新一代芯片的堆叠、收缩和检查面临的挑战

的首席技术官Rick Gottscho林的研究，与《半导体工程》一起讨论了内存和设备的扩展，新的市场需求，以及由成本驱动的制造业变化，新技术和机器学习的应用。以下是那次谈话的节选。

SE:我们有很多不同的存储技术即将进入市场。这有什么影响呢?

Gottscho例很明显动态随机存取记忆体扩大规模变得越来越困难。我们仍然认为未来还有三代人，但每一代的成本和性能收益都越来越小。必须有东西来填补空白。然后是NAND和DRAM之间的存储级内存空间极化(相变内存)或XPoint内存部分填充，但不是完全填充。PCRAM或XPoint还可以创建新的终端用例，从而为传统NAND和DRAM所不存在的市场增长开辟新的载体。我们的观点是，没有一种东西可以取代DRAM。我们有各种各样的解决方案。可能会有三到四种变体填补这个空间，取代DRAM或部分DRAM市场。我们相信，无论解决方案空间由什么组成，它都将涉及3D架构。

SE:那么林郑月娥在这幅画中处于什么位置呢?

Gottscho它拥有可以填充高纵横比结构的设备，而不仅仅是垂直结构。这是一种水平-垂直组合-由内而外的填充，我们今天用钨做填充，建立一堆材料，如ONON(氧化物/氮化物)或OPOP(氧化物/多晶硅)，然后通过它们蚀刻高纵横比结构。我们认为解决方案来自3 d与非来自2D NAND的变形将适用于新的内存，无论它们是什么。复杂性，除其他外，将随着新材料的引入而来，特别是对于像MRAM这不仅复杂，而且对工艺条件敏感，因此很难垂直蚀刻。这就是为什么到目前为止，你还没有看到任何高密度的独立MRAM。你可以看到这一切都被嵌入到逻辑中，这是材料的结果。

SE:有些技术现在必须持续15到20年，尤其是在汽车和医疗领域。你们在设备方面有什么需求?

Gottscho当你与服务于汽车行业的客户打交道时，他们对变化的容忍度极低。您必须预先构建健壮的解决方案，因为如果遇到问题并需要更改某些内容——无论是硬件更改还是流程更改——这都是一个非常昂贵、耗时的过程。这与消费电子产品或智能手机市场不同，在这些市场，每个人每两年或更短时间就会更换一次设备。在DRAM中，风险承受能力要高得多，因为他们每12到18个月就会产生一种全新的设备技术。这是汽车和任何直接影响人类安全的东西的巨大区别。因此，风险承受能力非常低。这对我们来说是不同的挑战。它包括从陈旧管理到试图第一次就把事情做好的一切。

SE: 3D NAND将会发生什么?我们从32层到48层再到96层，现在是128层。

Gottscho:垂直扩张仍在继续。

SE:今年我们会看到128个吗?

Gottscho:当然是128年，但是192/196年会发生什么——是今年还是明年——还不清楚。

SE:是单层的吗?

Gottscho主要是双层的，但也有一些单层的。

SE:在192/196层之后3D NAND缩放会变慢吗?

Gottscho:我们对3D NAND扩展持乐观态度。在扩展3D NAND技术方面有两大挑战。一是随着你沉积越来越多的层，薄膜中的应力会逐渐增加，这可能会扭曲晶圆和扭曲图案，所以当你使用双层或三层时，对齐就成为一个更大的挑战。我们推出了一种新产品，可以进行背面沉积，以补偿晶圆正面的应力。我们也有减少薄膜内固有应力的解决方案。背面补偿和应力减小有助于晶圆尺寸的翘曲，但它对模内、面内畸变的帮助不大。事实上，有时它会使情况变得更糟，因为现在你有了所有的压力，就像夹住一个晶圆。你强迫它变平。所有这些压力都表现为模式的扭曲，所以你也必须对付内在的压力。

SE:解决方案是什么?

