纳米模式能拯救摩尔定律吗?

多年来，学术界一直在探索一种叫做选择性沉积的新技术。然后，一年多前，英特尔率先努力将7纳米或5纳米技术从实验室带到工厂。如今，选择性沉积技术仍处于研发阶段，但在行业中正获得发展势头。

在英特尔和其他公司的研发资金支持下，选择性沉积(有时被称为ALD-enabled纳米图案)正在走出学术界。在最近的一次活动中，英特尔、TEL和几所大学发表了关于选择性沉积的论文。在幕后，其他铸造厂和fab工具供应商也在探索这项技术。

例如，英特尔认为，选择性沉积代表了未来节点模式的新范式转变。这是一种在原子水平上从下到上对芯片进行建模的技术。这项技术并不能取代目前的平版印刷技术，但它确实减少了流程中制模步骤的数量。

几十年来，芯片制造商一直在使用沉积技术，即在表面沉积一层材料的工艺。相比之下，结合新化学与原子层沉积(ALD)或分子层沉积(MLD)，选择性沉积是指在特定位置沉积材料和薄膜的过程。

选择性沉积的应用之一是解决芯片中关键层(即线后端(BEOL))的有问题的对齐问题。考虑到这一应用，英特尔表示，该技术可能会解决芯片缩放边缘放置误差(EPE)的最大障碍之一。EPE是在布局中测量预期轮廓和打印轮廓之间的差异。

“这是当今光刻技术的关键指标，也是最关键的事情之一，”Florian Gstrein说，他负责EUV光刻技术和新材料研究小组的组件研究实验室英特尔．“边缘放置错误是最大的风险摩尔定律．这是我们面临的最大风险。”

摩尔定律描述了芯片的扩展速度，随着行业向16nm/14nm甚至更远的方向迁移，该定律正在放缓。目前或未来的集成电路制造技术是否能使摩尔定律重回正轨尚不清楚。

英特尔对选择性沉积寄予厚望，但将这项技术从实验室带到工厂并非易事。当然，这项技术仍处于起步阶段。该过程很复杂，缺陷仍然是一个问题。

“当涉及到ald支持的纳米图案时，在工业应用中有几个障碍需要解决，”Han Jin Lim说三星研发中心。“通过选择性沉积控制线或接触模式的局部粗糙度是至关重要的。对随机缺陷的适当控制水平也很重要。”

为什么是选择性沉积?
芯片制造商看好选择性沉积和其他未来技术是有充分理由的。光刻技术是芯片缩放的关键推手，它仍在不断变化，该行业需要新的突破。

例如，今天的193nm浸没式光刻有望扩展到10nm。然后，在7nm及以上，仍然有许多选项摆在桌面上。极紫外线(EUV)光刻技术是7纳米工艺的领跑者，但尚不清楚EUV是否会按时准备就绪。

因此，在EUV的不确定性中，该行业必须保持选择的开放性，并为多种情况做好准备。高级物理验证方法项目经理David Abercrombie说:“你可以看到任何已知的方法被使用，如多模式、EUV、定向自组装或直写。导师图形．“EDA将主要受到使用哪种模式技术的影响。设计规则和特殊检查或着色要求因工艺和被成像图案的尺寸而异。”

在任何情况下，还有另一种选择，即选择性沉积。那么这是怎么回事呢?

多年来，英特尔一直使用1D布局方案来简化其IC设计和制造过程。其他铸造厂也正在从2D布局转向1D布局。为了实现一维布局，英特尔采用了两步流程来绘制晶圆线和切割。为此，第一步是使用193nm浸没光刻技术在晶圆上制作直线或光栅。然后，线条被精确地切割成精确的图案。

线条和切割图案必须精确，并在每一层上正确对齐。如果它们没有对齐，则会导致不对中和覆盖错误。叠加误差会导致EPE，从而影响设计的性能和良率。

覆盖层和EPE在每个节点都变得越来越具有挑战性，促使行业寻找新的解决方案，如选择性沉积。在一个简单的选择性沉积的例子中，一个微小的金属条被选择性地沉积在设备上的两条线之间。实际上，金属条在线条之间起到了引导作用，防止了图案中的错位。

这听起来很简单，但实际上是一项艰巨的任务。“过去有几个地方进行过选择性沉积。但这些应用都是非常具体的，我们已经着手解决了缺陷问题，”公司高级副总裁兼首席技术官Dave Hemker说林的研究．“但无论何时进行选择和沉积，都必须确保缺陷和其他问题得到解决。随着我们对它的了解越来越多，我们会看到更多的应用。”

同时，选择性沉积与今天的ALD有关。ALD工具用于今天的晶圆厂，一层一层地沉积材料。ALD涉及两个反应物a和b的二元过程。第一种反应物a被泵入ALD室。晶圆被加工，然后化学物质被净化。第二种反应物B也经历同样的过程。

