还记得 SEMICON China 2018 开幕仪式上,泛林集团执行副总裁兼首席技术官 Richard A. Gottscho 博士发表的题为“实现原子级的生产制造”的主题演讲吗?
 
历时半个月,小编终于把这段精彩演讲总结归纳成了一篇干货满满的技术文章。
 
今天将为大家精彩呈上!
 
相信你一定有这样的感觉,我们的世界正在逐渐成为一个数据的世界——万事万物都能用数据描述,而一举一动都在产生数据。
 
 
有预测表示,至 2020 年,我们的世界将产生 67ZB(泽字节)的数据。以目前 PC 主流使用的 1TB 硬盘来计算,这些数据能够塞满整整十亿块这样的硬盘。
 
海量数据组成的数据大厦,其基石是一块块用于数据存储和运算的芯片,这些芯片广泛存在于各种应用中,并随着应用带来的需求提升不断改进其制造技术。
 
 
对于芯片制造商而言,每瓦性能、带宽、延迟、晶体管密度等众多具体指标都是制程工艺的体现。从我们耳熟能详的 14nm、10nm,到目前风头正盛的 7nm,再到展望中的 5nm、3nm 工艺,指的正是制程工艺。
 
芯片的基本单元是晶体管,晶体管结构中栅极的最小宽度(栅长)便是制程工艺的数值。通俗地说,芯片制程工艺的发展,就是制造出更小晶体管的过程。在此过程中,我们克服了不少瓶颈:比如,当平面结构无法承受晶体管尺寸进一步缩小的时候,我们创造了三维结构的 FinFET、3D NAND;当硅作为原材料无法满足要求的时候,我们尝试了碳纳米管复合材料。
 
随着制程跨过 7nm,走向 5nm、3nm 以下,原子尺度的限制成为了我们需要突破的最大瓶颈。原子是构成物质的基本单元,而一个原子的直径在 1 埃(0.1nm)的尺度上,这意味着未来的晶体管,将由数十个,甚至几个原子组成,而技术发展的最终方向,就是单原子晶体管。如今,已有研究者在实验室内实现了该技术。
 
我们不禁要问,以目前原子级生产技术,距离单原子晶体管的量产还有多远?
 
可以说,阻碍我们实现原子级生产技术发展的最大挑战,是在缩减尺寸的同时,确保性能的一致,控制差异性。我们不妨从小到大,分别从晶粒(die)、晶圆(wafer)以及整体生产过程尺度上,看一下差异性的挑战具体来自于哪里。
 

 

 
差异性的挑战具体来自于哪里?
在一个晶粒中,包含了数以十亿计的晶体管,每一个晶体管的边缘粗糙度、图形本身或者相关几何特性等因素,都会通过其对应的沉积、刻蚀等工艺步骤引入差异性。
 
而在晶圆尺度上,由于晶圆并非完全均匀,一片晶圆各个位置的电化学元素组成并不相同,因此造成的薄膜厚度和刻蚀特征、刻蚀速率的差异,以及其他的诸如化学品通量、离子与电子的影响等也是差异性产生的原因。
 
最后回到整体生产过程上,当我们在进行化学气相沉积或者刻蚀的时候,设备之间会有差异,反应在部件、材料和工艺上的变化,使得设备之间的工艺相同变得困难重重。
 
 
造成差异性的原理
在晶粒的尺度下,我们不妨单独以一个基础刻蚀结构为例——在制造过程中,中性通量将会受到阴影效应和努森扩散的限制,而离子通量则会受限于差异电荷累积。而保持一致性的关键便是控制好基础刻蚀结构的深宽比,一旦深宽比有所变化,就会因为上述的各种限制引入变异性。
 
而到晶圆的尺度上,由于晶圆本身的不均匀和尺寸有限,因此在晶圆最边缘,材料的性质往往已经有所不同,导致这部分晶圆不能以理想的方式进行刻蚀,或刻蚀速率不同。此外,晶圆边缘和中心的化学品通量不同往往也会造成边缘或中心产生化学品的差异。因此,晶圆各个部位特点的不同,也是造成刻蚀结果不均匀并最终引入差异性的主要原因。
 
再扩大到整体生产过程,设备之间的匹配问题引入的差异性虽然目前还在可以接受的范围内,但也已经无法满足未来更高的要求。
 
看清挡在单原子晶体管量产前的阻碍后,为了征服它,我们提出了原子层沉积(ALD)和原子层刻蚀(ALE)的概念。这两个概念其实早在 30 年前就已经诞生,不过最近两年才逐渐投入量产。这两种概念背后的原理非常简单,即把沉积和刻蚀分开为两个基础工序——表面反应物饱和吸附和表面反应。
 
ALD
我们先来看 ALD。以二氧化硅的沉积为例,具体操作过程是先在衬底的表面引入硅,实现表面硅的饱和化,然后再引入氧气,通过等离子关联加速反应,生成氧原子并与衬底表面已经饱和的硅发生反应,从而生成并沉积一层二氧化硅。由于表面饱和化的过程具有自限性,因此每一次工艺循环,都能生成可控的单层沉积层,从而让我们实现更精准的沉积控制。
 
 
ALE
ALE 的原理基本也是如此,首先在需要刻蚀的表面导入氯气进行饱和化,当然,这也是一个自限性的过程。随后导入惰性气体氩,以氩离子轰击氯化层并留下未经改性的硅表面,达到去除的目的。值得一提的是,这种去除过程也是自限性的。通过这样的操作,我们便能够实现原子级尺度的刻蚀。
 
 
当然,目前 ALD 和 ALE 技术仍然面临不少技术难关亟待突破。比如刻蚀率很慢的问题会严重影响量产的效率;ALE 中离子能过大导致的溅射问题;晶圆层面仍然无法实现完全平滑和均匀的原子层……种种有别于传统刻蚀的全新问题、全新要求,仍然值得生产技术研究者和设备制造厂商投入大量资源进行探索,通过革新反应器设计等手段,尝试解决原子级生产技术量产难题。
 
写在最后
虽然困难重重,但学术界已经演示了单原子晶体管的可能性。但要实现单原子晶体管的量产仍然是半导体技术路线图上的一个很大挑战。当然,人类的想象力是无穷的,当我们达到了单原子晶体管这一受限于原子尺度的极限之后,是否还能够继续突破呢?答案一定是乐观的,让我们拭目以待。