隨著后摩爾定律時代來臨,出現(xiàn)了More Moore (深度摩爾)、More than Moore (超越摩爾)、Beyond CMOS (新器件)業(yè)界發(fā)展的三大方向。其中,超越摩爾意味著發(fā)展在先前摩爾定律演進過程中所未開發(fā)的部分,致力于特色工藝。隨著先進制程的研發(fā)陷入瓶頸,特色工藝成為提升芯片性能的“利器”。原子層沉積技術(shù)鍍膜(ALD)技術(shù)是一種工業(yè)鍍膜關(guān)鍵技術(shù),這種技術(shù)在集成電路產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新,也將為超越摩爾技術(shù)帶來顛覆性的發(fā)展。5.25日,青島四方思銳智能攜手國家智能傳感器創(chuàng)新中心簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,意在為了推動ALD的創(chuàng)新,從而助力超越摩爾技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與合作, 共同探索開發(fā)行業(yè)市場。

ALD技術(shù)是推動超越摩爾技術(shù)發(fā)展的好“幫手”

格芯中國區(qū)總裁及亞洲業(yè)務(wù)發(fā)展負責(zé)人Americo Lemos在SEMICON China 2020曾說道:“在價值650億美元的代工行業(yè)中,25%的市場遵循傳統(tǒng)摩爾定律,適合高密度、高速度的數(shù)字應(yīng)用。75%的市場將由5G、人工智能和云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)。廣闊的半導(dǎo)體市場中越來越多的行業(yè)增長,比如5G、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣AI、自動駕駛等是來自我們所在的這75%的市場中。”

隨著摩爾定律的發(fā)展,Americo Lemos的這番言論也開始不斷被印證,而這75%的市場,也成為了超摩爾技術(shù)的發(fā)展源泉。據(jù)悉,超摩爾技術(shù)有三種內(nèi)涵定義,其一,芯片系統(tǒng)性能的提升不再靠單純的靠晶體管縮小尺寸,而是更多地通過電路設(shè)計以及系統(tǒng)算法優(yōu)化來提升。其二,集成度的提高不一定只是把更多模塊放到同一塊芯片上,而是可以靠封裝技術(shù)來實現(xiàn)更高的集成。其三,芯片的主要賣點不僅僅是更高的性能,也可以是一些其他有用的新功能。

青島四方思銳智能技術(shù)有限公司總經(jīng)理聶翔向中國電子報記者介紹,ALD技術(shù)是一種在集成電路、超越摩爾應(yīng)用、一些泛半導(dǎo)體和其他的光學(xué)和鋰電子等新興領(lǐng)域的工業(yè)鍍膜關(guān)鍵技術(shù)。這種鍍膜技術(shù)可以使得材料以單原子層(0.1nm)的形式沉積在基板的表面,在沉積層的厚度控制、3D復(fù)雜材料表面均勻度、表面無針孔等方面具有顯著優(yōu)勢,是集成電路、超摩爾應(yīng)用、MicroOLED等泛半導(dǎo)體和以光學(xué)、鋰電池為代表的工業(yè)鍍膜行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

可見,ALD技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的新能源材料與器件領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的發(fā)展前景,被視為推動超越摩爾技術(shù)發(fā)展的好“幫手“。

ALD為何能在超越摩爾技術(shù)領(lǐng)域中脫穎而出

據(jù)悉,薄膜沉積工藝除了ALD技術(shù)以外,還有物理式真空鍍膜(PVD)還有化學(xué)式真空鍍膜(CVD)等,相比較與其他工藝而言,在超摩爾技術(shù)的發(fā)展過程中,ALD的優(yōu)勢在于哪里?為何能夠脫穎而出?

