超越光刻技术，半导体发展路线图

3D缩放对材料提出了新的要求。

几十年来，半导体微缩主要体现在尺寸的缩小上。但随着逻辑和存储结构在垂直和水平方向上的扩展日益加深，缩小特征尺寸仅仅是制造挑战的一部分。

“现在的挑战在于如何从上方构建图案，” HyperFRAME Research 的半导体和深科技业务负责人Stephen Sopko说道。制造商不再仅仅考虑从上方构建图案结构，而是越来越多地需要在三维空间中生长、蚀刻和填充这些结构，并控制可能被埋入日益复杂的器件内部的表面材料。

光刻技术仍然至关重要。索普科将其描述为“设定间距和关键尺寸”。但是，一旦这些越来越小的尺寸被确定下来，沉积、蚀刻和材料工程在决定最终结构是否能够大规模制造方面就发挥着越来越重要的作用。

这种转变为半导体设备公司创造了机会，使其能够重新思考那些几十年来一直承担着相对简单任务的材料。

ASM International公司正瞄准这些机遇之一，推出其等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术——流动碳材料。该技术旨在填充复杂的三维结构，同时形成平整的表面。该公司表示，在某些工艺流程中，该技术可以省去后续的化学机械抛光（CMP）和蚀刻步骤。

流动性碳纤维可实现无空隙填充，并形成平坦表面，便于后续图案化。（来源：ASM）

碳材料与三维缩放的挑战

碳膜在半导体制造领域已应用超过二十年，包括用作图案化过程中的硬掩模。但这些薄膜必须适应的结构正在发生变化。

“在过去的四五年里，许多逻辑芯片代工厂开始研发全环栅器件，” ASM公司副总裁兼PECVD产品部门负责人泰勒·桑普尔表示。“当然，这些器件本质上是3D的。

3D NAND闪存面临三维制造挑战的时间相当长。如今，逻辑芯片也加入了这一行列，而混合键合和芯片集成则引入了更多三维结构。Sample预计DRAM最终也将进一步向三维方向发展。

问题不仅仅在于结构越来越高。传统的PECVD碳可以均匀地沉积在结构表面，但随着几何形状变得越来越复杂，Sample指出，制造商可能会遇到薄膜质量和均匀性沿结构深度方向的变化。根据几何形状的不同，还可能形成空隙或接缝。

环栅晶体管体现了这种变化的问题。材料不仅需要涂覆在表面，还需要包围纳米片，并在横向和纵向上填充空间。

“你把它图案化，得到关键尺寸，但现在它们太小了，”Sample说。“你能在填充特征后保持平面的同时，同时在三个方向上填充吗？”

ASM的解决方法是改变碳本身的性质。“我们说它具有流动性，那就是它真正具有流动性，”Sample说道。

这种沉积和后续处理方法使材料能够重新流动形成结构，而无需仅仅依赖传统的保形沉积。Sample 表示，该方法可以适应各种几何形状，从环绕式栅极结构到存储器和其他应用中常见的大型开口。“真正使其独一无二的是化学成分和材料本身，”他说道。

ASM正凭借其在原子层沉积（ALD）材料开发方面的经验，拓展其等离子体增强化学气相沉积（PECVD）业务。Sample表示，ASM位于比利时和芬兰的研究团队致力于寻找能够解决客户提出问题的材料。随后，ASM会开发在半导体制造中使用这些材料所需的设备和工艺。

流动性碳材料还具有自平整化的特性。ASM工艺沉积足够的材料，在底层结构上方形成覆盖层。在后续加工过程中，材料会逐渐趋向于形成平坦的上表面。

这一特性有可能消除日益复杂的结构带来的另一个问题：填充之后该怎么办。

步骤越少，出现缺陷的机会就越少

在传统工艺中，如果沉积材料未能满足平坦化要求，则可能需要进行化学机械抛光（CMP）以形成后续加工所需的平坦表面。例如，涉及碳基材料的CMP本身就具有挑战性。

由于ASM的碳材料具有自平坦化特性，某些工艺流程可以省去化学机械抛光（CMP）步骤。ASM的设备还可以进行原位蚀刻回蚀，从而有可能省去单独的蚀刻步骤。

Sample表示：“你可以省去CMP步骤和蚀刻步骤。”他还补充说，随着半导体制造变得越来越复杂，减少步骤变得越来越有价值。

索普科指出，先进半导体制造工艺极其复杂，生产单个芯片可能需要多达1000道工序，每道工序都需要精确控制。每增加一道旨在提升器件性能的工序，都会增加降低产量或良率的风险。

