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先進沉積化學推進次2奈米晶片製程

隨著半導體產業不斷推進技術邊界,業界多家公司正積極研發以次2奈米(sub-2nm)節點為基礎的新一代微晶片。這一進展伴隨諸多挑戰,包括傳統微影技術已無法支援此尺寸範疇,以及在極微尺度下進行品質控制的難度急遽上升。

業界製造商認為,先進沉積化學(advanced deposition chemistry)可望克服部份技術瓶頸。這項趨勢的持續推進,也體現在相關研究成果之中,例如,來自韓國的一支研究團隊近期發表長達271頁的高頻寬技術演進論文,詳細探討高頻寬記憶體(HBM)的發展藍圖。決策者可運用這份HBM路線圖及其他技術參考,評估開發與部署次2奈米製程技術的最佳時機與策略。

使用先進化學沉積技術的晶片製造商——包括原子層沉積(ALD)與化學氣相沉積(CVD)——能夠構築出極其精細的半導體結構。其核心在於精確控制化學反應,或將氣態材料(即前驅物)轉化為均勻的固態薄層。

在此背景下,究竟哪些特定沉積技術將成為次2奈米晶片發展的關鍵推力?

新世代ALD設備

越來越多的先進製造專家開始將ALD視為2奈米節點製程的關鍵技術。包括台積電(TSMC)等多家主要晶圓代工廠皆投入巨資進行ALD整合。即便其單位成本較高,業界仍視之為不可或缺的核心能力。此外,對於可擴展性(scalability)的追求,亦清楚表現在其產能目標上:月產5萬片晶圓的預期,彰顯業界對於ALD量產化的高度承諾。

然而,為了實現這種規模化生產,必須採用全新的製造方法。隨著領先企業持續評估最合適的沉積技術路線,部份設備供應商已在此專業利基領域中脫穎而出,為半導體品牌提供更多製程選項與靈活性。

Lam Research推出先進ALD金屬化設備

科林研發(Lam Research)近期宣佈推出首款ALD設備,可在先進半導體製程中實現低電阻、無空隙的鉬(Molybdenum)金屬化層。

鉬被視為鎢(Tungsten,化學符號為W)的理想替代材料,因其在奈米尺度導線中展現更低電阻,且製程步驟更為簡化——無需黏著層或阻障層。根據該公司內部測試結果顯示,該設備相較傳統鎢金屬化製程,可降低超過50%的電阻值。

圖1:ALTUS Halo原子層沉積設備的內部構造。

(來源:Lam Research)

該產品同時具備高度製造彈性,能支援選擇性或共形沉積,並具備基於化學與熱靈活性的自下而上填充能力。此外,使用者可針對溫度敏感應用選擇電漿沉積模式,以優化製程條件。

據該公司高層指出,新加坡與韓國的高產能晶圓廠已開始在製造3D NAND晶片時導入此設備。3D NAND以垂直堆疊記憶體單元以提升儲存密度,對高精度沉積技術的依賴極高。

Lam Research亦持續改進該產品,以拓展更廣泛的客戶群。這類專用設備使先進沉積化學技術更易於導入量產流程,協助製造商為次2奈米晶片時代提前佈局。

韓國研究團隊打造異質材料

在討論半導體節點時,人們通常指的是電晶體的尺寸。當電晶體變得更小,製造商即可在單一晶片上容納更多元件。在這項微縮挑戰中,電漿強化沉積是業界積極探索的技術之一。此方法可在較低溫條件下達成更高的沉積速率,其原理是利用化學反應產生的電漿氣體,於基板上沉積氮化矽或二氧化矽等薄膜。

近期,韓國機械與材料研究院(Korea Institute of Machinery & Materials,KIMM)的研究團隊取得重要成果,成功開發出全球首個結合石墨烯與過渡金屬二硫族化物(TMDC)的大面積半導體製程,而電漿強化沉積技術正是實現此突破的關鍵。

韓國機械與材料研究院自動化製造研究部半導體製造研究中心資深研究員Hyeong-U Kim (左),手持異質結半導體樣品,站在其開發的電漿合成設備前。

(來源:韓國機械與材料研究院)

過渡金屬二硫族化物因其二維結構而成為半導體領域的新焦點。此類材料展現出與矽相近的電子特性,但具有更快的開關速度與更低的功耗,使其在機器學習等應用中,極具潛力成為改變遊戲規則的關鍵材料。

韓國機械與材料研究院研究團隊利用全新開發的製程,成功製作出兩種4吋異質結構(heterostructure)樣品,展現極高的量產化潛力。第一項製程是在轉移後的石墨烯晶圓上沉積1奈米厚的鎢金屬層,接著進行硫化氫電漿硫化(hydrogen sulfide plasma sulfurization)步驟以形成結構;第二項則是利用兩種不同形式的二硫化鉬(MoS2)組成金屬-半導體異質結薄膜。

這些成果顯示,先進沉積化學在推動製程創新上具備實際可行性。許多於實驗室中累積的研究成果,未來皆有機會成為次2奈米晶片量產的核心技術基礎。

英特爾為次世代製程提前佈局

英特爾(Intel)高層已制定明確計畫,以確保公司能充份因應2奈米晶片的製造需求,並具備快速量產的能力。許多半導體企業已將機器人自動化與資料分析平台導入晶圓廠,以提升生產效率與競爭力。

英特爾的策略藍圖相當積極:「四年內開發五個節點」(five nodes in four years)。其中,18A製程的推進被視為重新定義效能與能效基準的重要里程碑。

毫無疑問,先進沉積化學將在英特爾的製程演進中扮演關鍵角色。據熟悉公司內部計畫的消息指出,英特爾正試圖降低對外部晶圓代工廠的依賴。若能實現此目標,將有助於英特爾彌補過去的重大財務損失。

然而,這項佈局亦伴隨高風險與巨額投資——消息來源指出,18A製程的投資金額已超過900億美元,顯示英特爾對長期回報寄予厚望。

英特爾的18A製程與晶圓代工藍圖。

(來源:英特爾)

以化學創新突破次奈米極限

隨著晶片製造商持續尋求突破次2奈米技術障礙的最佳途徑,先進沉積化學正展現成為關鍵解決方案的潛力。它不僅有助於克服現有製程瓶頸,也可在熱效能、導電性與良率等多方面強化競爭優勢。

因此,半導體業界的技術專業人員必須持續關注此一快速演進的材料與製程領域,以維持全球競爭的技術領先地位。

(參考原文:Advanced Deposition Chemistry for Sub-2nm Chips,by Emily Newton,Susan Hong編譯)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2025年11-12月號

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