應(yīng)用材料公司以技術(shù)助力極紫外光和三維環(huán)繞柵極晶體管實(shí)現(xiàn)二維微縮

?應(yīng)用材料公司利用 Stensar?CVD取代旋涂鍍膜以擴(kuò)展二維極紫外光邏輯微縮

?預(yù)覽最廣泛的三維環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)產(chǎn)品組合，包括兩種全新的IMS?系統(tǒng)

2022 年 4 月 21 日，加利福尼亞州圣克拉拉市——應(yīng)用材料公司推出了旨在幫助客戶利用極紫外光（EUV）繼續(xù)推進(jìn)二維微縮的多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，并詳細(xì)介紹了業(yè)內(nèi)最廣泛的下一代三維環(huán)繞柵極晶體管制造技術(shù)的產(chǎn)品組合。

環(huán)繞柵極（GAA）晶體管將成為自2010年FinFETs問世以來芯片行業(yè)最大的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變之一
材料工程的創(chuàng)新為GAA晶體管提供了功率和性能的提升

要在未來若干年內(nèi)提升晶體管密度，芯片制造商正在尋求互補(bǔ)的兩條道路。其一是延續(xù)傳統(tǒng)的摩爾定律二維微縮，也就是使用 EUV光刻和材料工程打造出更小的特征。另一條則是使用設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）和三維技巧，對(duì)邏輯單元布局進(jìn)行巧妙優(yōu)化，這樣無需對(duì)光刻?hào)啪噙M(jìn)行任何更改即可增加密度。后一種方法包括后段連線和環(huán)繞柵極（GAA）晶體管，即使面臨傳統(tǒng)二維微縮的減緩，仍將有力推動(dòng)邏輯密度在未來幾年內(nèi)的持續(xù)增長(zhǎng)。通過將這些技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以幫助芯片制造商完成邏輯芯片在未來的迭代進(jìn)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率、性能、面積、成本和上市時(shí)間（即 PPACt）的同步改善。

應(yīng)用材料公司高級(jí)副總裁、半導(dǎo)體產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理珀拉布?拉賈博士表示：“應(yīng)用材料公司的核心戰(zhàn)略是成為賦能客戶的PPACt賦能企業(yè)?，依托我們現(xiàn)有的七大創(chuàng)新，支持客戶利用EUV繼續(xù)推進(jìn)二維微縮。同時(shí)，我們還詳細(xì)介紹了GAA晶體管的顛覆性制造方法，該方法與現(xiàn)今FinFET晶體管截然不同。不僅如此，應(yīng)用材料公司已經(jīng)準(zhǔn)備好了覆蓋范圍最廣泛的GAA制造產(chǎn)品線，包含涉及外延生長(zhǎng)、原子層沉積和選擇性材料刻蝕的全新生產(chǎn)步驟，以及兩項(xiàng)全新的用于制造理想GAA氧化柵極和金屬柵極的集成材料解決方案（Integrated Materials Solutions?）。”

二維微縮的擴(kuò)展

極紫外光（EUV）光刻的出現(xiàn)使芯片制造商得以產(chǎn)出更小的特征，并增加晶體管密度。但行業(yè)目前的現(xiàn)狀是：要繼續(xù)利用EUV進(jìn)行微縮困難重重，迫切需要全新的沉積、刻蝕和量測(cè)方法。

完成EUV光刻膠顯影后，需要先通過稱為過渡層和硬掩模的一系列中間層對(duì)芯片圖形進(jìn)行刻蝕，隨后才能將其最終刻蝕到晶圓上。迄今為止，這些中間層都是使用旋涂技術(shù)來進(jìn)行沉積的。今日，應(yīng)用材料公司推出使用該公司的Precision化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)來進(jìn)行沉積，適用于EUV的 Stensar?先進(jìn)圖形鍍膜（Stensar? Advanced Patterning Film for EUV）。相較于旋涂沉積，應(yīng)用材料公司的CVD膜可幫助客戶對(duì)EUV硬掩模層進(jìn)行微調(diào)，使其達(dá)到特定厚度和刻蝕彈性，以便在整個(gè)晶圓上EUV圖形傳輸時(shí)達(dá)成接近完美的均勻性。

