размеров — необходимо равномерно нанести материалы на её поверхности, заполнить узкие промежутки без пустот и швов, а затем подготовить ровную поверхность для следующих технологических операций.
«Задача теперь меняется», — отмечает Стивен Сопко, руководитель направления полупроводников и глубоких технологий исследовательской компании HyperFRAME Research. По его словам, производителям всё чаще приходится решать задачи выращивания, травления и заполнения структур в трёх измерениях, в том числе контролируя свойства материалов на поверхностях, которые впоследствии окажутся внутри устройства.
Литография при этом сохраняет фундаментальное значение: она задаёт шаг структур и критические размеры элементов. Но после формирования рисунка на первый план выходят другие процессы, от которых зависит, удастся ли воспроизвести проектную геометрию в серийном производстве с приемлемым выходом годных изделий.
Одним из перспективных решений ASM International считает технологию Flowable Carbon — процесс плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD), предназначенный для заполнения сложных структур углеродным материалом с последующим самовыравниванием поверхности. В некоторых технологических маршрутах такой подход позволяет отказаться от отдельных операций химико-механической планаризации (CMP) и обратного травления.
Текучий углерод для сложных структур
Углеродные плёнки применяются в производстве полупроводников более 20 лет, в частности в качестве твёрдых масок при формировании рисунка. Однако традиционные материалы не всегда отвечают требованиям современных трёхмерных архитектур.
За последние четыре-пять лет многие разработчики логических микросхем начали активно осваивать транзисторы GAA. В таких приборах затвор охватывает канал со всех сторон, что позволяет эффективнее управлять током, но предъявляет повышенные требования к точности формирования и заполнения сложных структур.
В отличие от традиционных транзисторов FinFET, где критически важным параметром была ширина кремниевого ребра, в транзисторах с нанолистами необходимо контролировать также толщину листов и свойства чередующихся слоёв материалов, например кремния и кремний-германия.
Дополнительные сложности возникают при производстве трёхмерной NAND-памяти, гибридном соединении кристаллов и интеграции чиплетов. В перспективе аналогичные требования могут распространиться и на DRAM, архитектура которой, как ожидают в ASM, будет активнее развиваться в третьем измерении.
При нанесении традиционной углеродной плёнки методом PECVD материал повторяет геометрию поверхности. В сложных структурах это может приводить к неоднородности плёнки по глубине, образованию швов и пустот. Для современных устройств, в которых необходимо заполнять узкие промежутки одновременно по вертикали и горизонтали, такие дефекты становятся существенным ограничением.
«Можно ли заполнить структуру сразу в трёх направлениях, сохранив плоскую поверхность?» — так Тайлер Сэмпл, вице-президент и руководитель подразделения PECVD компании ASM, формулирует одну из ключевых задач технологии.
Ответ компании — изменить свойства самого материала. В процессе Flowable Carbon углеродная плёнка способна перераспределяться внутри формируемой структуры, заполняя полости, а затем образовывать выровненную поверхность. Таким образом, технология не ограничивается нанесением конформного слоя, повторяющего рельеф подложки.
ASM использует накопленный опыт разработки материалов для атомно-слоевого осаждения (ALD) и эпитаксии. Исследовательские группы компании в Бельгии и Финляндии работают над созданием материалов под конкретные технологические задачи заказчиков, после чего разрабатываются оборудование и режимы процесса, позволяющие применять их в производстве микросхем.
Меньше операций — ниже риск дефектов
В традиционных технологических маршрутах после заполнения структур может потребоваться химико-механическая планаризация, которая обеспечивает ровную поверхность для последующих операций. Для углеродных материалов эта процедура сама по себе может представлять технологическую сложность.
Flowable Carbon сочетает заполнение полостей с самовыравниванием поверхности. Благодаря этому в некоторых процессах можно исключить отдельную операцию CMP. Оборудование ASM также поддерживает обратное травление непосредственно в установке осаждения, что потенциально позволяет отказаться от отдельного этапа обработки.
По словам Сэмпла, исключение двух операций — планаризации и травления — способно упростить технологический маршрут и снизить производственные затраты. Однако важнее экономии времени и оборудования может оказаться влияние на выход годных изделий.
