ALD的创新如何助力超越摩尔技术发展

随着后摩尔定律时代来临,出现了More Moore (深度摩尔)、More than Moore (超越摩尔)、Beyond CMOS (新器件)业界发展的三大方向。其中,超越摩尔意味着发展在先前摩尔定律演进过程中所未开发的部分,致力于特色工艺。随着先进制程的研发陷入瓶颈,特色工艺成为提升芯片性能的“利器”。原子层沉积技术镀膜(ALD)技术是一种工业镀膜关键技术,这种技术在集成电路产业中的创新,也将为超越摩尔技术带来颠覆性的发展。5.25日,青岛四方思锐智能携手国家智能传感器创新中心签署战略合作协议,意在为了推动ALD的创新,从而助力超越摩尔技术的产业发展与合作, 共同探索开发行业市场。ALD技术是推动超越摩尔技术发展的好“帮手”格芯中国区总裁及亚洲业务发展负责人Americo Lemos在SEMICON China 2020曾说道:“在价值650亿美元的代工行业中,25%的市场遵循传统摩尔定律,适合高密度、高速度的数字应用。75%的市场将由5G、人工智能和云计算、物联网等新兴应用领域占据。广阔的半导体市场中越来越多的行业增长,比如5G、物联网、边缘AI、自动驾驶等是来自我们所在的这75%的市场中。”随着摩尔定律的发展,Americo Lemos的这番言论也开始不断被印证,而这75%的市场,也成为了超摩尔技术的发展源泉。据悉,超摩尔技术有三种内涵定义,其一,芯片系统性能的提升不再靠单纯的靠晶体管缩小尺寸,而是更多地通过电路设计以及系统算法优化来提升。其二,集成度的提高不一定只是把更多模块放到同一块芯片上,而是可以靠封装技术来实现更高的集成。其三,芯片的主要卖点不仅仅是更高的性能,也可以是一些其他有用的新功能。青岛四方思锐智能技术有限公司总经理聂翔向中国电子报记者介绍,ALD技术是一种在集成电路、超越摩尔应用、一些泛半导体和其他的光学和锂电子等新兴领域的工业镀膜关键技术。这种镀膜技术可以使得材料以单原子层(0.1nm)的形式沉积在基板的表面,在沉积层的厚度控制、3D复杂材料表面均匀度、表面无针孔等方面具有显著优势,是集成电路、超摩尔应用、MicroOLED等泛半导体和以光学、锂电池为代表的工业镀膜行业发展的关键技术。可见,ALD技术在半导体领域中的新能源材料与器件领域展现出了极大的发展前景,被视为推动超越摩尔技术发展的好“帮手“。ALD为何能在超越摩尔技术领域中脱颖而出据悉,薄膜沉积工艺除了ALD技术以外,还有物理式真空镀膜(PVD)还有化学式真空镀膜(CVD)等,相比较与其他工艺而言,在超摩尔技术的发展过程中,ALD的优势在于哪里?为何能够脱颖而出?BENEQ半导体业务技术总监Alexander Perros介绍了几种ALD技术在超摩尔中的特色工艺领域中的技术优势。在氮化镓的功率器件解决方案中,ALD技术能够增强高功能氮化镓的性能,主要表现在五个方面,第一,通过ALD薄膜实现表面的钝化和覆盖;第二,通过氧化铝叠层实现一个高K介电质的沉积;第三,原位预处理去除自然氧化层,实现表面稳定化,以提高整个器件的性能;第四,通过高质量的ALD氮化铝,可形成产能的缓冲层,这对于RF滤波器的使用而言非常关键的,但目前还处于研发阶段;第五,可通过低温ALD叠层,来实现精密封装技术。在碳化硅解决方案中,ALD能够形成高质量的介电质以及界面工程。通过使用ALD技术,能够降低界面态的密度,并提升整个电子迁移率,从而提升整个器件的性能。通过高保形、高性能的ALD材料能够实现沟槽碳化硅MOSFET的应用。在传统技术中,碳化硅的晶体会因为暴露在空气中而发生氧化,但是有了ALD技术,这个问题就可以得到很好的解决。在原位等离子的处理中,ALD技术可以实现高效的碳化硅钝化。有了等离子处理之后,整体的钝化效果和整体碳化硅的情况都能够得到很好地优化。与此同时,聂翔认为,与PVD、CVD等技术相比较而言,ALD也有其得天独厚的优势,这也是使其能够在超越摩尔领域中脱颖而出的关键。“ALD能够在各种尺寸和形状的基底上实现沉积高精度、无针孔、高保形的纳米薄膜,并且能够在大批量大面积的基底材料和复杂的三维物体表面制备高保形薄膜,包括疏松多孔的基体材料和粉末,这是其他几类技术所难以达到的。” 聂翔同《中国电子报》记者说道。坚持技术创新,颠覆行业认知尽管ALD技术在超摩尔技术领域中有其得天独厚的优势,但是在应用过程中,难免也会产生一些问题。据悉,由于ALD 适合制备很薄的高K金属氧化物层,因此对腔室的真空度要求比较高,对反应气体源及比例的要求也较高。这导致了目前ALD技术的沉积速率相对比较慢,大大限制了其在工业上的推广应用,甚至有声音称:用ALD技术镀一层膜需要花20个小时,而用其他方式几小时就搞定。对此,聂翔表示,镀膜速度相对较慢也是ALD其中的一个技术特点,同时也是技术短板,但这并不意味着无法攻克。“如今,作为ALD企业,我们也在做大量的工作来提升产能,从而弥补ALD镀膜速度慢的短板。例如,我们开发了空间ALD产品,空间ALD的镀膜速度远远高于传统ALD的镀膜速度,并且如今已经推出了相关的产品,在工业和泛半导体领域开展了应用,可以有效弥补ALD镀膜速度慢的短板。”BENEQ半导体业务负责人Patrick Rabinzohn介绍,ALD镀膜技术事实上是可以根据用户的具体的需求进行调整的,选择等离子的ALD或者是热法ALD等,通过对技术的一系列改进,现在具体的配置尺寸也可以根据加载的模块数量来决定,从而能有效解决镀膜速度相对较慢的问题。例如,现在50纳米的氧化铝,最多的产量可以达到每小时40片晶圆以上,如果是Lite版本是每小时25片以上。如果厚度比较薄,产量甚至可以高达90片。如果厚度是50纳米左右,产量大概是每小时40片左右。可见,如今的技术,正在颠覆了整个行业对ALD镀膜相对较慢的认知。