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[导读]应用材料公司今天宣布推出一系列材料工程解决方案,为存储客户提供三种全新进一步微缩DRAM的方法,并加速改善芯片性能、功率、面积、成本和上市时间(即:PPACt)。

· 全新Draco™硬掩模材料与Sym3® Y刻蚀系统协同优化,以加速DRAM电容器微缩

· DRAM制造商采用应用材料公司首创的低k介电材料Black Diamond®以克服逻辑节点中的互连微缩挑战

· 高k金属栅极晶体管现已被引入先进的DRAM设计中,从而在提升性能、降低功率的同时,通过缩小外围逻辑器件来减少面积、降低成本

2021年5月5日,加利福尼亚州圣克拉拉——应用材料公司今天宣布推出一系列材料工程解决方案,为存储客户提供三种全新进一步微缩DRAM的方法,并加速改善芯片性能、功率、面积、成本和上市时间(即:PPACt)。

应用材料公司全新的材料工程解决方案可助力DRAM性能提升30%、功率降低15%、面积减少20%

全球经济的数字化转型正在催生对DRAM创纪录的需求。物联网创造了数千亿台新的边缘计算设备,推动着数据上云处理的指数级增长。因而,行业迫切需要在DRAM微缩领域取得突破,以减少芯片面积和成本,同时提高运行速度、降低功率。

应用材料公司正与DRAM客户合作,将三种材料工程解决方案商业化。这三种解决方案不仅创造了新的微缩方式,也提升了性能和功率。这些解决方案针对的是DRAM芯片的三个方面:存储电容器、互连布线和逻辑晶体管。这些解决方案现已投入大规模量产,预计未来几年将为应用材料公司的DRAM业务带来显著营收增长。

推出应用于电容器微缩的Draco™硬掩模

在DRAM芯片中,超过55%的晶粒面积被存储阵列占据,提高存储阵列的密度是降低每比特成本的最有效手段。数据以电荷形式存储在垂直排列的圆柱形电容器中,要想容纳足够数量的电子,电容器需具备尽可能大的表面积。DRAM制造商在缩小电容器直径的同时也会拉长其高度,以将电容器表面积最大化。而这也给DRAM微缩带来了新的技术挑战:电容器深孔的刻蚀可能会超过“硬掩模”材料的极限。硬掩模作为确定每个孔洞位置的模板,如果因为太薄被蚀穿,图案就会被毁坏。可是较厚的硬掩模也不适用,因为当硬掩模和电容器孔洞的总体深度超出一定限度时,刻蚀副产品会残留,导致弯曲、扭曲和深度不均。

为此,应用材料公司推出了Draco™解决方案。这是一种新型硬掩模材料,已经过协同优化可与应用材料公司的Sym3® Y刻蚀系统在其PROVision® 电子束测量和检测系统监控的流程中配合使用,其中PROVision® 电子束系统每小时可进行近50万次测量。Draco硬掩模将刻蚀选择比提高了30%以上,使得掩模更薄。Draco硬掩模和Sym3 Y的协同优化包括先进的射频脉冲优化,可使刻蚀与副产品去除同步进行,从而令成像孔洞呈完美圆柱形且笔直均匀。PROVision 电子束系统可为客户提供硬掩模关键尺寸均匀性的大量、即时可执行数据,这正是电容器均匀性的关键所在。应用材料公司的解决方案为客户提供了50%的局部关键尺寸均匀性提升,并将桥连缺陷降低了100倍,从而提升了良率。

应用材料公司半导体产品事业部集团副总裁Raman Achutharaman博士表示:“与客户携手快速解决材料工程挑战的最佳方法是协同优化相邻步骤,并使用大量测量和人工智能来优化工艺变量。”

将Black Diamond®低k介电引入DRAM市场

DRAM微缩的第二个关键方法是减少互连布线所需的晶粒面积,互连布线用于在存储器阵列间来回传递信号。每条金属线被绝缘介电材料环绕,以防止数据信号之间产生干扰。在过去25年里,DRAM制造商一直将两种硅氧化物——硅烷或四乙氧基硅烷(TEOS)中的一种用作介电材料。尽管介电层不断减薄使得DRAM晶粒尺寸缩小,但这也带来了新的技术挑战:如今,介电层太薄,无法防止金属线之间发生电容耦合,信号产生相互干扰,导致功率升高、性能降低、热量提升和可靠性风险增加。

为此,应用材料公司提出了Black Diamond®解决方案,这是一种首先被用于先进逻辑器件的低k介电材料。伴随DRAM设计面临同样的微缩挑战,应用材料公司正在着力使Black Diamond®适应DRAM市场,并将其搭载在生产效率极高的Producer® GT平台上。适用于DRAM的Black Diamond®使得互连线更加纤小紧凑,能以数千兆赫的速度在芯片中传输信号,不受干扰并且功率更低。

高k金属栅极晶体管可优化DRAM的性能、功率、面积和成本

DRAM微缩的第三个关键方法是提升芯片外围逻辑器件中使用的晶体管的性能、功率、面积和成本,帮助驱动高性能DRAM(如基于新DDR5规范的DRAM)所需的输入输出(I/O)操作。

直至今日,DRAM仍使用基于多晶硅和氧化硅介电层的晶体管,这种晶体管在逻辑器件代工中为28纳米节点所淘汰,因为栅极介电层的极度减薄会导致电子泄漏,从而浪费功率并限制性能。逻辑芯片制造商采用高k金属栅极(HKMG)晶体管,用金属栅极代替多晶硅,用氧化铪代替氧化硅介电层(氧化铪是一种可改善栅极电容、漏电流和器件性能的材料)。如今,存储器制造商正在将HKMG晶体管设计用于先进的DRAM,以优化性能、功率、面积和成本。如逻辑器件一样,在DRAM中,HKMG将随着时间的推移而取代多晶硅晶体管。

这种DRAM的技术变革为应用材料公司创造了增长机遇。制造更复杂、更精细的HKMG材料堆叠颇具挑战,使用应用材料公司的Endura® Avenir™ RFPVD系统对相邻的工艺步骤进行不破真空的连续处理已成为行业首选解决方案。HKMG晶体管还受益于应用材料公司的外延沉积技术,如:Centura® RP Epi和薄膜处理技术(包括RadOx™ RTP、Radiance® RTP和DPN,这些技术用于微调晶体管特性以获得最佳性能)。

Achutharaman博士补充道:“Draco硬掩模和Black Diamond低k介电材料已被全球多个领先DRAM客户采用,第一批HKMG DRAM现已问市。随着这些DRAM解决方案成为主流,应用材料公司预计未来几年的营收将增长数十亿美元。”

关于这些技术增长前景的更多信息已在美国时间5月5日举行的应用材料公司2021年存储大师课上提供。

前瞻性陈述

本稿件包含某些前瞻性的陈述,包括应用材料公司对公司营收的增长及趋势、业务和市场、行业发展前景和需求驱动、技术变革、新的产品和技术等的预判,以及其他不属于历史事实的陈述。这些前瞻性陈述及其相应假设可能受到风险或不确定因素的影响,导致实际结果显著不同于陈述的内容或声明内所暗示的情形,因此不对未来业绩做担保。应用材料公司已在最近提交和定期提交至美国证券交易委员会的存案文件(包括最新季报)中述明的风险和不确定因素, 包括我们最新的10-Q和8-K表格。所有前瞻性陈述均基于管理层目前的估计、预测和假设。应用材料公司没有任何义务更新任何前瞻性陈述。

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