“我们每增加产品的复杂性，大规模生产的挑战就会增加，”他说道。“对于半导体公司来说，良率至关重要。”

Sample从设备供应商的角度也表达了类似的观点。减少一个工序步骤可以消除执行该步骤的设备所产生的缺陷，同时还能降低成本。但他认为，提高产量和良率才是更重要的。“在如今人工智能时代，产量和良率才是王道，”他说。

ASM 最初预计 Flowable Carbon 将在全包围栅极器件中产生最大的影响，但 Sample 表示存储器制造商也在评估这项技术。

随着3D NAND闪存垂直尺寸的不断缩小，制造商必须加工的芯片纵横比也变得越来越极端。Sample表示，ASM已在纵横比约为5:1至10:1的环栅结构以及纵横比高达200:1的3D NAND结构中展示了其材料。该公司还致力于开发与封装相关的更大尺寸特征。

据 Sample 称，该材料已在约 200°C 至接近 900°C 的温度范围内进行了测试，使 ASM 能够满足逻辑和存储器制造中不同的热要求。

Sample 预计，未来 3D DRAM 架构将对填充技术产生更大的需求，可能在五到七年内实现。

重要的是，可流动碳并非仅仅是一项研究成果。Sample表示，该技术已投入大规模生产，ASM公司也与所有主要芯片制造商开展了合作。这项研发计划大约在六七年前启动，当时该公司预见到逻辑和存储器领域将出现新的需求。

流动性碳材料可在多种长宽比下自发形成平面。（来源：ASM）

超越光刻技术的规模化

材料日益重要，但这并不意味着光刻技术的重要性有所降低。Sample 表示，高数值孔径极紫外光刻 (High-NA EUV) 对于实现未来器件所需的关键尺寸至关重要。然而，确定这些尺寸又带来了一系列新的问题：如何在日益复杂的结构周围均匀沉积材料，如何无缝填充，如何精确蚀刻，以及如何保持表面平整。

索普科认为从鳍式场效应晶体管（FinFET）到纳米片的过渡就是一个鲜明的例子。在FinFET中，鳍片宽度是一个关键尺寸。而纳米片结构则引入了片层厚度以及硅和硅锗等交替材料层，从而更加强调材料科学的重要性。

对于 Sopko 而言，要满足日益三维结构的功率、热力和性能要求，就需要更多的材料突破，以及更快的研发速度。

这种转变也使整个半导体设备价值链面临更大的挑战。索普科以计量为例。空隙和其他缺陷可能隐藏在复杂的结构内部，使得在不破坏晶圆的情况下越来越难以检测。“如果看不到空隙，就无法修复它，”他说道。

对于ASM公司而言，这些变化为其拓展传统优势领域之外的业务提供了契机。该公司以原子层沉积和外延技术而闻名。Sample表示，ASM公司目前正将其在这些业务中积累的材料发现专长应用于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）领域。

ASM XP8 Vertos 是一款一体化 PECVD 设备，它将关键的图案化步骤整合到一个集成工艺中，把间隙填充和平坦化功能集成在一个系统中。（来源：ASM）

ASM面临着来自老牌PECVD供应商的竞争，尤其是应用材料公司和Lam Research公司。Sample承认，ASM面临的挑战之一是说服那些习惯于将该公司视为ALD供应商的客户考虑选择其PECVD产品。

“我们正努力在这个市场中占据一席之地，并利用这项技术真正发展壮大 PECVD 市场，”Sample 说。

流动性碳为ASM提供了一个基于材料创新而非仅仅另一种沉积工具的切入点。它在大批量生产中的应用表明，客户已经愿意尝试这种方案。

随着器件结构变得更加立体，机遇可能会进一步扩大。从GAA（广义阵列阵列）向互补型场效应晶体管（CFET）架构的过渡，将n型和p型器件垂直堆叠，这将对沉积工艺和材料提出更高的要求。此外，先进封装也开始需要类似于传统前端晶圆制造工艺和材料。

最终得到的不是超越光刻技术的半导体发展路线图，而是光刻技术与材料、沉积、蚀刻、平坦化和计量技术日益交织在一起的路线图。

打印更小的特征仍然至关重要。但随着这些特征进一步扩展到三维空间，围绕、之间以及内部进行构建的能力将越来越决定能否以可接受的良率实现持续的规模化生产。

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