Gottscho我们已经修改了电影的版本，使我们能够极大地减轻这种压力。这样才能继续扩大规模。另一个巨大的挑战是成本扩张。不像平版印刷收缩，你可以在相同的区域以相同的成本获得更多的设备，在3D NAND中，你需要构建更多的层。沉积薄膜需要更长的时间，蚀刻也需要更长的时间，尤其是蚀刻，它会在错误的方向上非线性地缩放，这与蚀刻所花费的时间有关。我们正在努力减小薄膜的厚度。你会得到更多的层，但它们没有那么厚，这有助于解决成本问题。

SE:那沉积呢?

Gottscho:我们也在寻找提高沉积速率的方法。我们在这方面已经取得了巨大的进步。在蚀刻的情况下，我们正在研究不同的方法来提高固有的蚀刻率，这样当你增加纵横比时就不会有这么可怕的下降。然后，当你建立更多的层和有更多的设备，你开始担心的事情，如RC延迟与你的文字线。这推动了新的金属化，就像它在逻辑上处理这个问题一样。这些都是一些扩大规模的挑战，在这些领域都取得了很多进展，这就是为什么我们非常看好持续的扩大规模。我们说过将会出现256层3D NAND。3D NAND将在哪里结束尚不确定。成本将继续是一个挑战。压力变得越来越有挑战性，因为我们的压力层越来越多。

SE:从高级封装到3/2nm，再到沉积在这些芯片上的薄膜，压力已经成为一个问题。这一直是个问题。现在问题就大多了，对吧?

Gottscho:它一直都在那里。限制的程度取决于设备。使用3D NAND，管理压力的挑战是无与伦比的。但应力也被用于增强应变硅，这提高了流动性。

SE:不过，现在已经没有太多关于使用它来获得竞争优势的讨论了。

Gottscho不，只是头疼。当我们得到一个电影的规格，压力总是存在的。取证是一回事。电影的构图是另一个问题。它们要么是拉伸的，要么是压缩的，并且在一定的范围内。显然，在3D NAND的情况下，这是一个更大的问题。随着3D NAND的初步实施，有32对，压力是一个问题。但是到了196，情况就更糟了，也更关键了，因为所有的事情都加起来了。如果你是双层的，压力就变得更重要了因为对齐的问题。所以在3D NAND中，它变得更具挑战性。

SE:除了结构压力，我们还听到了更多的环境压力，尤其是在汽车和工业应用中。在汽车领域，有7/5nm的芯片在极端高温和振动下。

Gottscho环境条件的范围更广。温度循环是个问题。如果某物处于压力下，受到振动，就会导致过早失效。当涉及到应力或应力的温度依赖性时，汽车的要求要严格得多。

SE:使用3D NAND，每个节点和每个单元都有更多的比特密度。所有这些都有足够的需求吗?

Gottscho长期需求强劲。数据、数据生成和存储都呈爆炸性增长。所有这些用于挖掘数据的应用程序都将为新的应用程序提供更多的数据，因此对数据的需求是无止境的，并且永远存储数据。你没有理由不能挖掘你10年前获得的数据，并从中提取价值，只要它以一种非常容易访问的方式存储。但如果你考虑4位和5位单元格，Lam可以在这里做出改变。你实际上是在数字化电流/电压特性。你划分I/V曲线的精度取决于这个设备与它旁边或上面的设备看起来是否完全相同。所以如果你的内存洞蚀刻不够均匀，那么每个设备在数组中会有一点不同，你会做很多错误修正，使“这个”设备看起来像“那个”设备，有4或5位。在构建3D NAND结构时，沉积和蚀刻的加工精度至关重要，以及误差校正、算法和电路，以实现5位单元。

SE:这实际上是关于增加本质上的数据密度。但是，在设备方面会发生什么呢?所有这些都是新的，处于不断变化的状态。

Gottscho:那是真的。Lam为高密度存储器带来的价值是蚀刻和沉积的精度。如果是蚀刻，那就是轮廓控制的精度，如果是沉积，那就是厚度控制，如果是填充，那就没有空隙，以及在晶圆上的孔对孔，模对模，晶圆对晶圆，批次对批次，室对室的精度。这一切都是关于腔室匹配，过程控制和过程窗口，所以你天生就有统一的结果。这就简化了软件对错误修正的要求，以获得最大位密度。

SE:在数据使用和数据类型方面有什么变化?

