邊緣計算和雲端運算對儲存需求的激增,正推動各類應用對大容量快閃記憶體的需求持續攀升。3D NAND技術每12至18個月發佈一次,其擴展速度在替換率和性能提升方面超越大多數其他半導體器件。每推出新一代產品,NAND供應商都能實現讀寫速度提升50%、位密度提高40%、延遲降低以及能效增強。3D快閃記憶體製造商通過堆疊和連接儲存單元來維持這種驚人速度,這些儲存單元通過微小的深溝槽進行連接,且每一代產品都會變得更小更深。一項突破性技術——低溫蝕刻技術,能在僅100奈米的開口中鑽出數十億個深度達10微米的溝槽孔,且具有近乎垂直的輪廓。在注重能效和可持續性的行業中,這些創新蝕刻工具的設計目標是能耗僅為傳統低溫方案的一半,同時將碳排放量降低80%以上。在NAND刻蝕工藝中,關鍵挑戰在於如何在保持合理刻蝕速率的同時,確保從溝道頂部到底部的垂直輪廓均勻。建模技術在最佳化工藝配方方面發揮著日益重要的作用,以確保儲存孔內部的垂直輪廓無CD變化、無彎曲變形、無孔形畸變。即便資料集有限,人工智慧也能助力最佳化這些特徵的輪廓。這些儲存孔輪廓之所以至關重要,是因為其均勻性直接關係到NAND性能——具體表現為讀寫速度和程式設計/擦除效率。3D NAND晶片的主要生產商包括三星電子、西部資料、Kioxa(東芝旗下)、SK海力士等企業。通過採用更薄的二氧化矽與氮化矽交替層疊結構(ON),每代產品可增加30%的字線數量。隨後,深反應離子刻蝕(DRIE)技術會在晶片表面鑽出數十億個高縱橫比圓柱體(縱橫比超過50:1)。DRIE反應器能優先實現離子垂直定向,從而建構深溝槽隔離、矽通孔、MEMS腔體等垂直結構的平行排列。在NAND快閃記憶體中,若這些特徵的原子級輪廓與目標參數存在微小偏差,就會導致器件電學性能下降,不僅降低良率和性能,還可能影響可靠性。在100奈米孔徑、10微米深度的蝕刻工藝中,允許的輪廓偏差僅為10奈米。“若將10奈米的輪廓偏差作為深度的函數來考量,其偏差率不足0.1%,這一表現確實令人驚嘆,”藍思科技全球蝕刻產品副總裁金泰元表示。3D NAND技術的規模化發展路徑主要通過三種方式實現。首先,快閃記憶體單元可採用更緊密的排列方式(x和y方向縮放),或通過垂直連接進行堆疊。自2014年行業從2D轉向3D NAND以來,製造商主要在垂直方向進行整合,同時將邏輯電路置於儲存陣列下方以進一步縮小晶片尺寸(稱為陣列下晶片, CUA)。其次,晶片製造商在不增加面積的前提下,通過提升每個單元的儲存位數實現技術突破——從單位元發展到4位元(四態單元)甚至更高,從而顯著增加電壓狀態的數量。我們是如何走到這一步的?NAND晶片製造商之間的競爭異常激烈,他們致力於在每個製造步驟中實現卓越的均勻性和可重複性。其中關鍵工藝是儲存孔溝槽刻蝕。其他重要的高縱橫比NAND刻蝕工藝包括:槽口,用於隔離字線的蝕刻區域,確保電路正常運作;多層觸點,連接不同金屬布線層的孔洞; 樓梯結構,各層字線的接入通道。垂直溝槽刻蝕工藝完成後,氧化層、捕獲層及多晶矽溝道會沿孔側壁沉積。這種結構常被稱為通心粉溝道。在大多數NAND儲存器產品中,垂直排列的電荷陷阱單元已取代了原先位於源極/漏極上方的浮柵(FG)電晶體。儘管這兩種器件的工作原理相似,但電荷陷阱單元位於柵氧化層(源極與漏極之間)沉積的氮化物層中,本質上是一種內部含有氮化矽陷阱層的垂直MOSFET器件。當完成單元陣列後,晶片製造商通常會製作第二層或堆疊結構,這些結構隨後會被串聯起來。“但要確保貫穿這層約 30µm 厚的堆疊結構的線性直徑,會帶來越來越高的加工複雜度和成本,這對高堆疊沉積和高縱橫比刻蝕步驟提出了挑戰,”imec儲存工藝整合團隊的高級整合研究員薩娜·拉希迪指出。