应用材料公司推出业界最完整的次世代GAA晶体管制造技术组合

应用材料公司(Applied Materials)宣布推出多项创新技术,协助客户运用EUV持续进行2D微缩,并展示业界最完整的次世代3D闸极全环(GAA)晶体管制造技术组合。

应材公司表示,芯片制造商正试图通过两个可相互搭配的途径来增加未来几年的晶体管密度。一种是依循传统摩尔定律的2D微缩技术,使用EUV微影系统与材料工程以缩小线宽。另一种是使用设计技术优化(DTCO)与3D技术,巧妙地借由优化逻辑单元布局来增加密度,而不需要改变微影间距。

其中,第二种方法需要使用晶背电源分配网络与闸极全环(Gate-All-Around, GAA)晶体管,随着传统2D微缩技术逐渐式微,未来预计能有效提升逻辑单元密度的比率。这些方法能帮助芯片厂商改善次世代逻辑芯片的功率、性能、单位面积、成本与上市时间(PPACt)。

应用材料公司半导体资深副总裁暨半导体产品业务群总经理帕布‧若杰(Prabu Raja)博士表示,应材的策略是成为“PPACt推动公司”(PPACt enablement company),因此今天发布的七项创新技术,其目的就是要协助客户运用EUV以持续进行2D微缩。

应用公司也详细说明GAA晶体管的制造方式与今日的FinFET晶体管有何不同,以及应用材料公司备妥为GAA的制造提供业界最完整的产品组合,包括在磊晶、原子层沉积、选择性去除材料的新步骤及两种新集成性材料解决方案(Integrated Materials Solutions),以产生合适的GAA闸极氧化层与金属闸极。

极紫外光(EUV)微影技术的出现,让芯片制造商得以实现更小的线宽与更高的晶体管密度。然而,芯片制程不断微缩,使得EUV技术面临重大挑战,因而带动新的沉积、蚀刻与测量技术(metrology)需求。

EUV光阻剂显影后,必须通过一连串的中介层(又称为转移层与硬质光罩)蚀刻芯片图案,才能将图案转移至芯片上。目前这些薄层都是使用旋转式技术进行沉积。应材推出专为EUV设计的Stensar先进图案化薄膜(Advanced Patterning Film),则是使用应材的Precision化学气相沉积(CVD)系统。相较于旋转式沉积技术,应材的CVD薄膜能协助客户调整EUV硬质光罩层的厚度并获得蚀刻弹性,让转移至整个芯片的EUV图案达到近乎完美的均匀度。

应材也详述了Sym3Y蚀刻系统的特殊功能,能让客户在相同反应室中蚀刻与沉积材料,以改善要蚀刻到芯片上的EUV图案。Sym3反应室会小心地移除EUV光阻剂,再使用特殊方式重新沉积材料,以减少随机误差所造成的图案偏差。改善后的EUV图案可以提高良率与芯片功率和性能。身为DRAM导体材料蚀刻系统最大供应商,应材的Sym3技术不仅已广泛应用于内存,更迅速获得芯片代工/逻辑制程客户的青睐。

应材也展示了PROVision电子束(eBeam)测量技术,可穿透芯片的多层结构,准确测量整个芯片的EUV图案线宽,帮助客户解决边缘放置(edge placement)错误,这是其他测量技术无法做到的。在2021年,应材的电子束系统营收增长了将近一倍,并成为电子束技术第一大供应商。

新兴的GAA晶体管体现了客户如何利用3D设计技术和DTCO布局创新来补强2D微缩,因此即使2D微缩技术式微,仍能快速提高逻辑密度。创新的材料工程解决方案也改善了GAA晶体管的功率和性能。

在FinFET中,形成晶体管电气路径的垂直信道是借由微影和蚀刻形成的,这些制程可能导致信道宽度以及信道表面粗糙程度不均匀,进而对功率和性能产生负面的影响,这是除了鳍高的物理限制外,客户转向GAA的主要原因之一。

GAA晶体管类似被旋转了90度的FinFET晶体管,使信道变成水平状而非垂直状。GAA信道是利用磊晶和选择性材料去除技术所形成,这些技术可让客户精确设计宽度和均匀性,以达到最佳的功率和性能。应材推出的第一个产品是磊晶系统,此后即一直是市场领导者。

应材在2016年推出Selectra系统时,就开创了选择性材料去除技术的先河,并且是市场的领导者,至今客户使用的反应室已超过1,000个。

制造GAA晶体管的主要挑战之一是,信道之间的空间只有10纳米左右,客户必须在有限的空间内将多层闸极氧化层(gate oxide)和金属闸极堆栈沉积在信道的四面。

应材针对闸极氧化层堆栈开发了IMS(Integrated Materials Solution)系统。更薄的闸极氧化层可以产生更高的驱动电流和晶体管性能。然而,较薄的闸极氧化层通常会导致较高的漏电流(leakage current),从而浪费功耗并产生热能。

应材新的IMS系统将等效氧化厚度缩减1.5埃(angstrom),使设计者能够在不增加闸极漏电的情况下提高性能,或者在保持性能不变的情况下将闸极漏电减少10倍以上。此系统它将原子层沉积(ALD)、热处理步骤、电浆处理步骤和测量技术集成在一个高度真空的系统中。

应材还展示了用于GAA金属闸极堆栈工程设计的IMS系统,使客户能够改变闸极厚度,以调整晶体管的阈值电压,满足从电池供电的移动设备到高性能服务器等特殊运算应用的每瓦性能目标。它可在高度真空中执行高精度的金属ALD步骤,实现预防大气污染的目标。

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