應用材料推出運用EUV延展2D微縮與3D環(huán)繞閘極晶體管技術(shù)

半導體設備大廠(chǎng)應用材料推出多項創(chuàng )新技術(shù)，協(xié)助客戶(hù)運用極紫外光（EUV）持續進(jìn)行2D微縮，并展示業(yè)界最完整的次世代3D環(huán)繞閘極（Gate-All-Around，GAA）晶體管制造技術(shù)組合。
芯片制造商正試圖透過(guò)兩個(gè)可相互搭配的途徑來(lái)增加未來(lái)幾年的晶體管密度。一種是依循傳統摩爾定律的2D微縮技術(shù)，使用EUV微影系統與材料工程以縮小線(xiàn)寬。另一種是使用設計技術(shù)優(yōu)化（DTCO）與3D技術(shù)，巧妙地藉由優(yōu)化邏輯單元布局來(lái)增加密度，而不需要改變微影間距。

第二種方法需要使用晶背電源分配網(wǎng)絡(luò )與環(huán)繞閘極晶體管，隨著(zhù)傳統2D微縮技術(shù)逐漸式微，未來(lái)預計能有效提升邏輯單元密度的比率。這些方法能幫助芯片廠(chǎng)商改善次世代邏輯芯片的功率、效能、單位面積、成本與上市時(shí)間（PPACt）。
應用材料半導體資深副總裁暨半導體產(chǎn)品事業(yè)群總經(jīng)理帕布．若杰（Prabu Raja）表示，應用材料的策略是成為PPACt推動(dòng)公司（PPACt enablement company），因此今天發(fā)表的七項創(chuàng )新技術(shù)，其目的就是要協(xié)助客戶(hù)運用EUV以持續進(jìn)行2D微縮。我們也詳細說(shuō)明GAA晶體管的制造方式與今日的FinFET晶體管有何不同，以及應用材料備妥為GAA的制造提供業(yè)界最完整的產(chǎn)品組合，包括在磊晶、原子層沉積、選擇性去除材料的新步驟及兩種新整合性材料解決方案（Integrated Materials Solutions），以產(chǎn)生合適的GAA閘極氧化層與金屬閘極。
極紫外光（EUV）微影技術(shù)的出現，讓芯片制造商得以實(shí)現更小的線(xiàn)寬與更高的晶體管密度。然而，芯片制程不斷微縮，使得EUV技術(shù)面臨重大挑戰，因而帶動(dòng)新的沉積、蝕刻與量測技術(shù)需求。
EUV光阻劑顯影后，必須透過(guò)一連串的中介層（又稱(chēng)為轉移層與硬質(zhì)光罩）蝕刻芯片圖案，才能將圖案轉移至晶圓上。目前這些薄層都是使用旋轉式技術(shù)進(jìn)行沉積，應用材料推出專(zhuān)為EUV設計的Stensar先進(jìn)圖案化薄膜（Advanced Patterning Film），則是使用應用材料的Precision化學(xué)氣相沉積（CVD）系統。相較于旋轉式沉積技術(shù)，應用材料的CVD薄膜能協(xié)助客戶(hù)調整EUV硬質(zhì)光罩層的厚度并獲得蝕刻彈性，讓轉移至整個(gè)晶圓的EUV圖案達到近乎完美的均勻度。
應用材料也詳述了Sym3 Y蝕刻系統的特殊功能，能讓客戶(hù)在相同反應室中蝕刻與沉積材料，以改善要蝕刻到晶圓上的EUV圖案。Sym3反應室會(huì )小心地移除EUV光阻劑，再使用特殊方式重新沉積材料，以減少隨機誤差所造成的圖案偏差。改善后的EUV圖案可以提高良率與芯片功率和效能。身為DRAM導體材料蝕刻系統最大供貨商，應用材料的Sym3技術(shù)不僅已廣泛應用于內存，更迅速獲得晶圓代工／邏輯制程客戶(hù)的青睞。
應用材料也展示了PROVision電子束（eBeam）量測技術(shù)，可穿透芯片的多層結構，準確量測整個(gè)晶圓的EUV圖案線(xiàn)寬，幫助客戶(hù)解決邊緣放置（edge placement）錯誤，這是其他量測技術(shù)無(wú)法做到的。在2021年，應用材料的電子束系統營(yíng)收成長(cháng)了將近一倍，并成為電子束技術(shù)第一大供貨商。
新興的GAA晶體管體現了客戶(hù)如何利用3D設計技術(shù)和DTCO布局創(chuàng )新來(lái)補強2D微縮，因此即使2D微縮技術(shù)式微，仍能快速提高邏輯密度。創(chuàng )新的材料工程解決方案也改善了GAA晶體管的功率和效能。
在FinFET中，形成晶體管電氣路徑的垂直信道是藉由微影和蝕刻形成的，這些制程可能導致信道寬度以及信道表面粗糙程度不均勻，進(jìn)而對功率和效能產(chǎn)生負面的影響，這是除了鰭高的物理限制外，客戶(hù)轉向GAA的主要原因之一。
GAA晶體管類(lèi)似被旋轉了90度的FinFET晶體管，使通道變成水平狀而非垂直狀。GAA通道是利用磊晶和選擇性材料去除技術(shù)所形成，這些技術(shù)可讓客戶(hù)精確設計寬度和均勻性，以達到最佳的功率和效能。應用材料推出的第一個(gè)產(chǎn)品是磊晶系統，此后即一直是市場(chǎng)領(lǐng)導者。應用材料在2016年推出Selectra系統時(shí)，就開(kāi)創(chuàng )了選擇性材料去除技術(shù)的先河，并且是市場(chǎng)的領(lǐng)導者，至今客戶(hù)使用的反應室已超過(guò)1,000個(gè)。
制造GAA晶體管的主要挑戰之一是，通道之間的空間只有10奈米左右，客戶(hù)必須在有限的空間內將多層閘極氧化層（gate oxide）和金屬閘極堆棧沉積在信道的四面。
應用材料針對閘極氧化層堆棧開(kāi)發(fā)了IMS（Integrated Materials Solution）系統。更薄的閘極氧化層可以產(chǎn)生更高的驅動(dòng)電流和晶體管效能。然而，較薄的閘極氧化層通常會(huì )導致較高的漏電流，從而浪費功耗并產(chǎn)生熱能。
應用材料新的IMS系統將等效氧化厚度縮減1.5埃（angstrom），使設計者能夠在不增加閘極漏電的情況下提高效能，或者在保持效能不變的情況下將閘極漏電減少10倍以上。此系統它將原子層沉積（ALD）、熱處理步驟、電漿處理步驟和量測技術(shù)整合在一個(gè)高度真空的系統中。
應用材料還展示了用于GAA金屬閘極堆棧工程設計的IMS系統，使客戶(hù)能夠改變閘極厚度，以調整晶體管的閾值電壓，滿(mǎn)足從電池供電的行動(dòng)裝置到高效能服務(wù)器等特殊運算應用的每瓦效能目標。它可在高度真空中執行高精度的金屬ALD步驟，實(shí)現預防大氣污染的目標。