雖然採用多層短層結構可以減輕高縱橫比刻蝕工具的負擔,但也增加了成本和複雜度——特別是因為同一層中的多個儲存孔需要與第二層的孔對齊,以便後續連接。在必須對齊的短層結構與推動刻蝕性能以在ON堆疊中雕刻更深區域之間,存在著權衡關係。目前,NAND晶片供應商正採取雙層堆疊工藝:先在單層中整合儘可能多的儲存單元,再建構第二層。“另一個趨勢是將外圍CMOS電路最佳化到不同晶圓上,通過混合鍵合技術將其連接到儲存陣列堆疊,”拉希迪解釋道,“為控制不斷攀升的工藝成本,業界正推進垂直方向的進一步縮微,即所謂的z軸間距縮微。”為何要採用低溫工藝?傳統反應離子刻蝕工藝中,隨著微小孔洞內材料的不斷去除,刻蝕速率會逐漸下降。2010年代,刻蝕製造商開始探索低溫處理技術(0℃至-30℃),試圖通過低溫工藝與替代化學試劑的結合,既提升反應離子刻蝕系統的處理效率,又能最佳化垂直結構的垂直剖面。通過保持晶圓低溫,高能氟離子和氧離子承擔了去除氧化物-氮化物層及相關雜質的主要任務。“較低的溫度抑制了不必要的側壁刻蝕,同時增強了離子遷移率和轟擊效果,”Lam Research的Kim表示。該超低溫環境是通過在刻蝕平台上使用低溫機以及對晶圓進行氦氣冷卻實現的。從化學機制來看,蝕刻速率的提升源於表面擴散增強和中性物質物理吸附的增加。關鍵在於工藝工程師需要控制孔洞頂部聚合物的形成,這會阻礙離子流到達特徵底部。“通過精準調控晶圓溫度和氣體化學成分來控制孔洞輪廓,這種調控方式利用了蝕刻側壁上中性物質從化學吸附向物理吸附轉變的溫度依賴性特徵,”金解釋道。所需的蝕刻深度持續增加。TEL的Yoshihide Kihara及其同事估計:“對於未來具有超過400層的代際產品,為了維持當前的雙層堆疊結構,至少需要 8µm /層深度的儲存通道孔蝕刻。”[2]替代化學技術在降低碳足跡的同時實現了更快的蝕刻速率和孔深。TEL補充道:“通過使用氫氟酸氣體進行蝕刻,可以大幅降低傳統氯氟烴氣體的分壓,因此與第一代低溫工藝相比,溫室氣體的碳足跡可減少84%。”該公司還發現少量含磷氣體(三氟化磷)可作為催化劑促進氫氟酸與二氧化矽之間的反應,在低溫操作下提高蝕刻速率。低溫蝕刻技術的必要性已顯而易見。金指出,藍思科技已在3D NAND應用的量產晶圓廠中安裝了1000個腔室。RIE可採用兩種反應器類型——電容耦合電漿體和感應耦合電漿體系統。通常,ICP更為常見,因其兩個電極可獨立控制離子能量和離子密度,而射頻偏置功率則加速活性物種進入空穴。目前有多家RIE(反應離子刻蝕)裝置供應商,包括應用材料公司、Plasma-Therm公司、牛津儀器公司和森泰克儀器公司,但在高產量製造的低溫刻蝕領域,藍思科技和TEL公司佔據主導地位。TEL於2023年推出了首款低溫刻蝕機,而藍思科技則在2024年7月推出了第三代低溫刻蝕機。藍思科技的金先生指出,這三代反應器採用了三種不同的化學工藝。成功刻蝕的另一個關鍵要素是用於形成孔洞和狹縫的光刻掩模。晶片製造商使用厚非晶碳硬掩模(通過 CVD 沉積),並在其上旋涂玻璃和光刻膠以形成硬掩模圖案。這種厚掩模能保護在刻蝕過程中應保留的ON/ON/ON區域。Lam Research公司還採用電漿體脈衝技術在刻蝕模式與鈍化模式間切換。刻蝕工藝的副產物至關重要,因其能鈍化側壁,防止特徵結構彎曲。垂直溝槽刻蝕的縱橫比已接近70:1,而向100:1縱橫比的過渡將面臨更嚴峻的控制挑戰。輪廓控制、人工智慧與蝕刻工藝配方建模技術在提升製造精度方面發揮著日益關鍵的作用。以NAND垂直溝道蝕刻工藝為例,其蝕刻配方的最佳化需要考慮30余項可調參數,包括溫度、氣體流量、功率、工藝時長等關鍵指標。