介绍DRAM缩放材料工程的突破

正如我在我最后的博客当前,对低成本、高密度DRAM的需求空前高涨,物理限制阻碍了DRAM的性能、功率、面积和成本(PPAC)。如果没有一个解决方案,我们在过去20年享受的DRAM容量的空前增长可能会大幅放缓,并放缓人工智能和高性能计算等领域的进展。

为了应对这一挑战,Applied Materials正188金宝搏备用网址在与其DRAM客户合作开发材料工程解决方案,以创造新的收缩方式,同时提高性能和功率。今天我们宣布解决方案支持DRAM缩放的三个关键杠杆:用于单元阵列电容器的新硬掩模材料,用于互连布线的低k介电材料,以及在芯片外围逻辑中采用高k金属栅(HKMG)晶体管。

新德拉科™ 硬掩模材料扩展了DRAM电容器的缩放

DRAM缩放的常用方法是缩小电容器的直径,从而增加纵横比,以保持足够的表面积和电荷。这对DRAM的扩展构成了挑战,因为创建深电容孔所需的蚀刻过程可能会超过硬掩模材料的限制,硬掩模材料作为模板来确定每个圆柱体的放置位置。当高能离子腐蚀这些空穴时,它们也会腐蚀掉坚硬的掩膜。如果硬掩膜在电容器孔完全形成之前就被腐蚀,图案就被破坏了。使硬面具更高也有问题,因为它会导致更高的纵横比,以及在电容器孔的腐蚀副产物的积累,导致扭曲,弯曲,腐蚀不足和其他致命缺陷。

为了解决这一挑战,Applied Material188金宝搏备用网址s开发了一种比传统掩模更硬、更致密的新型硬掩模材料。新的德拉科™ 硬面具将蚀刻选择性提高30%以上,从而实现更短的掩模(见图1)。我们共同优化了Draco硬掩膜材料,以配合我们的Sym3®Y蚀刻系统在规定监控的过程中®eBeam计量和检测系统,每小时可以进行近50万次测量。这种协同优化包括先进的射频脉冲,在蚀刻和副产物去除之间交替进行,从而使图案孔成为完美的圆柱形、直形和均匀的。这对于降低电容形成的可变性至关重要,而电容形成是DRAM缩放的最大挑战之一。此外,德拉科硬掩膜已被设计成产生挥发性副产物材料,不粘在电容器圆筒的墙壁上,可以比传统的硬掩膜更容易去除,即使在侵略性的腐蚀条件下。

图1:应用材料的Dr188金宝搏备用网址aco硬掩膜增加了30%以上的蚀刻选择性,使掩膜更短。


PROVision eBeam系统还能收集提供的大量数据可采取行动的见解硬掩模均匀性是电容器均匀性的关键。我们的解决方案为客户提供了50%的局部临界尺寸均匀性改善,并将桥接缺陷减少了100倍,从而提高了产量(见图2)。

图2:Draco硬掩膜通过改善临界尺寸(CD)均匀性和减少桥缺陷,帮助提高DRAM产量。

DRAM缩放的另外两个杠杆与减少外围电路区域有关,外围电路区域由逻辑晶体管和围绕DRAM单元阵列的互连线组成。为了防止漏电,必须提高逻辑晶体管的性能;为了提高DRAM的密度,必须降低互连线之间的距离。188金宝搏备用网址应用材料正在帮助我们的客户开发解决方案。

把黑钻石®DRAM市场的低k电介质

互连布线中的每一条金属线都由绝缘电介质材料包围,该绝缘电介质材料可防止信号之间的干扰。电介质层变薄降低了DRAM芯片尺寸,但带来了新的技术挑战:电介质现在太薄,无法防止金属线中的电容耦合,从而导致信号相互干扰,导致更高的功耗、更低的性能、更高的热量和可靠性风险。

25年来,传统的方法是使用硅烷或四乙氧基硅烷(TEOS)氧化物作为相邻金属导电线之间的绝缘介质。应用公司认识到,这些氧化硅薄膜已经达到了极限,行业需要一种低电容的介质材料,使DRAM导电线更紧密地放置在一起,而不会造成信号干扰。

这使我们探索使用应用的黑钻石®DRAM市场上的低k介电材料。黑钻石是一种最早应用于高级逻辑的材料,用于解决类似的缩放挑战。使用碳作为掺杂剂,黑钻石电介质材料可以实现更小、更紧凑的互连线,可以以数千兆赫的速度通过DRAM传输信号,同时降低电容、功耗和串扰。为了实现与客户工艺流程的无缝集成,low-k材料还提供了出色的界面控制和与来料层的附着力。我们已经在与客户合作开发新版本的黑钻石,用于未来几代DRAM。

高k金属栅晶体管为DRAM带来了PPAC的改进

DRAM芯片外围逻辑中的晶体管驱动输入输出(I/O)操作,对于提供当今DDR5 DRAM所需的性能至关重要。到目前为止,DRAM一直使用基于多晶硅氧化物的晶体管。这种类型的晶体管因28nm节点而不受foundry logic客户的青睐,因为极薄的栅极电介质允许电子泄漏,从而对功率和性能产生不利影响。逻辑制造商转而使用高k金属栅(HKMG)晶体管,在这种晶体管中,多晶硅被金属栅取代,电介质被改为氧化铪,这种材料可以提高栅电容、漏电流和性能。

为了推动PPAC的持续改进,存储器制造商现在正在先进的DRAM设计中引入HKMG晶体管。正如在逻辑上一样,我们预计香港金融管理局将越来越多地取代多晶硅随着时间的推移晶体管。Applied凭借在沉积和薄膜处理技术方面的领先地位,帮助实现这一转变。我们的Endura®Avenir™RFPVD系统已经成为制造复杂的HKMG堆的行业首选解决方案,因为它可以在真空中处理相邻的步骤。HKMG的晶体管也受益于我们的外延沉积技术,如Centura®RP Epi和膜处理,包括RadOx™RTP, Radiance®RTP和DPN用于微调晶体管特性以获得最佳性能。

总结

将新材料引入芯片制造绝非易事。它们需要插入到现有的流程流中,并且必须与上游和下游步骤兼容。通过协同优化沉积和蚀刻之间的过程交互,并结合我们独特的计量技术,我们正在加快研发学习周期,为我们的客户产生更好、更快的结果。

应用的DRAM扩展解决方案是可能的,这得益于我们的投资组合的广度和深度,以及我们以独特和高度可行的方式结合这些技术的能力。它们也代表了应用程序公司PPACt剧本的另一个章节,通过新的建筑、3D结构、新颖材料和新的收缩方式以及异质设计和先进的封装,抵消了传统摩尔定律缩放速度的放缓。PPACt的新剧本将帮助DRAM设计师加速他们的产品路线图,并继续为更实惠、高性能内存的全球需求服务。

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