Корпорация Applied Materials и технологии 3D ДОЗУ

Корпорация Applied Materials и технологии 3D ДОЗУ

Выпуск 11(6735) от 10 июня 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Дальнейшее развитие технологии ДОЗУ, аналогично флэш-памяти NAND-типа, скорее всего, будет связано с освоением 3D-технологий. Правда, на это уйдет еще несколько лет: требуются новое производственное оборудование и материалы, чтобы сделать производство 3D ДОЗУ рентабельным. Специалисты корпорации Applied Materials недавно представили ряд технических решений.

В частности, Applied Materials представила Draco, новый материал для жестких масок, оптимизированный для совместной работы с фирменной системой травления Sym3 Y в рамках процесса, контролируемого системой метрологии и контроля PROVision eBeam (способна осуществлять почти 0,5 млн измерений в час). Новый материал улучшает избирательность травления более чем на 30 %. Сочетание Draco и Sym3 Y при использовании перспективной методики РЧ-импульсов для синхронизации травления с удалением побочных продуктов позволяет сформировать идеально цилиндрические, прямые и однородные отверстия. Система PROVision eBeam обеспечивает воспроизводимость конденсаторов и немедленно предоставляет клиентам имеющие большое практическое значение данные об однородности критических размеров жестких масок. Это позволяет уменьшить дефекты мостовых соединений, что, в свою очередь, способствует увеличению выхода годных.

Материал Draco решает критическую проблему усложнения протравливания глубоких отверстий и эффективного удаления побочных продуктов. Проблема является результатом уменьшения площади ячейки и диаметра конденсатора, увеличения аспектного отношения по мере снижения проектных норм с каждым технологическим поколением и проявляется при осаждении материала с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k) между двумя тонкими металлическими электродами для образования параллельного пластинчатого конденсатора.

Кроме того, из-за повышения энергии ионов травления (для поддержания постоянной скорости травления) и изменения процесса материал жесткой маски вытравливается до того, как отверстие будет полностью сформировано. Увеличение толщины жесткой маски ведет только к росту аспектного отношения и убыванию отдачи (т. е. результат прирастает в меньшей степени, чем вкладываемые в процесс средства). Кроме того, возрастает плотность дефектов и ухудшаются темпы снижения размеров конденсатора. Материал Draco позволяет клиентам корпорации Applied Materials уменьшить толщину жесткой маски на 30 %. Подчеркивается, что отверстия в жесткой маске должны иметь как можно лучшую воспроизводимость и качественную форму, поскольку любые искажения будут перенесены на следующий этап процесса.

Корпорация Applied Materials также решает проблемы, связанные с постоянным утонением диэлектрических слоев, позволившим уменьшить размеры кристаллов ДОЗУ. Из-за того что диэлектрики становятся слишком тонкими, чтобы предотвратить емкостную связь в металлических (токопроводящих) дорожках, усиливается тенденция интерференции (взаимных помех) сигналов, что приводит к росту энергопотребления и снижению производительности, повышается тепловыделение, растут риски надежности. Для решения этих проблем корпорация Applied Materials вывела на рынок новый материал с низкой диэлектрической проницаемостью (low-k) – ​Black Diamond, отказавшись от использования в качестве диэлектрического материала оксидов кремния – ​силана или тетраэтоксисилана. Впервые применив Black Diamond при производстве перспективных логических приборов, корпорация адаптировала этот материал для использования со своей платформой Producer GT. Отмечается, что Black Diamond обеспечивает снижение диэлектрической проницаемости на 25 % по сравнению с современными пленками оксида кремния. Благодаря этому также появляется возможность формировать меньшие и более компактные межсоединения, способные передавать сигналы через кристаллы со скоростью несколько гигагерц, без помех и при сниженном энергопотреблении.

Третья область, на которую нацелена Applied Materials, – ​это производительность, потребляемая мощность, занимаемая площадь и стоимость транзисторов, используемых в периферийной логике кристалла для помощи в управлении операциями ввода–вывода, необходимых в высокопроизводительных ДОЗУ, таких как приборы на основе новой спецификации DDR5. Ожидается, что со временем HKMG-транзисторы заменят в ДОЗУ поликремниевые транзисторы, как это уже произошло в логических приборах (с целью улучшения таких показателей, как емкость затвора, ток утечки и производительность).

Переход к этажерке HKMG-материалов порождает собственный набор проблем производства, поскольку требует более сложных и деликатных процессов. Корпорация Applied Materials решет эти проблемы с помощью фирменной системы Endura Avenir RFPVD (физическое осаждение паров в вакууме). Для точной настройки характеристик HKMG-транзисторов (обеспечивающей оптимальную производительность) клиенты Applied Materials также используют и технологии эпитаксиального осаждения корпорации в сочетании с несколькими различными вариантами обработки пленок.

В долгосрочной перспективе основное внимание в индустрии ДОЗУ будет сосредоточено на возможностях вертикального масштабирования. Один из подходов – ​это этажирование кристаллов, другой – ​увеличение плотности вертикального расположения ячеек. Производители ДОЗУ столкнулись с тем, что из-за растущих затрат на формирование структур, а также, возможно, достижения физических пределов технологии планарное масштабирование все более усложняется (рис. 1).