Gottscho我们正在以不同的方式使用它，并更多地使用它，但要实现我们想做的事情的愿景，我们还有很长的路要走。浪费数据是件可怕的事情。问题是我们每天都会产生大量的数据。数据并没有被丢弃，但它们不一定是以一种直接挖掘的方式归档的。这限制了我们建设性地使用它的能力，无论是设计新配方、新工具还是生产更可重复或精确的沉积或蚀刻工艺。

SE:这是数据和数据收集不一致的结果吗?

Gottscho这是多种因素的结合，包括如何存储数据以便检索数据。如果您正在寻找一个特定的签名，如果数据没有存储为上下文数据，那么就很困难。或者可能有大量的数据来自工具传感器，但是你必须把它连接到晶圆上的测量，而这些测量是在不同的设备上完成的。因此，您需要连接来自不同来源的不同类型的数据，从结构化到非结构化，以这样一种方式，您可以编写一个应用程序，将它们链接在一起，并允许您挖掘它。该基础设施在整个行业中处于不同的成熟阶段。

SE:谁在为此编写训练算法?

Gottscho:我们编写自己的算法。我们也和其他人合作研究算法，有一些算法在公共领域。数据科学的一部分是理解哪些算法适用于哪些应用。

SE:但这不会造成一些问题吗?你有不同的算法，它们不一定以相同的方式描述事物。

Gottscho:你筛选算法并评估它们的工作效果，包括它们是否能提供你想要的准确性和精确度，以及它们的速度有多快。

SE:随着时间的推移，精度会发生变化，这取决于你想要收集什么。

Gottscho:一般来说，半导体行业的精度越来越高。这就是为什么挖掘数据并使用结果来提高精度的重要性。这些要求越来越严格。这就是良性循环。我们生成的数据和我们开发的算法来挖掘数据，然后再转化为更好的工具和流程，从而制造更好的芯片。这使我们能够更有效地挖掘数据。这个行业的成熟度范围很广。与设备公司相比，我们的客户——半导体制造商——拥有更多有用的数据。在数百万片晶圆投入生产之前，我们不会使用我们的工具来运行它们，而一旦它们投入生产，我们的客户就可以访问这些数据。关于谁拥有这些数据存在争议，但从实际的角度来看，他们可以随时访问这些数据，而我们可能会，也可能不会。

SE:EUV终于发生了。现在我们有了所有这些节点名。你如何看待这一切的发展?你看到3纳米技术的疯狂发展了吗?

Gottscho:当然，3nm工艺比5nm工艺更难，而5nm工艺比7nm工艺更难。我的理解是7nm的需求强劲，5nm的需求也将强劲。有些节点的寿命很短，因为它们没有提供足够的利益，我们客户的客户可能会寻找下一个节点，并拖延。很难确定哪一个会成为杀手节点，哪一个可能是短命的。但我们看到的总体趋势是，对尖端设备的需求仍在持续。这在很大程度上是由人工智能领域的大数据活动驱动的，你必须处理大量的信息，而且你不需要永远这样做。高速处理器、密集处理器和内存至关重要。

SE:搬到gate-all-around看起来更难了。它真的是从finFET进化而来的吗?

Gottscho:是的。纳米线要复杂得多nanosheet而不是finFET．有一些新的工艺，这些都非常具有挑战性。但从结构上看，它很像一个被切成薄片的finFET。这就是为什么人们说它是进化的而不是革命性的。

SE:我们在ALE方面进展如何?

Gottscho:有啤酒现在的量产解决方案，有时是准ale。就像“肾上腺脑白质退化症”在美国，你从来没有真正达到极限，因为它太慢了。所以你做出妥协，接近这个极限，你得到了大部分的好处，然后你要处理没有达到极限的剩余不利因素。在ALD和ALE的生产效率和精度之间有一个权衡。我们所说的混合模式脉冲效率很高。有一系列的过程越来越接近ALE极限。这被广泛采用。最大的问题是，我们能否将这一光谱进一步推向纯ALE或ALD工艺，因为其好处是显著的。这适用于各向同性蚀刻还是各向异性蚀刻。到处都是门，就有一个各向同性的组分必须以极高的选择性来完成。ALE似乎是一个自然的过程解决方案，如果你能使它足够多产。 That’s the challenge in ALE — how to make it faster.

