泛林全新ICEFill™技术让3D闪存密度进一步提高

3D闪存堆叠技术的应用已经有一段时间了，从2013年8月以来，3D NAND存储器就已经成功地投入了市场。所谓堆叠，像积木一样一层层的堆起来，但是，这种技术并非仅仅只应用在建筑上。科技产品下一个重大突破将在3D闪存芯片堆叠领域出现。以前的2D技术是把NAND闪存颗粒直接平铺在SSD固态硬盘电路板上。后来，厂家为节约成本，节省空间，像建高楼一样，一层又一层地平铺上去，就成为了3D堆叠闪存技术。3D NAND将思路从提高制造工艺转移到了堆叠更多层数，这样就可以兼顾容量、性能和可靠性了。所以，与平面NAND（2D结构）不同，3D NAND类似于垂直摩天大楼，其中水平层的存储器单元被堆叠，然后使用微小的垂直通道连接。

3D NAND相对2D NAND来说，是一次闪存技术上的变革。而且不同于基于微缩技术的平面闪存，3D存储器的关键技术是薄膜和刻蚀工艺，技术工艺差别较大。其中，沉积技术在存储器件的发展中发挥着关键作用，堆叠技术暴露了现有填充方法的局限性。

泛林集团（Lam Research）推出的Striker FE公司的增强原子层沉积(ALD)平台解决了3D NAND和DRAM半导体制造的挑战。这是一种用于制造高长宽比芯片架构的新型加工解决方案。Striker FE采用了创新的首创ICEFill™技术，用于填充新兴节点的3D NAND、DRAM和逻辑器件的极端结构。该系统提供了满足半导体产业路线图所需的持续成本和技术升级的需求。

泛林集团副总裁兼总经理Aaron Fellis表示，间隙填充方法并不新鲜，但传统的方法已经不能满足今天的需求，尤其是在3D NAND堆叠的越来越高情况下。“它们有许多不同的特点，通过蚀刻，使不同的步骤能够整合在一起。”最终，它们需要用介电材料填充，最常见的是硅氧化物。”

传统的半导体制造间隙填充方法包括传统的化学气相沉积、扩散/熔炉和自旋工艺。这些技术已经无法满足当今3D NAND的要求，因为它们受到质量、收缩率和间隙填充空隙之间的折中限制。相比之下，泛林集团的Striker ICEFill利用专有的表面修饰技术，实现了高度优先的自下而上和无空隙填充，同时保留了原子层沉积（ALD）固有的薄膜质量。ICEFill技术消除了现有的高长宽比特征的填充限制，这些特征在3D NAND设备中尤为普遍，同时也防止了DRAM和逻辑设备的塌陷问题。泛林集团高级副总裁兼沉积产品部总经理Sesha Varadarajan表示。'这项技术结合了在单一处理系统中生产高质量氧化膜的能力和卓越的间隙填充性能，以及我们行业领先的四工位模块架构所提供的生产力优势。'

Fellis：“在质量、收缩和空隙之间进行权衡之下，通常用于半导体制造的化学气相沉积、扩散/熔炉和自旋过程等简单技术不再适用于3D NAND。它们往往会缩小和扭曲客户正在建造和设计的实际结构。”

由于氧化硅性能稳定，承受温度范围广，并表现出良好的电气性，它仍然是填充的首选材料。不过改变的是储存它的技术。泛林集团的Striker ICEFill采用其独有的表面改性技术，可以实现高选择性自下而上及无缝的填隙，并保持原子层沉积 (ALD) 固有的成膜质量。 ICEFill技术能够解决3D NAND器件普遍存在的高深宽比填隙的限制，避免DRAM和逻辑器件结构倒塌的问题。

Fellis：“如果你使用标准的ALD，你会得到更高质量的薄膜，所以你不必处理收缩问题。”

但即使有良好的材料密度能够支持机械完整性，标准的ALD仍然会导致一些设备的间隙，对其可扩展性存在一些疑问。因为ICEFill的自下而上的方法，它在内部提供了非常好的质量薄膜且没有收缩。加之它的高可扩展性，意味着在任何需要的步骤上都有完整的空隙。在制造器件内部的特定缝隙中，材料的性质可保证均匀一致。

Fellis表示，存储设备的沉积技术有自己的路线图，这些路线图是由各种存储技术的发展所驱动的，同时这些技术也决定了现有技术将如何持续下去。“如今，在3D NAND中被堆叠得越来越高，泛林集团也在不断改进产品

东西变得越来越高或越来越小。在3D NAND被堆叠得更高的挑战中，泛林集团已经在改进其前锋产品。 “但我们看到客户的需求也在不断提高，为此我们需要提高薄膜性能，堆叠仍然在驱动不断的创新。”

VLSIresearch总裁Risto Puhakka表示，泛林集团在ALD技术方面处于主导地位，它的技术需求反映了人们对存储的需求。这样做的目的都是为了增加应用程序的密度，比如AI，这些应用程序需要在保持成本不变的情况下，拥有更多的比特，其中包括像3D NAND这样内存堆叠得更高的空隙填充能力。“从制造的角度来看，堆叠芯片变得越来越具有挑战性，但芯片制造商自己对需要花费多少钱感到有点焦虑。通过使用一种如硅氧化物的已知材料，可增加一些可预测性，因为它很容易理解。

Puhakka表示，但正如3D NAND堆叠最终会达到极限一样，间隙填充技术和ALD技术也会达到极限。预计到2020年，3D存储堆叠可以做到120层甚至更高，2021年可以达到140层以上，是目前主流64层的两倍还多。

延伸阅读——原子层沉积技术ALD

对于高度集成化的器件来说，要让这些间隔如此小的微纳结构相互协同、互不干扰地工作，其两两之间的界线必须“棱角分明”。但目前，对于传统的化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）来说，想要在如此微小的尺度上实现复杂结构的有效、精确的可控沉积仍存在有一些问题[1-3]，因此需要一种能够同时满足材料多样化要求以及生长精确可控的沉积方法，作为目前日益复杂化、集成化的电子器件的发展基础。

原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）技术，是一种基于有序、表面自饱和反应的化学气相薄膜沉积方法。通俗来说，可以将一层层亚纳米厚的薄膜均匀地‘’包’‘’在物体表面。这种能够将各种功能材料，在亚纳米尺度上实现均匀包覆的技术，很好地解决了目前功能器件中的缺陷和均匀性的问题。

原子层沉积的主要原理：ALD最大的特点是将传统的化学气相反应有效地分解成两个半反应，当我们的目标成分是AB时，先向腔体内部通入一种前驱体A，它会与基底的表面基团反应从而均匀地吸附在基底表面。由于A、B两种物质相互反应，因此在A完全吸附在表面后后，需要用惰性气体将多余的A吹走。之后再通入另一种前驱体B，与表面的一层A反应，同样需要惰性气体将B吹走，这些过程构成一个生长循环，从而形成一层均匀的薄膜，而每个循环生长的薄膜厚度一致，可以通过对生长循环数的控制，来实现对薄膜厚度的精确控制。因此，原子层沉积是一种精确可控的薄膜生长技术。