Изготовление одной современной микросхемы может включать до 1000 технологических операций. Каждая из них требует точного контроля, а дополнительные этапы увеличивают сложность производства и создают новые возможности для появления дефектов. Если удаётся исключить отдельную операцию без ухудшения характеристик изделия, производитель потенциально получает возможность повысить производительность линии и выход годных кристаллов.
Для полупроводниковой отрасли, испытывающей растущий спрос со стороны систем искусственного интеллекта, это особенно важно: увеличение выпуска определяется не только производительностью оборудования, но и долей изделий, соответствующих требованиям качества.
От логических микросхем к трёхмерной памяти
Первоначально ASM рассчитывает применять Flowable Carbon прежде всего при производстве транзисторов GAA. Вместе с тем, по словам представителей компании, технологию оценивают и производители памяти.
По мере вертикального масштабирования 3D NAND растёт отношение глубины структуры к её ширине — аспектное отношение. Чем оно выше, тем сложнее равномерно заполнить узкую полость и избежать образования внутренних дефектов.
Как сообщил Сэмпл, ASM продемонстрировала возможности материала на структурах типа GAA с аспектным отношением примерно от 5:1 до 10:1, а также на структурах 3D NAND с отношением, достигающим приблизительно 200:1. Компания также исследовала применение технологии для более крупных элементов, связанных с корпусной интеграцией.
По данным ASM, материал испытывали в диапазоне температур примерно от 200 до 900 °C. Это важно для оценки совместимости с различными технологическими маршрутами производства логических микросхем и памяти, в которых допустимая тепловая нагрузка существенно различается.
Ещё одним перспективным направлением могут стать будущие архитектуры трёхмерной DRAM. По оценке Сэмпла, заметный дополнительный спрос на технологии заполнения подобных структур может возникнуть в течение пяти-семи лет.
При этом Flowable Carbon уже вышла за рамки лабораторных исследований. По словам представителя ASM, технология внедряется в крупносерийное производство, а компания взаимодействует с ведущими производителями микросхем. Программа разработки началась примерно шесть-семь лет назад, когда ASM прогнозировала появление новых требований к материалам для логических устройств и памяти.
За пределами литографии
Усложнение трёхмерных структур повышает требования не только к осаждению и заполнению, но и к метрологии — методам измерения и контроля параметров изделий. Пустоты и другие дефекты могут скрываться глубоко внутри структуры, поэтому обнаружить их без повреждения пластины становится всё труднее.
Как подчёркивает Сопко, если дефект невозможно обнаружить, устранить его причину также не получится. Следовательно, дальнейшее развитие микроэлектроники потребует совершенствования не только производственных процессов, но и методов контроля качества.
Для ASM технология Flowable Carbon одновременно открывает возможность расширить позиции в сегменте PECVD. Компания традиционно известна прежде всего решениями для атомно-слоевого осаждения и эпитаксии, тогда как на рынке PECVD уже работают крупные поставщики оборудования, включая Applied Materials и Lam Research.
По словам Сэмпла, одна из задач ASM — убедить заказчиков, привыкших воспринимать компанию прежде всего как поставщика ALD-оборудования, рассматривать её решения и для PECVD. Flowable Carbon позволяет предложить рынку не просто ещё одну установку осаждения, а технологию, объединяющую заполнение сложных структур и выравнивание поверхности.
В перспективе требования к материалам могут ещё больше возрасти при переходе к архитектурам CFET, в которых транзисторы n- и p-типа располагаются друг над другом. Дополнительные возможности открывает и развитие передовых методов корпусной интеграции, где всё активнее используются процессы, ранее характерные преимущественно для фронтенда производства полупроводниковых пластин.
Таким образом, литография остаётся основой формирования микроскопических элементов, но её возможностей недостаточно для решения всех задач трёхмерного масштабирования. Результат всё в большей степени зависит от согласованной работы материаловедения, осаждения, травления, планаризации и метрологии.
Если дальнейшее уменьшение размеров элементов требует всё более сложных технологических операций, не станет ли именно способность упрощать производственный маршрут — без потери точности и выхода годных изделий — главным конкурентным преимуществом производителей полупроводникового оборудования?
Источник: https://www.eetimes.com/beyond-lithography-3d-scaling-puts-new-demands-on-materials/Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