BENEQ半導(dǎo)體業(yè)務(wù)技術(shù)總監(jiān)Alexander Perros介紹了幾種ALD技術(shù)在超摩爾中的特色工藝領(lǐng)域中的技術(shù)優(yōu)勢。

在氮化鎵的功率器件解決方案中,ALD技術(shù)能夠增強高功能氮化鎵的性能,主要表現(xiàn)在五個方面,第一,通過ALD薄膜實現(xiàn)表面的鈍化和覆蓋;第二,通過氧化鋁疊層實現(xiàn)一個高K介電質(zhì)的沉積;第三,原位預(yù)處理去除自然氧化層,實現(xiàn)表面穩(wěn)定化,以提高整個器件的性能;第四,通過高質(zhì)量的ALD氮化鋁,可形成產(chǎn)能的緩沖層,這對于RF濾波器的使用而言非常關(guān)鍵的,但目前還處于研發(fā)階段;第五,可通過低溫ALD疊層,來實現(xiàn)精密封裝技術(shù)。

在碳化硅解決方案中,ALD能夠形成高質(zhì)量的介電質(zhì)以及界面工程。通過使用ALD技術(shù),能夠降低界面態(tài)的密度,并提升整個電子遷移率,從而提升整個器件的性能。

通過高保形、高性能的ALD材料能夠?qū)崿F(xiàn)溝槽碳化硅MOSFET的應(yīng)用。在傳統(tǒng)技術(shù)中,碳化硅的晶體會因為暴露在空氣中而發(fā)生氧化,但是有了ALD技術(shù),這個問題就可以得到很好的解決。

在原位等離子的處理中,ALD技術(shù)可以實現(xiàn)高效的碳化硅鈍化。有了等離子處理之后,整體的鈍化效果和整體碳化硅的情況都能夠得到很好地優(yōu)化。

與此同時,聶翔認為,與PVD、CVD等技術(shù)相比較而言,ALD也有其得天獨厚的優(yōu)勢,這也是使其能夠在超越摩爾領(lǐng)域中脫穎而出的關(guān)鍵?！癆LD能夠在各種尺寸和形狀的基底上實現(xiàn)沉積高精度、無針孔、高保形的納米薄膜,并且能夠在大批量大面積的基底材料和復(fù)雜的三維物體表面制備高保形薄膜,包括疏松多孔的基體材料和粉末,這是其他幾類技術(shù)所難以達到的。” 聶翔同《中國電子報》記者說道。

堅持技術(shù)創(chuàng)新,顛覆行業(yè)認知

盡管ALD技術(shù)在超摩爾技術(shù)領(lǐng)域中有其得天獨厚的優(yōu)勢,但是在應(yīng)用過程中,難免也會產(chǎn)生一些問題。

據(jù)悉,由于ALD 適合制備很薄的高K金屬氧化物層,因此對腔室的真空度要求比較高,對反應(yīng)氣體源及比例的要求也較高。這導(dǎo)致了目前ALD技術(shù)的沉積速率相對比較慢,大大限制了其在工業(yè)上的推廣應(yīng)用,甚至有聲音稱:用ALD技術(shù)鍍一層膜需要花20個小時,而用其他方式幾小時就搞定。

對此,聶翔表示,鍍膜速度相對較慢也是ALD其中的一個技術(shù)特點,同時也是技術(shù)短板,但這并不意味著無法攻克?！叭缃?作為ALD企業(yè),我們也在做大量的工作來提升產(chǎn)能,從而彌補ALD鍍膜速度慢的短板。例如,我們開發(fā)了空間ALD產(chǎn)品,空間ALD的鍍膜速度遠遠高于傳統(tǒng)ALD的鍍膜速度,并且如今已經(jīng)推出了相關(guān)的產(chǎn)品,在工業(yè)和泛半導(dǎo)體領(lǐng)域開展了應(yīng)用,可以有效彌補ALD鍍膜速度慢的短板。”

BENEQ半導(dǎo)體業(yè)務(wù)負責(zé)人Patrick Rabinzohn介紹,ALD鍍膜技術(shù)事實上是可以根據(jù)用戶的具體的需求進行調(diào)整的,選擇等離子的ALD或者是熱法ALD等,通過對技術(shù)的一系列改進,現(xiàn)在具體的配置尺寸也可以根據(jù)加載的模塊數(shù)量來決定,從而能有效解決鍍膜速度相對較慢的問題。例如,現(xiàn)在50納米的氧化鋁,最多的產(chǎn)量可以達到每小時40片晶圓以上,如果是Lite版本是每小時25片以上。如果厚度比較薄,產(chǎn)量甚至可以高達90片。如果厚度是50納米左右,產(chǎn)量大概是每小時40片左右。可見,如今的技術(shù),正在顛覆了整個行業(yè)對ALD鍍膜相對較慢的認知。