應(yīng)用材料公司還詳解了其Sym3?Y刻蝕系統(tǒng)的特殊功能，即允許客戶在相同反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行材料刻蝕和沉積，這樣可先改善EUV圖形，再將其刻蝕到晶圓上。Sym3反應(yīng)腔會(huì)輕輕移除EUV光刻膠材質(zhì)，然后以特殊方式重新進(jìn)行材料沉積，使圖形變均勻，從而消除因“隨機(jī)誤差”而產(chǎn)生的圖形易變性。改善后的EUV圖形可提高良率、降低芯片功耗并提升其性能。因此，位居DRAM市場(chǎng)中導(dǎo)體刻蝕系統(tǒng)首要供應(yīng)商位置的應(yīng)用材料公司，正在憑借其Sym3技術(shù)的飛速發(fā)展，將客戶群體從存儲(chǔ)器領(lǐng)域拓展到晶圓代工廠/邏輯芯片領(lǐng)域。

應(yīng)用材料公司還展示了如何將其PROVision?eBeam量測(cè)技術(shù)用于深入觀察多層芯片內(nèi)部，以便精確測(cè)量整個(gè)晶圓上的EUV圖形化特征，幫助客戶解決其他量測(cè)技巧可能無法診斷的“邊緣布局錯(cuò)誤”。應(yīng)用材料公司2021年電子束系統(tǒng)的營(yíng)收幾乎翻倍，使其躍居電子束技術(shù)供應(yīng)商榜首的位置。

三維環(huán)繞式柵極晶體管工藝設(shè)計(jì)

新興的GAA晶體管為客戶示范了如何利用三維設(shè)計(jì)技巧和DTCO布局創(chuàng)新來對(duì)二維微縮加以補(bǔ)充，即使二維微縮速度放緩，仍可快速提升邏輯密度。材料工程領(lǐng)域的創(chuàng)新同時(shí)還有助于GAA晶體管降低功耗和提升性能。

在FinFET中，構(gòu)成晶體管電子路徑的垂直溝道是由光刻和刻蝕來形成的，這種工藝會(huì)導(dǎo)致溝道寬度不均勻。而這種不均勻性則會(huì)對(duì)功耗和性能產(chǎn)生不利影響，這也是客戶轉(zhuǎn)投GAA的另一個(gè)主要原因。

GAA晶體管看上去就像是FinFET晶體管旋轉(zhuǎn)了90度，使溝道從垂直變?yōu)樗健AA溝道是通過使用外延生長(zhǎng)和選擇性材料刻蝕來形成的，這種技術(shù)使客戶得以精確設(shè)計(jì)寬度，實(shí)現(xiàn)寬度均勻，從而獲得最優(yōu)功耗和性能。外延生長(zhǎng)系統(tǒng)恰恰是應(yīng)用材料公司的首項(xiàng)產(chǎn)品，自此之后，它便一躍成為市場(chǎng)領(lǐng)頭羊。2016年，應(yīng)用材料公司發(fā)布Selectra?系統(tǒng)并在其中率先啟用選擇性材料刻蝕技術(shù)，迄今已提供1000余個(gè)反應(yīng)腔給客戶使用，并位居市場(chǎng)領(lǐng)袖地位。

GAA晶體管的主要制造挑戰(zhàn)在于溝道間距僅約10納米，在如此微小的空間內(nèi)，客戶必須在圍繞各溝道的全部四周進(jìn)行多層氧化柵極和金屬柵極堆疊的沉積。

應(yīng)用材料公司專為氧化柵極堆疊開發(fā)了IMS?（集成材料解決方案）系統(tǒng)，通過將氧化柵極變薄，增加了驅(qū)動(dòng)電流并提升晶體管性能。但氧化柵極越薄，通常就會(huì)導(dǎo)致漏電流越高，造成功耗浪費(fèi)和發(fā)熱。應(yīng)用材料公司全新的IMS?系統(tǒng)將等效氧化層厚度降低1.5埃，使設(shè)計(jì)師無需增加?xùn)艠O漏電流即可提升性能，或者在保持性能不變的前提下，使柵極漏電流減小至原先的十分之一以下。它將原子層沉積（ALD）、熱處理步驟、等離子處理步驟和量測(cè)整合到單一高真空系統(tǒng)內(nèi)。

應(yīng)用材料公司還展示了IMS系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于GAA金屬柵極的工藝，支持客戶借由調(diào)整柵極厚度來微調(diào)晶體管閾值電壓，以滿足從電池供電式移動(dòng)設(shè)備到高性能服務(wù)器在內(nèi)的各種特定計(jì)算應(yīng)用的每瓦特功耗性能目標(biāo)。它可在高度真空環(huán)境內(nèi)執(zhí)行高精度金屬原子層沉積步驟以防止空氣污染。

應(yīng)用材料公司已經(jīng)在4月21日舉辦的“全新微縮之旅”大師課上，提供了有關(guān)其邏輯微縮解決方案的更多詳情。