由蔡成恩(Cheng-En Tsai)領導的Macronix公司工程師團隊,揭示了一種基於人工智慧的方法,用於最佳化垂直通道(VC)結構中蝕刻後的輪廓,以最小化形狀變形(包括晶圓中心、中部及邊緣區域),以最佳化蝕刻工藝配方,從而降低CD變異。該方法可減少配方開發相關的成本與時間投入。蔡及其同事報告稱:“半導體行業面臨的關鍵挑戰之一是在配方開發初期即實現晶圓消耗最小化,這對成本效益和加速產品開發周期至關重要。”該人工智慧程序能夠最佳化33個蝕刻參數,以降低頂部CD、弓形CD(最寬點)、CD畸變及CD條紋水平的變異。Macronix公司AI輔助調校方法的核心策略,是基於全面資料集對預訓練Transformer模型進行微調。該微調過程通過將機器學習演算法應用於實際晶圓和設計實驗(DOE)分割的小型資料集。“通過將預測的刻蝕參數輸入模型,最終獲得的VC剖面圖使系統能夠以高精度模擬和預測VC結構,”Macronix團隊強調了領域知識的作用。“為提高模型預測的精準性,我們根據領域專家知識設定了特定約束條件的預設參數。這一步驟對最佳化模型輸出至關重要,確保預測結果符合實際可行的刻蝕條件。”通過使用在VC剖面圖10多個深度位置進行的TEM斜切測量,記錄了關鍵尺寸(CD)變化,並由機器學習確定了33個刻蝕參數的最佳化值。“該方法不僅通過生成高精度刻蝕剖面圖提升了刻蝕結構質量,還為半導體行業帶來了顯著的成本節約。通過先進的最佳化技術,AI輔助調諧方法確保最終形成的VC架構在最小化形狀變形和保持對CDs的精準控制方面展現出卓越性能。“最重要的是,新工藝配方顯著降低了特徵失真,這與NAND的性能和可靠性直接相關。”“在初始工藝中觀察到的VC形狀嚴重失真時,會出現明顯的突變閾值電壓,這表明3D NAND程式設計過程中存在性能不穩定現象。”AI輔助蝕刻工藝徹底消除了這種閾值電壓行為,使得器件性能變得可預測且經過最佳化。未來工藝製程面臨怎樣的挑戰?為實現每代產品新增更多ON層,縮小字線間距(現有器件中約為40奈米)是合理選擇。但國際微電子公司(IMEC)研究團隊警示,當NAND製造商在現有材料上持續製程縮小時,將引發兩大物理問題——橫向電荷遷移與單元間干擾。電荷遷移和訊號干擾會降低閾值電壓、增強亞閾值擺動、減少資料保持時間,並增加程式設計/擦除電壓。“當進一步減薄字線層厚度時,電荷陷阱電晶體的柵極長度會相應縮短。結果,柵極對溝道的控制力逐漸減弱,導致相鄰單元間的靜電耦合增強。除了單元間干擾外,儲存單元在垂直方向上的縮小還會引發橫向電荷遷移(或垂直電荷損失)。被困在SiN層內的電荷傾向於通過垂直SiN層遷移,從而影響資料保持能力,”imec研究人員表示。為抑制單元間干擾,工藝改進方案之一是採用低介電常數空氣間隙替代氧化物介質作為字線間隔。值得注意的是,二維NAND器件此前已採用空氣間隙技術。但相較於平面結構,垂直結構中引入空氣間隙的工藝難度顯著增加。Imec近期開發出一種可重複的氣隙方案,該方案在沉積 ONO 堆疊前對柵間氧化層進行凹陷處理。“氣隙通過與字線自對準的方式引入,可實現精準定位並提供可擴展的解決方案。”該方案及其他類似方案將被研究人員和製造商繼續採用,以推進3DNAND的尺寸縮小。低溫蝕刻是RIE工藝的重要發展,它能形成極深極薄的腔體,用於3D NAND器件的垂直接觸、狹縫、階梯接觸和外圍接觸。晶片製造商正在最佳化30多個蝕刻參數,以確保從特徵頂部到底部的CD變化較小的垂直輪廓。隨著這項極具挑戰性的技術不斷拓展,工藝模擬與人工智慧輔助技術可在無需運行數百片開發晶圓的情況下,對配方最佳化發揮重要作用。此舉既節省成本又縮短上市時間。因此,該行業很可能將更多依賴虛擬製造來完成這些及其他關鍵製造步驟。 (銳芯聞)