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”。原子層沉積技術鍍膜(ALD)技術是一種工業(yè)鍍膜關鍵技術,這種技術在集成電路產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新,也將為超越摩爾技術帶來顛覆性的發(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技術是推動超越摩爾技術發(fā)展的好“幫手”

格芯中國區(qū)總裁及亞洲業(yè)務發(fā)展負責人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)等新興應用領域占據(jù)。廣闊的半導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?！?/span>

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的發(fā)展源泉。據(jù)悉,超摩爾技術有三種內涵定義,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有限公司總經(jīng)理聶翔向中國電子報記者介紹,ALD技術是一種在集成電路、超越摩爾應用、一些泛半導體和其他的光學和鋰電子等新興領域的工業(yè)鍍膜關鍵技術。這種鍍膜技術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、超摩爾應用、MicroOLED等泛半導體和以光學、鋰電池為代表的工業(yè)鍍膜行業(yè)發(fā)展的關鍵技術。

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

ALD為何能在超越摩爾技術領域中脫穎而出

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

BENEQ半導體業(yè)務技術總監(jiān)Alexander Perros介紹了幾種ALD技術在超摩爾中的特色工藝領域中的技術優(yōu)勢。

在氮化鎵的功率器件解決方案中,ALD技術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介電質的沉積;第三,原位預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。

在碳化硅解決方案中,ALD能夠形成高質量的介電質以及界面工程。通過使用ALD技術,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材料能夠實現(xiàn)溝槽碳化硅MOSFET的應用。在傳統(tǒng)技術中,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,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域中脫穎而出的關鍵。“ALD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,這是其他幾類技術所難以達到的。” 聶翔同《中國電子報》記者說道。

堅持技術創(chuàng)新,顛覆行業(yè)認知

盡管ALD技術在超摩爾技術領域中有其得天獨厚的優(yōu)勢,但是在應用過程中,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,對反應氣體源及比例的要求也較高。這導致了目前ALD技術的沉積速率相對比較慢,大大限制了其在工業(yè)上的推廣應用,甚至有聲音稱:用ALD技術鍍一層膜需要花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其中的一個技術特點,同時也是技術短板,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)推出了相關的產(chǎn)品,在工業(yè)和泛半導體領域開展了應用,可以有效彌補ALD鍍膜速度慢的短板。”

BENEQ半導體業(yè)務負責人Patrick Rabinzohn介紹,ALD鍍膜技術事實上是可以根據(jù)用戶的具體的需求進行調整的,選擇等離子的ALD或者是熱法ALD等,通過對技術的一系列改進,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?？梢?如今的技術,正在顛覆了整個行業(yè)對ALD鍍膜相對較慢的認知。