选择性沉积也使用ALD，但与传统ALD不同。康奈尔大学化学与生物分子工程学院的詹姆斯·恩格斯特罗姆教授说:“区别在于你以某种方式欺骗了ALD过程，使其在材料A上生长，而不是在材料B上生长。”

在选择性沉积中，ALD用于选择性沉积无机化合物。MLD和ALD类似，但MLD处理的是有机材料。ALD和MLD都可以用来在金属上沉积金属，在器件上的介质上沉积介质。

该行业在金属上沉积金属方面取得了更大的进展。北卡罗来纳州立大学工程学院教授格雷戈里·帕森斯(Gregory Parsons)说:“电介质比金属更难。”“基本的区别在于反应性。”

然而，问题是明确的——它能在晶圆厂工作吗?帕森斯说:“这是我们在一些建模实验中试图解决的问题之一。”“问题是这能有多好?人们谈论99.99%的收益率。这可不行。99.99%的纯度和缺陷控制还远远达不到将其从实验室转移到工厂所需的水平。”

从实验室到工厂?
为了将选择性沉积引入晶圆厂，该行业将需要三种技术:合适的硬件、合适的化学物质和合理的流程。在硬件方面，行业使用第三方或定制ALD工具，这些工具通常适用于研发。“我们都在寻找选择性沉积的解决方案。应用材料．“由于可用的工具集有限，这种技术的发展受到了限制。”

Chu说，现在需要的是一种新的ALD技术。例如，应用材料公司正在推动基于空间的ALD技术应用于当前和未来的应用。与传统的单片ALD不同，空间ALD在小批系统中进行。晶圆被放置在一个系统中。晶圆移动到不同的区域，然后进行加工。

找到正确的化学反应是另一个挑战。三星的Lim说:“为了使ALD支持的纳米图案在半导体行业可用，需要仔细选择ALD前驱体和反应物。”“应该开发一种成本驱动的播种过程。”

芯片制造商还必须研究各种工艺流程。康奈尔大学的Engstrom认为，部署技术阻塞层有三种基本方式;促进剂;还有内在选择性。

一段时间以来，研究人员一直在探索阻塞层方法，有时被称为区域失活。为此，一种工具在表面沉积一种自组装的单层化学物质。这在表面形成了一个微小的掩膜。然后，在表面沉积所需的材料。因此，材料在不被掩模覆盖的表面形成核。

埃因霍温理工大学教授Erwin Kessels说:“有了SAM，通过区域失活，有可能进行选择性区域ALD或CVD。”“但这只在基板已经有图案的情况下提供了解决方案。区域失活的选择性沉积在大多数情况下并不能真正帮助你，当你真的想从自下而上生成模式时，这是最终的目标。然而，减少litho步数仍然是有帮助的。”

与此同时，启动子技术，有时被称为区域激活，正在获得支持。通常，在这种方法中，使用ALD将种子层沉积在表面的选定部分上。种子层与表面发生反应。所需的材料生长在种子层上，而不是表面的其他部分。

埃因霍温理工大学正在研究这种方法的一个版本——直写ALD。为此，使用新型电子束诱导沉积(EBID)工具对表面进行图案化。Kessels说:“在我们最近的工作中，我们花了很多时间来演示为通道材料(如碳纳米管或石墨烯)制造真实器件的方法。”“碳纳米管器件在高开关比下工作得非常好。石墨烯器件表现出高场效应迁移率和低接触电阻，表明自下而上的方法非常适合与石墨烯进行纳米接触。”

与此同时，在其最新的工作中，北卡罗来纳州立大学开发了一种通过表面还原形成金属薄膜的机制。帕森斯说:“在这种情况下，我们使用锡作为金属样本。”“我们认为，这种表面还原过程可能会导致金属成核的某些固有选择性。锡的一个应用例子是纳米线fet。我们正在探索将锡ALD转化为纳米多孔固体，作为一种产生所需结构的手段，尽管我们还没有报告任何这些结果。”

康奈尔大学也不甘示弱，正在开发一种稍微不同的方法。康奈尔大学的恩格斯特罗姆说:“这并不是真正的先天选择性，但可能是诱导的先天选择性。”“ALD中使用的所有含金属前体都是化合物。(它们可以是)无机的或有机金属的。为了使生长发生，前体必须化学吸附离解，形成一些分子片段。如果你能让含有金属的化学吸附片段与另一个物种重新结合，形成一个解吸的物种，你就可以获得反吸附。

“关键在于选择什么前驱体，以及在过程中添加什么吸附逆转剂，”他说。“这个想法非常通用，可以与许多ALD化学物质一起工作。可能的化学成分就像ALD本身一样多样。”