钨原子层沉积——解决3D NAND设备制造面临的容量挑战

在之前的微信中，泛林为大家介绍了3D NAND设备存在的工艺挑战。今天，让我们一起来谈谈钨原子层沉积这个在3D NAND设备制造中常用的工艺方法。

随着世界变得更加互联和“智能”，由此产生的数据量也越来越大，芯片制造商正面临着不小的压力，需要应对的全新技术挑战主要在于提供数据处理性能更强且存储容量更大的产品。钨原子层沉积工艺可以帮助3D NAND制造商克服这些挑战，生产存储容量更大的芯片。

3D  NAND应用

3D NAND是一种非易失性存储器，即使在断电后也能保存数据，可用于手机、平板电脑、个人电脑、记忆棒，乃至汽车和企业服务器中。

随着消费者的需求变得愈加复杂，对存储容量的需求也在增加。例如，我们的手机除了用来拍照外，还被用来拍摄并存储高分辨率的视频。平板电脑上不再只有一部下载完成的电影，而是下载了一整季最喜爱的节目，以便尽情刷剧。

无论是理解人类语言（如Siri和Alexa），还是执行面部识别，都要求设备本身和服务器拥有大量的存储空间。汽车拥有多个摄像头和数百个传感器，需要大量的存储空间和运算能力来处理由此产生的海量数据，而随着行业向无人驾驶汽车的演进，这一需求只会继续增加。

人工智能（AI）和机器学习在制造业、医疗和其他行业的日益渗透，也使存储容量面临着更大的压力。

3D NAND面临的挑战是如何通过沉积和刻蚀形成更高、更深的结构。

左图：一个90多层的3D NAND中通过刻蚀形成的沟道孔，深宽比为40:1；

右图：世界上最高的建筑物哈利法塔(Burj Khalifa)，高宽比为9:1。

容量增加产生的挑战

3D NAND芯片由多层结构组成，犹如建筑物中的楼层。每层都有一个存储单元阵列，每个存储单元通常最多可容纳三个数据位。为了增加存储器件的容量，制造商需要增加更多的层数。每层中的所有单元都使用钨进行连接，在此过程中，钨必须均匀地沉积在整个器件中，层数和单元数越多，就越难实现。

如果器件的互连结构只有几层，可以使用铜并通过液体电镀来沉积。在3D NAND存储堆叠中，水平分层和大量的层数使这个方法变得不可行，因此需要使用钨，因为它能以气体形式沉积，以便更好地向下沉积到器件的每一层。

钨沉积的一种实现方法是化学气相沉积（CVD），它可在持续数十秒的连续工艺中实现沉积并去除任何气态的副产物。

字线钨填充面临的主要挑战是：随着层数不断增加，确保每层都能实现一致的无空隙填充。

钨原子层沉积解决方案

新一代的解决方案是使用原子层沉积（ALD）。不同于连续供应所有分子的CVD方法，ALD可在交替周期中提供不同的气体，并在每个周期内精确控制特定的反应物分子。

ALD就像对表面进行逐层涂色一样，可获得均匀的涂层。它的精度非常高，可生成与沉积表面一致的光滑无空隙层。这意味着半导体设备公司可以制造层数更多、字线更细、单元更小、容量更大的闪存结构。

自该解决方案问世以来，先进的存储器芯片制造商已经开始借助此技术，更快地实现下一代大容量器件。