Источник: Applied Materials

Рисунок 1. В силу растущих затрат на создание шаблонов и приближения к физическим пределам полупроводниковых технологий масштабирование планарных (двумерных) ДОЗУ становится все более сложным 


Еще несколько лет назад при переходе к следующему технологическому поколению (с меньшими проектными нормами) удельная емкость ДОЗУ увеличивалась примерно на 25 %, но из-за проблем с масштабированием области ячейки этот показатель в последнее время снизился примерно до 20 %. Производители флэш-памяти NAND-типа, решившие ее за счет перехода к 3D-структурам.

Можно ли осуществить то же самое с ДОЗУ – ​большой вопрос. ДОЗУ существенно отличаются от флэш-памяти NAND-типа. Их быстродействие в 1000 раз выше, в качестве исходного материала для формирования канала используется кремниевая подложка с высокой подвижностью носителей заряда. Высокое быстродействие ДОЗУ также обусловлено тем, что заряд может быстро входить и выходить из конденсатора. При вертикальном масштабировании ДОЗУ для обеспечения высокой подвижности носителей и сверхнизкой плотности дефектов в каналах потребуются инновации в области материалов и процессов.

Для продвижения в этом направлении Applied Materials сосредотачивается на наработках в области материалов и технологий нанесения материалов с высокой подвижностью носителей, таких как эпитаксиальное выращивание, физическое осаждение паров (PVD) и атомно-слоевое осаждение (ALD). Предполагается, что при формировании 3D ДОЗУ также потребуются перспективные методы заполнения отверстий (канавок и т. п.), избирательного удаления материалов и расширенные возможности легирования. Успешность создаваемых решений будет обусловлена легкостью интеграции всех этих подходов.

При этом специалисты Doller Consulting отмечают, что в долгосрочном плане, несмотря на любые проблемы масштабирования, ДОЗУ и флэш-память NAND-типа будут оставаться ведущими типами схем памяти в течение следующих трех-пяти лет. Пока никакие другие ИС ЗУ не могут сравниться с ДОЗУ по производительности и долговечности при произвольном доступе, а по удельной стоимости (в пересчете на бит) – ​с флэш-памятью NAND-типа. Действительно, объем продаж всех новых типов ИС ЗУ, вместе взятых, в 2020 г. составлял менее 500 млн долл. Даже при всех уже осуществленных инвестициях в технологию магниторезистивных ОЗУ (MRAM) она все еще проблематична с точки зрения затрат на внедрение, несмотря на меньшее время ожидания и большую долговечность по сравнению с ДОЗУ. В краткосрочной перспективе схемам ДОЗУ или флэш-памяти NAND-типа альтернативы нет.

Отраслевые специалисты также отмечают, что закон Мура перестает действовать в области схем памяти в том виде, в каком он сформулирован. Особенно это касается схем ДОЗУ, так как масштабирование планарных (2D) конденсаторов существенно усложняется (рис. 2).



Рисунок 2. Закон Мура перестает действовать в области схем памяти, особенно для ДОЗУ, поскольку масштабирование 2D-конденсатора становится очень трудным

Примечание: 1x, 1y, 1z – поколения технологического процесса 10-нм класса (топологии от 19 до 10 нм). Например, у корпорации Samsung техпроцессу 1х соответствуют нормы 18 нм, техпроцессу 1y – 17- или 16-нм нормы, а техпроцессу 1z – 16/15-нм или даже 13-нм нормы. Общий принцип: первое поколение (x) – базовый процесс, второе поколение (y) – процесс наибольшей производительности (пропускной способности), третье поколение (z) – наименьшая потребляемая мощность.

* SAQP (self-aligned quadruple patterning) – методика четырехкратного формирования рисунка с самосовмещением.


Правда, при всем изложенном те же специалисты заявляют, что использование современных архитектур вполне возможно для 10-нм класса ДОЗУ, т. е. приборов с проектными нормами от 19 до 10 нм (имеются в виду все поколения 10-нм процесса, см. рис. 2). Но новым 3D-архитектурам уже уделяется возрастающее внимание. Будущие архитектуры 3D ДОЗУ по некоторым параметрам и атрибутам будут сходны с 3D-NAND-архитектурами, но по другим ожидается значительное различие. Вертикальное масштабирование ДОЗУ не будет таким агрессивным, как у 3D-NAND-флэш, и будет полностью отличаться с точки зрения используемых материалов.

Ячейки 3D-флэш-памяти NAND-типа используются реже, чем ячейки ДОЗУ, поэтому здесь допустимо использовать диэлектрические материалы и жертвовать производительностью. Архитектурные различия между поставщиками могут быть скрыты с помощью ПО. В тоже время ДОЗУ обладают меньшей гибкостью, а поскольку ячейки памяти используются постоянно, от них требуется высокое быстродействие и малая потребляемая мощность, более чувствительные и жесткие интерфейсы. Вместо диэлектриков будут осаждаться, формироваться и удаляться с помощью травления металлы (оксиды металлов).

Наконец, ожидается рост важности методов корпусирования. Подходы с использованием этажирования и интерпозеров уже показали свою полезность на примере смартфонов. Теперь использование перспективных методик корпусирования требуется в таких конечных применениях, как высокопроизводительные вычисления, особенно с применением ИИ. При гибридном соединении гетерогенные (разнородные) кристаллы ИС могут соединяться с использованием меди, что позволит получить более короткие жесткие межсоединения, снизить время ожидания и энергопотребление, повысить производительность и таким образом компенсировать замедление действия закона Мура.


Hilson Gary. DRAM Destined to be 3D. EE Times, May 11, 2021: https://www.eetimes.com/dram-destined-to-be


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.