Rick Gottscho博士：下一代芯片在堆叠、微缩和检验方面的挑战

泛林集团首席技术官Rick Gottscho博士接受了行业媒体Semiconductor Engineering （SE）的专访，分享他对于存储和设备微缩，新市场需求，以及由成本、新技术和机器学习应用所推动的生产变革方面的看法。以下节选自采访原文。

泛林集团首席技术官Rick Gottscho博士

Q1： 我们终于迎来了EUV光刻工艺时代，放眼所有这些工艺节点，您如何看待它们？您是否看到了市场对3nm节点的趋之若鹜？

Rick Gottscho：当然，5nm工艺比7nm要困难许多，3nm工艺的难度就更大了。我认为现在市场对7nm工艺的需求还很强劲，对5nm工艺的需求也将会很强劲。一些节点由于没有带来足够的收益而昙花一现，我们客户的客户可能在寻找下一个节点并暂时观望。我们很难断言哪个节点将成为“杀手锏”、哪个会是昙花一现，但对先进器件的持续性需求仍然是大势所趋。其中，大部分需求是由人工智能中的大数据活动来驱动的，这让我们必须处理大量信息。高速处理器、密集处理器和存储就显得至关重要。

Q2： 现在有很多不同的存储技术进入市场，这会产生什么影响？

Rick Gottscho：很显然，DRAM的微缩越来越困难。我们预计DRAM仍会有三代发展前景，但每一代的成本和性能优势都在减弱，这一空缺需要填补。因此，介于NAND和DRAM之间的存储级内存空间便应运而生，PCRAM（相变存储器）或XPoint存储填补了部分空缺，但并非全部。PCRAM或XPoint还可以创造新的终端产品，为市场增长开辟传统NAND和DRAM难以企及的新途径。我们认为，替代DRAM的解决方案将不止一种，可能会有三至四种新形态共同填补这一空间，对DRAM市场进行替代或部分替代。我们相信，无论由什么来填补解决方案空间，它都会涉及到3D架构。

Q3： 泛林集团在这之中能够发挥什么样的作用？

Rick Gottscho：我们提供的设备能够处理高深宽比结构，不仅仅是垂直结构，还包括水平—垂直组合结构。具体而言是由内而外的处理模式，和现今钨材料处理模式一样，先将氧化物/氮化物（ONON）或氧化物/多晶硅（OPOP）等材料堆叠组合起来，再通过该组合实现对高深宽比结构的蚀刻。我们认为，由2D NAND转向3D NAND的解决方案将广泛适用于所有新存储类型。引入新的材料肯定会提高复杂性，尤其是像MRAM堆栈这种结构，除了复杂以外工艺要求也高，很难进行垂直蚀刻。因此，任何高密度的独立MRAM至今没有出现，都是被嵌入到逻辑中，这是材料特性导致的结果。

Q4： 达到192/196层之后，3D NAND的发展会变慢吗？

Rick Gottscho：我们很看好3D NAND的前景，在这个领域的主要挑战有两个。一是随着沉积层数的提升，薄膜应力会持续累积，最终导致晶圆翘曲并使图案变形，因此双层或三层结构的解决方案中，对齐将成为一个很大的挑战。我们推出的一种新产品能从背面进行沉积从而抵消晶片正面的应力。此外，我们还推出了能降低薄膜固有应力的方案。尽管这些产品和方案有助于防止晶片翘曲，但它们并不能阻止模内和面内变形，有时甚至会加重这种变形，因为它们会让晶片承受不同方向的压力，致使晶片就像被钳子夹住一样，变得更“平”。所有这些压力最终会影响到图形的准确性，所以我们要同时从外部应力和内应力两个角度来解决这个问题。

Q5： 有了3D NAND，每个节点的位密度都增大了，每个单元也有更多的位。对此，市场需求是否充足？

Rick Gottscho：从长期来看需求十分强劲。在数据及其生成和存储领域，呈现出爆发式增长。所有这些用于挖掘数据的应用都会为新应用提供更多数据，因此对数据的需求是无止境的，并需要永久存储数据。你没有理由不能挖掘10年前获取的数据并从中提取价值，前提是这些数据的存储方式便于提取。如果考虑4位和5位单元，泛林集团在这方面做得非常成功。你真的在把电流/电压特性数字化。分割I/V曲线的精确度取决于这个器件是否与其相邻或位于其上的器件看起来一模一样。因此，如果存储孔刻蚀不够均匀，那么每个器件都会与所在阵列的其他器件有些许不同，你就需要进行大量的误差校正，使得“这个”器件与“那个”器件的相似度差距在4或5位范围内。在打造3D NAND结构方面，除了误差校正和启动5位单元的算法和电路外，沉积和刻蚀的加工精度也至关重要。

Q6： 现在ALE（原子层刻蚀技术）发展到哪一步了？

Rick Gottscho：现在已经有了批量生产的ALE解决方案，有时则是准ALE。正如ALD（原子层沉积技术）一样，你永远无法真正到达极限，因为这一过程太缓慢了。因此，你会做出妥协，通过接近这一极限来获得大部分收益，并处理未达到极限的不利影响。不管是ALD还是ALE，生产效率和精确度之间都需要达到一个平衡。我们所说的混合模式脉冲（MMP）其实就是一种高生产率的方式。在不断接近ALE极限的过程中，有一系列工艺被普遍采用。最大的问题是，我们能否通过这一系列工艺，进一步得到一个纯ALE或ALD工艺，因为其收益将是很可观的。这对于各向同性刻蚀和各向异性刻蚀都可以适用。由于到处都有栅极，有一个需要用极高选择性进行处理的各向同性成分。如果能使其具备足够的生产力，ALE会是一个自然的工艺解决方案。这就是ALE面临的挑战——如何使其更快。

Q7： 最后一个问题。请您展望一下整个行业在未来几年的前景，有可能遇到的障碍有哪些？

Rick Gottscho：开发成本一直是个大问题，工艺缺陷更是个难题。首先是测量，除了速度慢和成本高以外，现在测量的难度也越来越大。在这种情况下，客户的最终采样能力受到了限制。有时采样成本过高致使不得不放弃检查，当然那就要面对质量失控的风险。解决问题的希望在于虚拟测量和数据。所以这些挑战也带来了机遇。而EUV光刻还需要解决缺陷率问题。但总的来说，我对于这些问题的解决持乐观态度。我们转向干膜光刻胶的原因之一就是似乎没有其他可行方案，尤其是采用High-NA技术的EUV光刻。但集合整个行业的力量，我们最终会克服这些挑战的。另一个问题是大数据，这个领域有大量未开发的机会，但问题是半导体生态系统很难实现数据共享。在大数据方面，我对医疗保健行业更为乐观，这个行业可以收集大量的个人数据，进行匿名化处理和挖掘后再应用于一般人群和个体，根据表观基因组特性打造量身定制的解决方案。如果半导体行业也能如此将会是一件很好的事情，我们就可以将很多客户的数据结合起来，然后再通过某种方式实现对这些数据的多维度挖掘。现在每个人都认识到数据的价值，大家都不愿意放手，但这样就会抑制整个行业生态的创新力。