SE:在高级节点上，一切都变慢了。测试在流程的早期和后期运行。我们在设计方面也看到了这一点。是否有一天，这一切都不再起作用了?

Gottscho说事情会停止是危险的。例如，等离子体蚀刻的极限在20年前就被各种各样的技巧超越了。我们所做的就是在蚀刻时改变配方。我们可以增加参数或脉冲，当我们脉冲时，我们可以改变参数。在沉积方面，由于我们的配置选项具有最高的占地面积生产力，我们通过四站模块(QSM)架构实现了原子层沉积。这使我们能够在单位面积上处理比其他基于其他低密度架构的单片设备更多的晶圆。这增加了我们工具的产量。然后我们在实现ALD的方式上做了巨大的改进，这样ALD的过程就会越来越快。在每个节点和每个应用程序中，我们一开始的吞吐量都被认为是低得不可接受的，从最初的研发到大批量生产的过程中，有一部分是让这个过程进行得更快。第一件事是获得所需晶圆的技术结果，然后优化生产力。 The deposition processes today run slower than they did four or five nodes ago. With a higher aspect ratio they absolutely slow down. But we’ve been able to overcome the theoretical limits for how fast they run by changing the parameters, the recipe, or by using different hardware.

SE:现在各向同性ALE在哪里?

Gottscho:在公共领域有一些非常好的工作，来自科罗拉多大学博尔德分校工程与应用科学学院的Steven George教授，选择合适的温度来进行热原子层蚀刻，没有任何等离子体或任何高能离子。这就变成了各向同性蚀刻。他研究了各种各样的物质系统。所以各向同性ALE是可行的。这是ALE和ALD的一个重要特征。在ALD和ALE中，第一个表面改性步骤是自限制的。在ALD中，下一步是放下一些东西，让你一层一层地生长。利用ALE，你把这个经过修饰的层放入一些能量源，然后选择性地将其解吸。你可以用离子，也可以用温度，也可以用光子。你切断了底层和改性基板之间的键。 Those bonds are weaker than the bonds within the substrate itself, which is why you get ‘one layer’ removed at a time. That’s in quotes because it’s typically more than one layer because the surface modification wasn’t one layer. It has some depth to it.

SE:这是否更加复杂?

Gottscho:原子层蚀刻实际上极大地简化了蚀刻过程。当你试图在汤中同时进行表面修饰和表面解吸时，这是非常复杂的。使用ALE，可以隔离不同的步骤。通过在时间和空间上分离事物，现在您已经将问题分解为更小的部分，每个部分都可以独立地进行优化。

SE:最后一个问题。当你展望未来几年这个行业时，你认为潜在的障碍是什么?

Gottscho开发成本一直是个大问题。缺陷是一个更大的问题计量是一个因子。它既缓慢又昂贵，而且测量缺陷或轮廓变得越来越困难。这限制了我们客户在生产线末端进行抽样的能力。它太贵了，以至于你无法进行抽样，然后你就会冒失控的风险。这就是虚拟计量和数据的用武之地。这既是一个巨大的挑战，也是一个巨大的机遇。EUV在缺陷方面是一个挑战，但我对这些问题的解决持乐观态度。我们进入干抗的原因之一是似乎没有可行的解决方案，特别是对于高na EUV。但作为一个行业，我们将克服这些挑战。另一个担忧是大数据。 There is a huge amount of untapped opportunity, but the problem is that the semiconductor ecosystem struggles to share data. I’m much more optimistic about the health care industry being able to collect data from lots of individuals, anonymize the data, mine it, and then go back to the population in general, and to individuals, and provide tailored solutions based on your epi-genome. It would be wonderful if the semiconductor industry could do the same thing, so that one customer’s data could be combined with another customer’s data, so in some way, someone could mine that data in a differentiated way. Everyone recognizes the value of the data, and they are afraid of letting it go. But that inhibits innovation across the ecosystem.